§ 6. Использование в селекции методов генной и геномной инженерии

Определения и обозначения

Генная инженерия — совокупность методов целенаправленного изменения генетического материала организма, в том числе переноса отдельных генов. Иными словами, специалист выбирает ген, связанный с нужным признаком, и вводит его в клетки. Это позволяет использовать наследственный материал, которого может не быть у исходного сорта или породы.

Геномная инженерия — методы направленного изменения генома, то есть всей наследственной информации организма, с воздействием на выбранные участки ДНК. Можно изменить последовательность в определённом месте, а не переносить целый ген. Такой подход нужен, когда требуется точечно скорректировать собственный геном организма.

Трансгенный организм — организм, в геном которого введён генетический материал, полученный от другого организма или созданный искусственно. Введённый материал может включать ген, отвечающий за нужное свойство. Термин помогает отличать такие организмы от тех, у которых ДНК изменили без добавления генетического материала.

Геномное редактирование — целенаправленное изменение определённой последовательности ДНК, например её удаление, замена или исправление. По смыслу это работа с заданным участком генома, а не обязательно добавление нового гена. Понятие важно, чтобы точно описывать, какое изменение внесли и чем оно отличается от переноса генов.

Как это устроено

Селекционерам нужны признаки, которые трудно получить обычным скрещиванием: например, полезное свойство может отсутствовать у близких форм или сочетаться с нежелательными признаками. При скрещивании наследуются целые наборы генов, и подходящее сочетание приходится искать среди потомства. Генная инженерия позволяет выбрать ген, связанный с нужным признаком, и тем самым расширить исходный материал для селекции.

Сначала определяют, какой ген может обеспечить нужное свойство, а затем выделяют его или получают копию. После этого генетический материал с помощью специальных методов вводят в клетки растения или животного. Такой порядок нужен потому, что для переноса необходимо заранее знать, какую наследственную инструкцию хотят добавить и в какие клетки её доставить.

Сам факт переноса ещё не означает, что ген стал частью генома и будет работать. Поэтому после введения материала находят клетки, в которых ген присутствует, и проверяют, проявляется ли его действие. Из подходящих клеток получают организм; проверка нужна, чтобы не продолжать работу с клетками, где изменение не произошло или не даёт ожидаемого результата.

При геномном редактировании заранее выбирают участок собственной ДНК организма и вносят в него заданное изменение. Это может быть удаление последовательности, её замена или исправление. В отличие от переноса гена, такой способ не обязательно добавляет генетический материал другого вида, поэтому важно отдельно указывать, что именно изменяли.

После получения организма оценивают проявление нужного признака, устойчивость и безопасность. Даже направленное изменение не гарантирует, что организм окажется пригоден для селекции: результат зависит от работы генов и особенностей самого организма. Поэтому инженерные методы помогают направить работу, а отбор и проверка позволяют выбрать подходящие формы для дальнейшего использования.

Сравнение подходов к изменению наследственных признаков в селекции

Сравнивайте методы по тому, что именно меняют и откуда берут наследственный материал. Таблица показывает общий подход, но результат в каждом случае нужно проверять отдельно. Особенно важно не путать направленность изменения с гарантией его проявления.

Разбор задач

Задача 1. Определите подходы в трёх описаниях: скрещивание двух сортов с последующим отбором потомства; введение в растение гена, обеспечивающего нужный признак; изменение выбранного участка ДНК растения. Сначала обратите внимание не на сам признак, а на то, каким способом изменяют наследственный материал. Затем сопоставьте способ с определениями методов.

1. При скрещивании объединяют наследственный материал родителей, а затем отбирают потомство с нужным сочетанием признаков. Это традиционная селекция.
2. Введение выбранного гена означает перенос генетического материала в клетки. Это генная инженерия.
3. Изменение заранее выбранного участка ДНК — направленная работа с геномом. Это геномная инженерия, в частности геномное редактирование.

Ответ: скрещивание и отбор — традиционная селекция; введение гена — генная инженерия; изменение участка ДНК — геномная инженерия. В последнем случае чужой ген не обязательно добавляют. Различие определяется способом изменения, а не тем, полезен ли полученный признак.

Задача 2. Растению нужно придать устойчивость к вредителю с помощью гена, найденного у другого вида. Составьте последовательность этапов и укажите, что требуется проверить. Начните с выбора наследственного фактора, который связан с устойчивостью, а затем проследите путь от его переноса до оценки растения. Не пропускайте проверку: введение гена само по себе не подтверждает получение признака.

1. Находят ген, связанный с устойчивостью, и выделяют его или создают копию.
2. Вводят генетический материал в клетки растения и отбирают клетки, в которые он попал.
3. Проверяют наличие и работу гена, затем получают из подходящих клеток целое растение.
4. Оценивают устойчивость растения к вредителю, другие необходимые свойства и безопасность.

Ответ: последовательность включает выбор гена, его перенос, отбор изменённых клеток, получение растения и проверку результата. Растение с введённым генетическим материалом относится к трансгенным организмам. Для селекции используют только те варианты, которые проявляют нужное свойство и прошли оценку.

Задача 3. В геноме растения обнаружен участок, мешающий проявлению полезного признака. Нужно предложить способ изменения и сравнить его с получением трансгенного растения с геном другого вида. Подумайте, добавляется ли новый генетический материал или изменяется уже имеющийся участок. Затем укажите, какие проверки нужны в обоих вариантах.

1. Если требуется изменить мешающий участок собственной ДНК, выбирают геномное редактирование.
2. Если в геном вводят ген другого вида, это перенос генетического материала и получение трансгенного организма.
3. В обоих случаях проверяют, произошло ли запланированное изменение и проявился ли полезный признак.

Ответ: редактирование меняет заданный участок генома и не обязательно добавляет чужой ген. Трансгенный вариант получают введением дополнительного генетического материала. Ни один способ не освобождает от проверки результата и оценки организма.

Типичные ошибки

Смешивать генную и геномную инженерию. Перенос отдельного гена и направленное изменение участка генома — разные способы воздействия, хотя оба связаны с изменением ДНК. Путаница возникает из-за похожих названий и общей цели. Проверьте себя: спросите, добавляют ли ген или меняют заранее выбранную последовательность.

Считать, что введённый ген обязательно проявится. Ген может не встроиться в геном или не работать так, как ожидалось. Ошибка возникает, если перенос воспринимают как уже готовый результат. Для самопроверки разделите два вопроса: обнаружен ли ген и появился ли связанный с ним признак.

Называть трансгенным любой организм с изменённой ДНК. Для этого термина важно введение дополнительного генетического материала, а не любое изменение последовательности. Путаница появляется, когда слово «изменённый» используют без уточнений. Проверьте, добавляли ли материал в геном; если только редактировали участок, этого недостаточно для такого определения.

Полагать, что инженерные методы полностью заменяют селекцию. Даже целенаправленно изменённый организм нужно отбирать и оценивать по полезным свойствам. Ошибка связана с представлением, будто точный метод автоматически гарантирует удачный результат. Проверьте себя: после любого изменения назовите этапы оценки признака, устойчивости и безопасности.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в инженерных методах, нужны знания о строении ДНК и гена, а также понятия генотипа и фенотипа и основы наследования. Эти представления помогают связать изменение генетического материала с наблюдаемым признаком. Тема продолжает изучение селекции растений, животных и микроорганизмов, где организмы с полезными свойствами используют для человека.

Понимание генома и способов изменения ДНК пригодится при изучении биотехнологии и молекулярной биологии. Оно также помогает обсуждать безопасность генетически изменённых организмов, не смешивая разные способы получения изменений. При оценке важно учитывать и сам метод, и свойства полученного организма.

Что запомнить

• Генная инженерия позволяет целенаправленно переносить выбранные гены.
• Геномная инженерия направленно изменяет участки генома.
• Трансгенный организм содержит введённый генетический материал.
• Геномное редактирование не обязательно связано с переносом гена другого вида.
• После изменения ДНК проверяют, произошло ли оно и проявился ли нужный признак.
• Инженерные методы дополняют селекцию, но не отменяют отбор и оценку организмов.