ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2015, № 5, с. 388-400
ОБЗОРНЫЕ СТАТЬИ
УДК 630:[631.527+631.528+631.524]
ПОЛЕВЫЕ ИСПЫТАНИЯ И КОММЕРЦИАЛИЗАЦИЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФОРМ ЛЕСНЫХ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ*
© 2015 г. В. Г. Лебедев1, С. А. Муратова2, К. А. Шестибратов1
Филиал Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН
142290 Московская обл., Пущино, просп. Науки, 6 E-mail: vglebedev@mail.ru 2Мичуринский государственный аграрный университет 393760 Мичуринск, ул. Интернациональная, 101 Поступила в редакцию 18.02.2015 г.
Полевые испытания биотехнологических форм растений являются важным этапом на пути их коммерциализации. Особое значение они приобретают для деревьев, которые в силу их биологических особенностей невозможно объективно оценить в лабораторных или тепличных условиях. В первую очередь полевые испытания направлены на оценку проявления новых признаков, а также на фенотипические характеристики растений. Для многолетних древесных растений особенно важным становится оценка стабильности экспрессии перенесенных генов на протяжении всего периода выращивания. Неотъемлемой составной частью полевых испытаний является определение безопасности новых генотипов растений для окружающей среды, включающее оценку возможности воздействия на немишенные организмы и вероятность переноса генетического материала в дикорастущие родственные виды.
Искусственная полиплоидизация, трансгенные растения, полевые испытания, биобезопасность, коммерциализация.
Получение новых генотипов растений с использованием методов биотехнологии состоит из нескольких этапов, и одним из наиболее важных являются полевые испытания. Этот вид испытаний необходим для оценки проявления новых признаков у биотехнологических форм в условиях, более приближенных к естественным, чем условия лаборатории или теплицы. Первая оценка экологического риска конкретного трансгенного организма также происходит во время полевых испытаний. В конечном итоге принимается решение о пригодности использования новых форм растений в коммерческих целях.
Этап полевых испытаний особенно важен для деревьев, так как в теплице для них можно получить только ограниченную информацию, которую в большинстве случаев нельзя экстраполировать на поведение в полевых условиях. Во-первых, в теп-
* Работы выполнены при финансовой поддержке Министерства образования и науки России в рамках проекта № 14.616.21.0013 от 17 сентября 2014 г. (уникальный идентификатор RFMEFI61614X0013).
лице растения не испытывают ежегодную смену циклов периодов покоя и роста и не подвергаются воздействию вредителей и заболеваний; к тому же в разных географических и почвенно-климатичес-ких зонах эти процессы могут сильно отличаться. Во-вторых, формирование древесины, одной из самых важных характеристик лесных деревьев, в защищенном грунте протекает иначе, чем в природе. Наконец, из-за долговечности деревьев обязательными являются многолетние исследования на стабильность экспрессии перенесенных генов, которые практически невозможно провести в теплице, особенно для быстрорастущих видов.
ПОЛЕВЫЕ ИСПЫТАНИЯ
ПОЛИПЛОИДНЫХ ФОРМ
Полиплоидные формы лесных деревьев представляют большой интерес, так как могут отличаться от родительских генотипов усиленным ростом, повышенной устойчивостью и качеством древесины, а также стерильностью. Такие формы
отбирают в дикой природе либо получают путем гибридизации или искусственной полиплоидиза-ции. О полевых испытаниях растений, полученных последним способом, в отличие от естественных или гибридных форм, известно немного. В Финляндии в течение 20 лет выращивали полиплоиды десяти различных видов Betula, полученные обработкой семян колхицином, а также их потомство (Sarkilahti, Valanne, 1990). Полиплоидные формы отличались измененной морфологией листьев, а их потомство - сильным ослаблением роста. В последние годы возрос интерес к полиплоидным формам растений рода Acacia, чьи плантации расположены главным образом в Юго-Восточной Азии. Эти виды, продуцируя большое количество долговечных семян, проявляют ин-вазивные свойства в местах выращивания, что становится серьезной проблемой (Blakesley et al., 2002). Решением проблемы может стать создание триплоидов с низкой фертильностью. Кроме того, репродуктивная биология Acacia затрудняет межвидовую гибридизацию, и поэтому поли-плоидизация является альтернативным средством получения селекционного материала, который к тому же может обладать увеличенными размерами древесных волокон (Griffin et al., 2015). Полевые испытания во Вьетнаме тетраплоидов Acacia mangium, полученных из обработанных колхицином семян, выявили у них отставание в росте и повышенное апикальное доминирование по сравнению с диплоидами. Выход древесной массы у 8-летних растений различной плоидности был очень схожим, но волокна тетраплоидов были значительно длиннее и шире (883 и 20.0 мкм), чем у диплоидов (683 и 15.6 мкм) (Griffin et al., 2015).
ПОЛЕВЫЕ ИСПЫТАНИЯ ТРАНСГЕННЫХ ДЕРЕВЬЕВ В МИРЕ
По сравнению с полиплоидными формами полевых испытаний трансгенных лесных деревьев проводится значительно больше - по причине более интенсивных исследований и их обязательности для растений подобного статуса. Однако в связи с высокой стоимостью и из-за общего отставания работ по сравнению с травянистыми видами, число полевых испытаний древесных растений в мире относительно невелико - с 1989 по 2013 г. их было проведено около 750, причем 85% приходилось на растения из родов Populus, Pinus и Eucalyptus (Häggman et al., 2013). В общем числе полевых испытаний, проведенных в США и Европе, доля лесных видов деревьев составляет всего около 2%. Нам известно только одно полевое испытание трансгенных лесных видов в России, когда в Свер-
дловской области в течение трех лет оценивали рост гибридного тополя (Populus tremula х P alba) с геном у-глутамилцистеин синтетазы на почвах, загрязненных тяжелыми металлами (Ivanova et al., 2009). Сообщений о результатах полевых испытаний трансгенных деревьев в научной печати относительно мало, так как много исследований проводится коммерческими компаниями, не заинтересованными в разглашении информации. Масштаб и продолжительность полевых испытаний изменяются в очень широких пределах. Площадь опытного участка может составлять от нескольких сотен квадратных метров до десятков гектаров (APHIS, 2015). Оценка устойчивости к гербицидам заняла всего два года (Meilan et al., 2002), тогда как испытания на стабильность экспрессии могут продолжаться до 14 лет (Klocko et al., 2014).
ОЦЕНКА НОВЫХ ПРИЗНАКОВ
Полевые испытания трансгенных растений в первую очередь направлены на оценку проявления признаков, кодируемых перенесенными генами, а также на фенотипические характеристики и агрономические показатели. Первые трансгенные деревья содержали гены устойчивости к вредителям и гербицидам. Одна из первых публикаций по полевым испытаниям трансгенных деревьев описывала оценку тополя Populus nigra с геном эндотоксина cry1Ac из Bacillus thuringiensis на устойчивость к насекомым-вредителям из отряда Lepidoptera (Hu et al., 2001). Исследования, проведенные в Китае в 1994-1997 гг., показали, что у трансгенных растений доля сильно поврежденных листьев составила 10%, тогда как у контрольных деревьев - 80-90%. Впоследствии именно эти растения стали выращивать на плантациях. У тополя с геном cry3Aa, кодирующим токсин, специфичный к вредителям из отряда Coleoptera, кроме повышения устойчивости, вырос объем древесины на 14% по сравнению с нетрансгенными растениями, по-видимому, из-за сниженного поражения вредителями (Klocko et al., 2014). Одни из первых полевых испытаний хвойных видов, проведенные на Picea glauca с синтетической версией гена cry1Ab, выявили летальный эффект некоторых линий на личинок еловой листовертки (Lachance et al., 2007). Впервые об устойчивости лесных деревьев в полевых условиях к гербицидам сообщил в своей работе R. Meilan с соавт. (2002). Двухлетние испытания показали, что ряд клонов гибридов Populus с экспрессией двух генов, CP4 и GOX, обладают полной устойчивостью к двухкратной полевой дозе гербицида "Раундап". В другой работе была показана устойчивость гибридов тополя
к двухкратной полевой дозе другого гербицида -глюфосината аммония (Li et al., 2008).
Большое число полевых испытаний трансгенных лесных деревьев направлено на оценку модификации содержания и состава лигнина, а также пригодности такой древесины для получения бумаги и биотоплива. Такие исследования важны и потому, что модификация лигнина может привести к изменению роста и продуктивности деревьев, а также их устойчивости к вредителям и болезням. В одной из первых работ на эту тему описывались результаты испытаний гибридного тополя с супрессией генов CAD и COMT, проведенных одновременно во Франции и Великобритании (Pilate et al., 2002). Крафт-процесс трансгенных деревьев был улучшен, что позволило снизить расходы химикатов на делигнификацию. Полученная древесная масса была более качественной, и при этом рост деревьев не изменился. В другой работе для модификации лигнина в гибриде Populus tremula х P. alba использовали супрессию гена CCR, что привело к уменьшению содержания лигнина и снижению соотношения S/G-субъединиц (Leplé et al., 2007). Рост трансгенных деревьев был несколько ослаблен, но их древесина легче делиг-нифицировалась при низком уровне щелочи, что дало 12%-ю экономию химикатов. Такие деревья представляются перспективными с точки зрения снижения себестоимости переработки и воздействия на окружающую среду. Полевые испытания показали, что воздействие на один и тот же ген в разных генотипах может приводить к различным эффектам. Подавление гена 4CL в гибриде Popu-lus tremula х P. alba не оказало влияния на рост (Voelker et al., 2010), а подавление того же гена в P. tomentosa за счет изменения уровня ауксинов способствовало значительному усилению роста (Tian et al., 2013). Ряд работ был направлен на оценку модификации и других компонентов древесины. Японские исследователи показали, что у Populus alba с экспрессией гена ксилоглюканазы из Aspergillus надземная биомасса уменьшилась на 24-44% и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.