Автор: Павел Калиниченко. В современном обществе у процесса генетической модификации появились различные ассоциации с мутантами, зомби, опытами, необратимыми последствиями. Но неужели все так плохо и прогресс генной инженерии не несёт практической пользы? В блоге ЛАНИТ-Интеграции на Хабре уже есть две мои статьи про повышение урожайности картофеля с помощью цифровых технологий и про промышленное выращивание овощей.

В этой статье я подробнее остановлюсь на многогранной теме ГМО и, в частности, использовании CRISPR-технологии в генной инженерии и ее перспективах.

Можно очень долго описывать взаимоотношения людей с природой и, в частности, «приручение» диких растений для служения роду человеческому, а потом перейти к научному описанию этого процесса, именуемого селекцией.

Но я хочу начать с цитирования одного из величайших умов отечественной и мировой селекции/генетики Николая Ивановича Вавилова: «Селекция как наука оформилась лишь в последние десятилетия. В прошлом она была больше искусством, чем наукой. Навыки, знания и конкретный опыт, нередко засекреченный, были достоянием отдельных хозяйств, переходя от поколения к поколению. Только гению Дарвина удалось обобщить весь этот огромный и разрозненный опыт прошлого, выдвинув идею естественного и искусственного отбора как основного фактора эволюции наряду с наследственностью и изменчивостью».

Что такое селекция и какие методы до сих пор применяются

Селекция растений нужна для выявления образцов с наилучшими признаками по устойчивости своего вида к тем или иным болезням, вредителям, к неблагоприятным погодным условиям, а также образцов, которые дают больше урожая лучшего качества. Общая идея простая и конкретизированная, а вот методы, к которым прибегают ученые в достижении данных целей, с каждым разом становятся все сложнее, но интереснее.

Ключевые методы селекции растений:

1. массовый отбор,
2. индивидуальный отбор,
3. инбридинг,
4. полиплоидия,
5. гибридизация внутривидовая и отдалённая,
6. искусственный мутагенез.

А теперь рассмотрим каждый способ отдельно. Где-то буду краток, а о некоторых, наиболее распространенных и интересных – расскажу подробнее.

Массовый отбор.

Здесь буду краток. Это самый первый вид селекции. Он стартовал с переходом человека к оседлому образу жизни. Основной принцип: бери растения, которые нравятся по любому внешнему признаку (фенотипу), например, по размеру листа, плода, семени, высоте растения, его ветвистости и т.д., и высаживай их отдельно. С пониманием физиологии и генетики растений добавилось несколько правил к данной методике, касающихся, в частности, самоопыляемых и перекрестно опыляемых растений.

Индивидуальный отбор.

Это следующая ступень развития селекции, на которой мы перестаем опираться только на фенотипические признаки растений, и включаем ещё отбор по генотипу. Однако такой метод требует значительно больше усилий. Дело в том, что каждое растение отбирается отдельно, и его потомство выращивается также отдельно. Метод хорошо подходит для растений самоопылителей, к которым относятся такие культуры, как горох, пшеница, ячмень, фасоль и др. На растениях с перекрестным опылением, когда они переопыляются между собой, и возникает расщепление признаков, необходимо вводить непрерывный многократный отбор (и не одного растения, а всей семьи, то есть потомства одного растения).

Инбридинг (инцухт-гетерозисные скрещивания)

Это близкородственное скрещивание, но в случае с растениями имеет место быть самоопыление перекрестноопыляемых растений. Методика всё ещё относится к первоначальному принципу селекции, а именно к отбору. В этом случае, как и в последующих, создание образцов будет происходить в принудительном порядке, искусственно увеличивая разнообразие форм. Близкородственное скрещивание применяется для перевода большинства генов сорта в гомозиготное состояние и, как следствие, закрепляет новые хозяйственно полезные и ценные признаки у потомства.

Гибридизация внутривидовая и отдалённая

Просто гибридизация — это процесс получения гибрида (от лат. hibrida, hybrida — помесь). Очевидность предыдущего предложения и некоторых последующих зашкаливает, но тут ничего не поделать. Начнем и практически сразу закончим с понятием “внутривидовой гибридизации”. Здесь все так же очевидно, как и в начале раздела. Скрещивание происходит между растениями одного вида, разновидности, линий или сорта. С помощью этого вида селекции создано большинство современных сортов сельскохозяйственных культур. А вот отдалённая гибридизация – это более сложный и трудозатратный процесс. Одна из основных сложностей при получении отдаленных гибридов – несовместимость половых клеток, да-да, у растений тоже присутствуют половые клетки, а также стерильность гибридов первого поколения и последующих. Преодолеть эту проблему в ряде случаев позволяет полиплоидия или беккросс. Всё-таки придётся углубиться и пояснить ещё пару понятий. Беккросс или возвратное сращивание – это когда потомство от двух видов скрещивают с одной или обеими родительскими формами или аналогичной по генотипу, здесь вроде всё просто. Полиплоидия – кратное увеличение числа хромосом, например, х2, х4 и так далее. Один из самых распространенных методов получения полиплоидов – это обработка зародышей, проростков колхицином (алкалоид растительного происхождения).

Искусственный мутагенез

В широком смысле мутации в селекции растений делятся на два типа: естественные и искусственные. Естественный мутагенез происходит без участия человека, под воздействием на организм естественных факторов окружающей среды, например, ультрафиолета, радиации и др. В отличии от естественного хода эволюции, при котором закрепляются только полезные свойства, при мутации происходят изменения, которые могут никак не влиять на выживаемость вида. При искусственном мутагенезе происходит, в принципе, то же самое, что и при естественном, только под строгим наблюдением людей в белых халатах! А ещё добавится работенка по проверке полученных мутантов и отбору наилучших.

Источник: https://www.serietotaal.nl/…-x-men-serie

Теперь немного раскроем тему искусственного мутагенеза. Сначала поговорим о том, что вызовет мутацию и поделим мутагенез на три основные категории:

1. физический (радиационный),
2. химический,
3. биологический.

Радиационный мутагенез происходит под воздействием ионизирующего излучения: коротковолнового, ультрафиолетового (УФ), рентгеновских лучей, гамма-лучей, тепловых и быстрых нейтронов и СВЧ-излучения. Далее всё как в лучших новостных блоках… свободные радикалы… бла-бла-бла… на клеточном уровне… «все плохо, а особенно 5G!!!».

Теперь кратко о химических мутагенах. Тут пропустим подробности воздействия на клетки. Просто запомните, к таким мутагенам относятся альдегиды, нитриты, гидроксиламин, азотистые соединения, алкилирующие соединения (этиленимин, нитрозоэтилмочевина, этилметансульфонат и др.). Эти химические вещества вступают в реакцию с нуклеиновыми основаниями (это то, что в ДНК, и нарушают принцип комплементарности, известный всем из школьного курса биологии).

Биологические мутации, как говорится, на злобу дня. Данный вид мутаций может происходить под воздействием вирусов, чистых ДНК, антивирусных вакцин. Механизм действия биологических факторов не вполне ясен. Они вызывают нарушение процесса рекомбинации. Но! Все испытания проводятся на отдельных клетках, одноклеточных организмах, растениях, простейших формах. Для влияния на большой и сложный организм, вроде человека, где и без этого в отдельных клетках периодически происходят мутации, этого недостаточно.

CRISPR

19 ноября 2018 года накануне второго Международного саммита по редактированию генома человека в университете Гонконга Хэ Цзянькуй объявил о проекте по созданию первых в мире людей с искусственно измененными генами – двух девочек-близнецов Лулу и Нана (настоящие имена неизвестны). После этого события во всем мире начали бурно обсуждать CRISPR-технологию.