Сельскохозяйственные биотехнологии
| Сельскохозяйственные биотехнологии | |
|---|---|
Сельскохозяйственные биотехнологии, agritech, — сельскохозяйственная наука о взаимодействии растений и удобрений в процессе выращивания сельскохозяйственных культур.
К сельскохозяйственным биотехнологиям относится широкий спектр технологий, применяемых в растениеводстве, животноводстве, лесном хозяйстве, рыболовстве и аквакультуре, а также в агропромышленном комплексе[1]. К ним относятся, например, генетическая инженерия, молекулярные маркёры, молекулярная диагностика, вакцины и культуру тканей. Эти методы применяются для модификации живых организмов, таких как растения, животные и микроорганизмы[2].
Сельскохозяйственные биотехнологии активно развиваются. С их помощью желаемые признаки могут быть перенесены с одного вида сельскохозяйственных культур на другой. Полученные трансгенные культуры обладают улучшенными характеристиками: вкусом, цветом, скоростью роста, размером урожая и устойчивостью к болезням и вредителям.
История[править]
На протяжении многих веков и тысячелетий фермеры занимались селекцией, чтобы получить желаемые свойства у растений и животных. В XX веке технологический прорыв привёл к развитию сельскохозяйственных биотехнологий за счёт отбора таких признаков, как повышенная урожайность, устойчивость к вредителям, засухоустойчивость и устойчивость к гербицидам. В 1990 году был произведён первый продукт питания, полученный с помощью биотехнологий. К 2003 году уже 7 миллионов фермеров выращивали культуры, полученные с помощью биотехнологий. Причём более 85 % этих фермеров жили в развивающихся странах[4].
Методы модификации урожая[править]
Традиционное скрещивание[править]
С давних времён люди использовали метод скрещивания, чтобы повысить урожайность и улучшить качество плодов. Этот процесс включает в себя объединение двух совместимых видов для создания нового, обладающего уникальными свойствами. Например, сорт «хани крисп» знаменит своей особой текстурой и вкусом, которые были получены в результате скрещивания других сортов.
Традиционное скрещивание осуществляется путём переноса пыльцы с одного растения на пестик другого[5]. В результате этого процесса появляется гибрид, содержащий генетический материал обоих родительских растений. Селекционеры отбирают растения с желаемыми признаками и продолжают их разведение. Важно отметить, что скрещивание возможно только между представителями одного вида или близкородственных видов.
Мутагенез[править]
В ДНК любого живого организма могут происходить случайные изменения — мутации. Чтобы улучшить свойства сельскохозяйственных культур, учёные прибегают к методу мутагенеза — искусственному созданию мутаций у растений.
Один из способов — использовать радиацию. Учёные облучают растения радиацией, чтобы получить желаемые изменения в их ДНК. Другой способ — использовать мутагенные химические вещества, такие как этилметансульфонат.
В сельском хозяйстве для создания новых сортов растений иногда используют так называемые «атомные сады». Как правило, круглый сад занимает площадь в 100 метров в радиусе, и огорожен стеной восьмиметровой высоты. Растений в пределах сада облучаются гамма-лучами. Например, гамма-облучение позволяет растениям стать более устойчивыми к грибковым инфекциям. Также оно способствует изменению цвета фруктов, делая их более привлекательными для потребителей. В целом, это позволяет вывести новые виды урожая, которые могут стать основой для будущих экспериментов[6]. Так, с помощью мутагенеза с использованием радиации были получен грейпфрут «звёздчатый рубин».
Полиплоидия[править]
Полиплоидия — это процесс, происходящий в клетках растений и животных, когда в силу ряда стрессовых факторов, например, под действием высокой или низкой температуры, ионизирующих излучений или химических веществ, кратно увеличивается число хромосом в одной клетке, однако она при этом не делится на две[7].
Обычно у организмов есть два набора хромосом, которые называются диплоидами. Это приводит к изменению плодовитости и размера растения. Так, например, арбузы без косточек создаются путём скрещивания арбуза, имеющего четыре набора хромосом, с арбузом, у которого всего два набора хромосом. В результате получается арбуз с тремя наборами хромосом, который не имеет косточек.
Полиплоиды часто отличаются повышенным содержанием полезных веществ и устойчивостью к неблагоприятным условиям окружающей среды. Это делает их особенно привлекательными для селекционеров, которые занимаются выведением новых сельскохозяйственных сортов. Однако до сих пор не до конца изучены механизмы, которыми полиплоидия влияет на организмы.
Слияние протопластов[править]
Слияние протопластов — это особый способ скрещивания, который также называют парасексуальной или соматической гибридизацией. В отличие от обычной гибридизации, при которой происходит слияние половых клеток (гамет), в парасексуальной гибридизации в качестве родительских используются диплоидные клетки растений[8]. При слиянии протопластов происходит объединение клеток или их компонентов для обмена генетической информацией между различными видами. Например, признак мужской стерильности может быть передан от редиса к краснокочанной капусте через слияние протопластов. Этот признак позволяет селекционерам создавать гибридные культуры[9].
РНК-интерференция[править]
РНК-интерференция — это процесс, при котором механизм синтеза белка в клетке блокируется с целью подавления активности генов. Этот метод генетической модификации основан на вмешательстве в матричную РНК, что приводит к остановке синтеза белков и, как следствие, к подавлению активности гена.
Трансгенез[править]
Трансгенез — это процесс, при котором в живой организм вводится чужеродный ген, называемый трансгеном. В результате организм приобретает новые свойства, которые могут передаваться его потомству[10].
Трансгенные организмы способны экспрессировать чужеродные гены, так как генетический код един для всех живых существ. Этот процесс позволяет создавать новые сорта растений и животных с желаемыми характеристиками.
Чтобы провести трансгенную модификацию, необходимо сначала подготовить ДНК и поместить её в специальную пробирку. Затем генетический материал внедряется в новый организм. Для этого могут применяться различные методы, включая использование генных пушек и баллистическую трансферацию.
Одним из примеров трансгенных растений является папайя, в геном которой был встроен участок, обеспечивающий устойчивость к вирусу кольцевой пятнистости[11].
Редактирование генома[править]
Редактирование генома — это намеренное внесение конкретных изменений в последовательность ДНК живых клеток или организма. В более широком смысле под этим термином понимают любые направленные манипуляции с геномами живых объектов.
Например, в 2024 году учёные «Сириуса» первыми в мире отредактировали геном чёрного сорта винограда. Исследователи Университета «Сириус» разработали уникальную технологию, позволяющую получать клеточные культуры, устойчивые к патогенам. При этом в них будут сохранены характерные для сорта «мерло» вкус, цвет и аромат. Это позволит выращивать устойчивые к мучнистой росе растения и даст возможность снизить долю применения пестицидов в сельском хозяйстве при борьбе с грибковыми инфекциями, поражающими виноград[12].
Улучшенное содержание питательных веществ[править]
В сельском хозяйстве применяются биотехнологии, которые позволяют повысить питательность различных культур и удовлетворить потребности растущего населения. С помощью генной инженерии можно выращивать культуры с более высоким содержанием витаминов. Например, проект генетической модификации риса посевного «золотой рис» содержит три гена, которые помогают растениям вырабатывать соединения, преобразующиеся в витамин А в организме человека. Этот рис был создан для борьбы с глобальной проблемой — гиповитаминозом А, который приводит к слепоте. Аналогично, проект «Банан 21» был направлен на улучшение питательности бананов для борьбы с дефицитом микроэлементов в Уганде. Генетически модифицированные бананы содержали витамин А и железо. Бананы являются основным продуктом питания и главным источником крахмала в этом регионе, поэтому их модификация позволила улучшить качество жизни местного населения[13].
Так, генетическая модификация сельскохозяйственных растений открывает новые горизонты для снижения их токсичности и создания гипоаллергенных сортов. Это, в свою очередь, может способствовать улучшению здоровья и повышению качества жизни людей.
Гены и черты, представляющие интерес для сельского хозяйства[править]
Агрономические черты[править]
Устойчивость к насекомым[править]
Одним из самых важных качеств, которые ценят в сельскохозяйственных культурах, является устойчивость к насекомым. Это свойство делает культуру более защищёнными от вредителей и позволяет получать более высокий урожай.
Одним из примеров таких культур являются генетически модифицированные растения, которые производят белки, отпугивающие насекомых. Эти белки были обнаружены в Bacillus thuringiensis — это бактерия, которая вырабатывает белки, безопасные для человека, но эффективные против насекомых. Гены, отвечающие за устойчивость к этим насекомым, были внедрены во многие сельскохозяйственные культуры. Широкое распространение получили модифицированные кукуруза и хлопок. Изучается также возможность модификации гороха, подсолнечника, сои, помидора, табака, грецкого ореха, сахарного тростника и риса.
Устойчивость к гербицидам[править]
На протяжении веков фермеры борются с проблемой сорняков, поскольку эти растения конкурируют с сельскохозяйственными культурами за питательные вещества, воду и солнечный свет, что может привести к потере урожая.
Однако современные биотехнологии позволили найти решение этой проблемы — создание культур, устойчивых к гербицидам. Благодаря этому решению фермеры могут эффективно бороться с сорняками, распыляя химические вещества непосредственно на них. Это позволяет уничтожить сорняки и обеспечить благоприятные условия для роста и развития устойчивых культур.
Устойчивость к болезням[править]
Нередко сельскохозяйственные растения подвергаются воздействию заболеваний, которые переносят насекомые, например, тля. Борьба с распространением этих заболеваний представляет собой сложную задачу. Раньше единственным способом было полностью уничтожить заражённые растения. Однако с развитием сельскохозяйственных биотехнологий было найдено решение — генетически модифицированные культуры, устойчивые к болезням. К таким культурам относятся маниок, кукуруза и батат.
Устойчивость к температуре[править]
Сельскохозяйственные биотехнологии также могут стать эффективным решением для растений, которые растут в условиях экстремальных температур. Чтобы повысить урожайность и защитить растения от гибели, можно создать гены, которые будут регулировать их устойчивость к холоду и жаре.
Например, генетически модифицированные растения табака обладают устойчивостью к высоким и низким температурам благодарю внесению в них генов, обнаруженные в папайе[14]. Среди других улучшенных характеристик можно назвать более эффективное использование воды, азота и солеустойчивость.
Качественные характеристики[править]
Качественные характеристики сельскохозяйственных культур включают в себя повышение питательной и диетической ценности продуктов, улучшение их обработки и хранения, а также отсутствие токсинов и аллергенов.
Отношение потребителей[править]
Согласно данным Всероссийского центра изучения общественного мнения (ВЦИОМ), более 80 % россиян негативно относятся к генетически модифицированным организмам (ГМО). Похожие опросы проводились также в США, Франции и Германии, где около 90 % населения разделяют это мнение.
Основной аргумент противников ГМО заключается в том, что любое вмешательство в ДНК противоречит законам природы. Поэтому употребление в пищу продуктов с ГМО может привести к опасным мутациям и, как следствие, к различным заболеваниям.
Однако, как показало исследование британских учёных, сторонники и противники ГМО обладают разным уровнем знаний в области биологии и генетики. Так, противники ГМО, хуже разбираются в базовых биологических понятиях и не имеют чёткого представления о том, что такое вмешательство в геном[15].
Примечания[править]
- ↑ Сельскохозяйственные биотехнологии | Системы исследований и распространения | Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций рус.. www.fao.org. Проверено 12 февраля 2025.
- ↑ What is Agricultural Biotechnology?. Cornell University. Проверено 3 февраля 2015.
- ↑ Сельскохозяйственные биотехнологии рус.. xn--12-kmc.xn--n1acaz.xn--p1ai. Проверено 14 февраля 2025.
- ↑ Agricultural Biotechnology. PBS, ABSP II, US Agency for International Development (2004). Проверено 1 декабря 2016.
- ↑ Infographic: Crop Modification Techniques - Biology Fortified, Inc..
- ↑ Ядерные технологии: загадка Ван Гога и цветение «атомных» садов. Проверено 14 февраля 2025.
- ↑ Российские ученые доказали, что полиплоидия влияет на появление возрастных заболеваний (июль 2022 года).
- ↑ О. Б. Поливанова, А. С. Егорова, А. Б. Сиволапова, С. В. Горюнова Технология протопластов и соматическая гибридизация картофеля - современное состояние и перспективы (обзор) // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. — 2023. — DOI:10.30766/2072-9081.2023.24.1.7-19. – EDN QLNZXP.
- ↑ (1990) «Induction of Male Sterility in Plants by a Chimaeric Ribonuclease Gene.». Nature 437.6295 (6295): 737–41. DOI:10.1038/347737a0. Bibcode: 1990Natur.347..737M.
- ↑ Серов Олег Леонидович Трансгенез как эффективный способ модификации геномов животных // Молекулярная и прикладная генетика.. — 2014.
- ↑ The Gene Gun That Saved Hawaii. American Council on Science and Health (2016-01-21). Проверено 1 декабря 2021.
- ↑ Ученые «Сириуса» первыми в мире отредактировали геном черного сорта винограда рус.. sirius-ft.ru. Проверено 14 февраля 2025.
- ↑ About Banana21. www.banana21.org. Проверено 5 декабря 2016.
- ↑ (2016-10-20) «RAP2.4a Is Transported through the Phloem to Regulate Cold and Heat Tolerance in Papaya Tree (Carica papaya cv. Maradol): Implications for Protection Against Abiotic Stress». PLOS ONE 11 (10): e0165030. DOI:10.1371/journal.pone.0165030. ISSN 1932-6203. PMID 27764197. Bibcode: 2016PLoSO..1165030F.
- ↑ ГМО: что это, в каких продуктах, плюсы и минусы | РБК Тренды. Проверено 14 февраля 2025.
Литература[править]
- Суровцева Е. Ю. Биотехнологии в сельском хозяйстве: проблемы и риски // Россия: тенденции и перспективы развития. — 2015. — № 10—2.
- Йусупова Айболек, Сатлыкова Энеджан, Овезов Гуванч Сельскохозяйственная биотехнология // IN SITU. — 2023. — № 2.
 | Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Сельскохозяйственные биотехнологии», расположенная по адресу:
Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?». |
|---|