Биотехнологии обогащения растений микроэлементами
Привнесение удобрений в почву, способствуя повышению урожая культур, не всегда приводит к увеличению концентрации питательных элементов в съедобных частях растений: семенах, зерне, фруктах. Регулярное удобрение почв лимитировано слабой растворимостью железа или высокой стоимостью его хелатированных продуктов. После удобрения почв цинком увеличивается уровень содержания цинка в вегетативных частях растений, а не в эндосперме. Некорневые и почвенные обработки сульфатом цинка приводили к увеличению концентрации цинка в зерновках. Однако у коричневого риса с увеличением доз цинковых удобрений цинк преимущественно накапливался в стеблях, а не в зерновках. В зерновках этой культуры высокая концентрация цинка появлялась лишь при токсичных концентрациях вносимого удобрениями цинка. Кроме того, накоплению цинка в эндосперме препятствуют внутренние физиологические барьеры. Концентрация цинка в отрубях коричневого риса (120 мг/кг) намного выше таковой в эндосперме (37 мг/кг). Применение железосодержащих удобрений также не вызывало накопления железа в зерновках пшеницы.
Применение цинксодержащих удобрений в почвах с низким содержанием этого микроэлемента может приводить даже к уменьшению его концентрации в зерновках риса вследствие эффекта биологического разбавления, вызванного увеличением под влиянием микроудобрений массы зерновок. Обратная связь между концентрацией цинка в зерновках и их урожаем отмечена также в опытах с пшеницей. Применение азотных удобрений может иметь двойственное влияние на концентрацию микроэлементов в семенах риса; увеличивать концентрацию железа и уменьшать концентрацию цинка.
Общая концентрация микроэлементов во многих неплодородных почвах может быть вполне достаточной для нормального питания культурных растений при условии, если эти микроэлементы будут превращены в доступные для растений формы. Поэтому практический интерес представляют создание и размножение с помощью методов генетики и селекции растений, способных эффективно использовать минеральные ресурсы почвы и удобрений, формировать высокие урожаи и аккумулировать минеральные элементы. Увеличение концентрации питательных веществ в съедобных частях растений с помощью методов генетической селекции в сочетании с агрономическими приемами получило название «биофортификация».
Широкая вариабельность концентраций микроэлементов в тканях растений различных видов и сортов, растущих в идентичных условиях, — основа для выявления эффективных растений (табл. 8.15). В коллекционном материале Международного института риса (IRRI, Филиппины), включающем около 1000 генотипов этой культуры, концентрация цинка в зерновках варьировала в диапазоне от 16 до 58 мг/кг. Большой генетический потенциал, необходимый для повышения концентрации в зерне цинка, выявлен у пшеницы-двузернянки. Весьма существенные вариации обнаружены также в отношении других необходимых для человека и животных микроэлементов.
Внесение Se-удобрений может быть дополнено методами селекции и генетики, направленными на создание и внедрение растений, предрасположенных к аккумуляции в органах значительных количеств селена. Предпосылкой перспективности такого подхода служат существенные различия по концентрациям селена между сортами растений.
Среди лекарственных растений выделены концентраторы селена: донник лекарственный
(Mellitolus officinalis), солодка голая
(Clycyrrhiza glabra), эфедра хвощевая
(Ephedra equiselina), эвкалипт пепельный
(Eucalyptus viminalis), хвощ полевой
(Equselum arvense). Особенно целесообразно применение растений-концентраторов селена (солодки голой, эфедры хвощевой) при смешанных патологиях, например при сочетании сердечной недостаточности с хроническими болезнями легких.
Следует отметить, что зачастую низкие концентрации питательных элементов, включая микроэлементы, обнаруживаются в зерновках высокопродуктивных образцов вследствие эффекта биологического разбавления. Поэтому на начальных этапах селекции целесообразен отбор образцов, характеризующихся способностью концентрировать микроэлементы (Zn) в зерновках не в ущерб биомассе последних.
Современные трансгенные технологии направлены па улучшение мобилизации растениями почвенных форм микроэлементов, повышение скорости корневого поглощения микроэлементов и их последующего транспорта в побеги, аккумуляции микроэлементов в сьедобных частях растений в доступной для человека форме. Главным образом эти технологии сосредоточены на обогащении продукции растениеводства железом и цинком. У растений стратегии I улучшение поглощения железа может достигаться путем сверхэкспрессии генов, кодирующих синтез Fе(III)-редуктаз, у растений стратегии II — кодирующих синтез и выделение фитосидерофоров. Сверхэкспрессия генов AtZIP1, кодирующих синтез Zn2+-транспортера в корнях ячменя, приводила к увеличению концентрации в зерне цинка и железа.
Клонирование генов, кодирующих синтез никотианамиаминотрансферазы, вовлеченной в поглощение железа злаками, может улучшить поглощение растениями не только железа, но и цинка. Трансформация генов сои, кодирующих синтез ферритина, в эндосперм риса вызывала двух-трех-кратное увеличение содержания в зерновках риса железа. У растений
Triticum dicoccoides гены, ответственные за накопление в зерновках цинка, сосредоточены в хромосоме 6В. В этой хромосоме выявлен локус Cpc-B1, вовлеченный в накопление в зерновках как цинка, так и белка. По-видимому, селекция пшеницы должна предусматривать трансформацию локуса Cpc-B1 в элитные сорта этой зерновой культуры.
Обогащенным микроэлементами селекционным семенам свойственны, как правило, высокая всхожесть и жизнеспособность. Из таких семян формируются растения, характеризующиеся повышенной устойчивостью к заболеваниям и продуктивностью. Однако пока не ясно, насколько эффективно смогут проявить себя генетически модифицированные растения в различных почвенно-климатических условиях в долгосрочной перспективе.
Усвоение питательных элементов (He, Zn, Ca) и кишечнике человека может быть лимитировано высоким содержанием в растительной пище следующих соединений: фитиновой кислоты или фи тягов, целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина, кутина, танинов и других полифенолов, щавелевой кислоты и др. Особенно много фитатов содержится в семенах. Выявлена очень высокая вариабельность в концентрациях этих веществ в съедобных частях среди растений различных видов и сортов. Поэтому вполне перспективным может быть отбор растений с низкой концентрацией фитатов и танинов.
К настоящему времени получены мутанты (Ipa) риса, кукурузы, пшеницы, ячменя и сои, характеризующиеся весьма низкой концентрацией фитина в зерновках. Биологическая доступность железа в маисовых лепешках, изготовленных из зерен генетически модифицированной кукурузы с низким содержанием фитина, на 49% выше, чем из зерен дикого вида. Среднее усвоение цинка из кукурузной каши (поленты), приготовленной из мутантных зерен с низкой концентрацией фитина, на 78% выше по сравнению с кашей из зерен кукурузы дикого вида. В качестве перспективного способа рассматривают интродукцию в зерна разлагающих фитаты ферментов (фитаз), устойчивых к повышенной температуре и кислотности. Фитазы с такими характеристиками способны выдерживать высокие температуры при тепловой обработке пищи и разрушать фитаты в кишечнике, способствуя тем самым лучшему усвоению железа и цинка человеком и животными.
Следует отметить, что отбор, направленный на снижение содержания фитина в растительном организме, нужно проводить с осторожностью, так как он играет важную роль в метаболизме растений. Кроме того, присутствие фитатов в пище может быть полезно, так как они обладают антиканцерогенным эффектом, заметно снижают риск возникновения сердечных заболеваний и диабета.
Отрицательное действие фитина на биологическую доступность железа, содержащегося в продуктах питания, может быть уменьшено вследствие употребления пиши, богатой аскорбиновой кислотой и β-каротином. К тому же отрицательное действие фитина на биологическую доступность пищевых форм железа и цинка проявляется не всегда, причины этого не выявлены. Возможно, а кишечнике некоторых людей имеются микроорганизмы с высокой фитазной активностью, что способствует гидролизу фитатов и высвобождению из них микроэлементов. В связи с этим может быть перспективна генетическая модификация растений, направленная на интродукцию в их съедобные части аскорбиновой кислоты, гемоглобина, содержащих цистеин пептидов, т. е. соединений, повышающих доступность железа.
Выявлено большое генетическое разнообразие по концентрации аскорбиновой кислоты в растениях. Однако в семенах злаков это соединение не обнаружено. Необходимо также учитывать, что уровень аскорбиновой кислоты в растениеводческой продукции в ходе ее хранения существенно уменьшается. Масштаб такого уменьшения в бамии
(Hibiscus esculentus) и африканском шпинате
(Amaranthus hybridus) за 4 ч хранения в магазине (Нигерия) составил соответственно 63 и 82%. Очевидно, мероприятия по снижению таких потерь — важное направление увеличения биологической доступности микроэлементов о растениеводческой продукции.
К настоящему времени в генной инженерии разработаны комбинированные подходы, направленные на повышение биодоступности железа в зерновках риса. Во-первых, это интродукция в эндосперм термостабильной фитазы, выделенной из
Asftergillus fumigalus и трансформированной с помощью агробактерий. Во-вторых, интродукция в эндосперм генов феррина, выделенных из
Phaseolus vulgaris. В-третьих, обеспечение сверхэкспрессии в эндосперме риса генов, ответственных за синтез богатых цистеином белков, подобных металлотионеинам.
Вместе с тем существует ряд физиологических барьеров, которые ограничивают возможности технологий генетической модификации, направленных на повышение концентрации микроэлементов (Fe, Zn) в съедобных частях растений. Эти барьеры связаны с функционированием механизмов гомеостаза, препятствующих достижению в растительных тканях токсических для растений уровней микроэлементов. Такого рода механизмы вовлечены в контроль растворимости микроэлементов в ризосфере, скорости поглощения микроэлементов корнями, транспорта микроэлементов в надземные органы.
В целом площади, запятые генетически модифицированными растениями, увеличиваются с каждым годом. Лидер по внедрению генетически модифицированных растений — США. Разработаны социальные и агрономические критерии отбора перспективных генотипов растений, обогащенных микроэлементами. Наиболее важные среди них следующие:
1) одобрение фермеров на использование таких растений;
2) существенное улучшение здоровья людей вследствие повышения уровня микроэлементов в растениях;
3) стабильный эффект обогащения микроэлементами растений в разных климатических условиях;
4) эффективное усвоение микроэлементов, достигающееся в домашних условиях в ходе традиционных способов употребления человеком растениеводческой продукции.
Внедрение в сельское хозяйство трансгенных растений сдерживает отсутствие четких представлений о безопасности для здоровья потребления таких растений. В своей книге В.И. Глазко излагает правила проверки безопасности генетически модифицированных организмов (ГМО), пишет о тревоге общественности, о возможных рисках распространения и потребления таких организме». Он приходит к выводу, что современная практика проверки безопасности позволяет исключить опасность ГМО для здоровья людей и окружающей среды. В целом необходимы обоснованные аргументы в пользу целесообразности использования модифицированной растениеводческой продукции, а также убедительные исследования, подтверждающие или опровергающие мнение о ее безопасности.
