Трансгенным (или генетически модифицированным) называется растение, в геном которого методами генетической инженерии перенесены гены (их называют „трансгенами“) из других организмов. Процесс переноса называется генетической трансформацией. Основными преимуществами такой технологии по сравнению с традиционной селекцией являются: возможность переноса всего одного гена, что практически не затрагивает исходный генотип; возможность придания признаков, которые нельзя перенести путём скрещивания с близкородственными видами; значительное ускорение процесса получения новых генотипов
Наиболее широко используемый метод трансформации — агробактериальный был разработан на основе природного процесса. Почвенная бактерия Agrobacterium tumefaciens способна инфицировать двудольные растения, вызывая опухоли — корончатые галлы. Как выяснилось, при этом происходят перенос и встраивание в растительный геном двух групп генов: продукты одних вмешиваются в нормальный метаболизм растения и способствуют разрастанию опухоли, а продукты других синтезируют опины, вещества, ненужные растению, но используемые в пищу бактериями. Учёные модифицировали агробактерии таким образом, что они вместо собственных переносят в растения гены, нужные человеку.
Схема агробактериальной трансформации.
Впоследствии был разработан ряд других методов трансформации растительных клеток, из которых наибольшее распространение приобрел биобаллистический. Он используется чаще всего для генетической модификации однодольных растений, нечувствительных к агробактериям. В специальных установках микрочастицы золота или вольфрама с нанесённой на них ДНК ускоряют при помощи сжатого гелия, и они проникают в ДНК клеток мишени.
Признаки, которые возможно придать с помощью генной инженерии, весьма разнообразны и в основном ограничены только наличием соответствующих генов. Очень условно их можно разделить на три группы. К первой относятся признаки, интересные производителям: устойчивость к различным факторам окружающей среды — гербицидам, болезням, вредителям, засухе, засолению, улучшение минерального питания, повышение укореняемости. Вторая группа признаков представляет интерес непосредственно для потребителей — модификация вкуса и аромата плодов, увеличение продолжительности их хранения, изменение окраски цветков, бессемянность, улучшение питательной ценности растений. В третью группу входят растения–„биофабрики“, способные синтезировать вакцины, ферменты, биополимеры и другие полезные вещества.
ДНК бактерий существуют не только в виде хромосом, но и в виде маленьких кольцевых молекул (плазмид). Бактерии Agrobacterium tumefaciens помимо прочих содержат плазмиды, вызывающие опухоли (Ti-плазмиды). На такой плазмиде среди прочих генов имеется так называемая область Т-ДНК, содержащая гены, отвечающие за образование опухоли на растениях и синтез опинов. Именно этот кусочек плазмиды агробактерии встраивают в ДНК растений. Выяснилось, что агробактерии в принципе способны переносить в растения любую ДНК, которая расположена в этом месте плазмиды. Поэтому в плазмидах, используемых в генно-инженерных целях, природные гены заменяют любыми другими, представляющими интерес для человека. Как правило, это два-три гена: целевой, который придаёт, например, устойчивость к насекомым; селективный, который придаёт устойчивость к определённым веществам (чаще всего — антибиотикам), что позволяет трансформированной клетке расти в питательной среде с антибиотиками, в то время как нетрансформированные клетки в ней гибнут; и иногда — репортёрный ген, который позволяет качественно определить трансформированную клетку, например, по окрашиванию или свечению в ультрафиолетовом свете.
В суспензию агробактерий, содержащих плазмиды с нужными генами, добавляют органы или ткани растений (экспланты), из которых проще всего регенерировать целые растения (чаще всего используются листья). Этот этап называется кокультивацией. Во время кокультивации агробактерии с помощью vir-белков переносят участок Ti-плазмиды и встраивают его в растительную ДНК.
Затем растительную ткань помещают на питательную среду, содержащую антибиотики. В этой среде выживают только те клетки, в которые агробактерии перенесли ген, придающий устойчивость к антибиотикам, то есть трансформированные. Условия и состав среды подобраны таким образом, что трансформированные клетки активно размножаются, образуя неорганизованную массу делящихся клеток (каллус), из которой регенерируют трансгенные растения. Полученные растения размножают и подвергают различным анализам сначала в пробирке, а потом — на полях и в теплицах.
Создание одного нового сорта ГМР стоит от 50 до 300 млн долларов и занимает от 6 до 12 лет.
В России наиболее интенсивные исследования в области генетической инженерии растений, результаты которых публикуются в научных журналах и представляются на конференциях и симпозиумах, проводят три научных учреждения: филиал Института биоорганической химии (ФИБХ) РАН (г. Пущино Московской области), Центр „Биоинженерия“ РАН (Москва) и ВНИИ сельскохозяйственной биотехнологии (ВНИИСХБ) РАСХН (Москва). К настоящему времени в ФИБХе получены трансгенные растения плодовых (яблоня, груша, вишня), ягодных (земляника, актинидия), декоративных (хризантема, гвоздика), овощных (морковь) и злаковых (пшеница) культур.
Примеры встраиваемых генов: ген белка морозоустойчивости из арктической камбалы использовался для повышения устойчивости растений к заморозкам; бактериальный ген Bt-токсина — к вредителям; растительный ген суперсладкого белка thaumatinII — к вредным микроорганизмам, а также для модификации вкуса. При помощи гена бактериального происхождения rolC растения приобретают карликовость, а встраивание гена халконсинтазы из львиного зева меняет окраску других цветов. Для придания растениям устойчивости к гербицидам на основе фосфинотрицина используется ген bar, который отвечает за синтез фермента, расщепляющего гербицид до нетоксичных компонентов.
Центр „Биоинженерия“ специализируется на получении трансгенного картофеля, устойчивого к колорадскому жуку, вирусам и гербицидам, и подсолнечника, а во ВНИИСХБе получены трансгенные сорта томата и рапса, устойчивые к фитопатогенам и гербицидам. Помимо этих учреждений соответствующие работы ведутся и в ряде других, но там они, как правило, ограничены либо модельными объектами (табак), либо переносом одного-двух генов. Разработки ФИБХа и „Биоинженерии“ проходят полевые испытания уже не первый год.