Биотехнологии и биобезопасность в агропромышленном производстве

В. С. Шевелуха, лауреат государственной премии в области науки и техники РФ, заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации и Республики Беларусь, зав. кафедрой и отделом сельскохозяйственной биотехнологии МСХА, академик РАСХН и АН Республики Беларусь.

Доклад посвящен краткому изложению положений Инновационного проекта по биотехнологии в агропромышленном производстве на 2004 - 2007 г., который предложен на рассмотрение Правительства РФ специалистами РАСХН, РАН и ряда ведущих вузов России. В проекте отражены назревшие экономические и технологические проблемы сельского хозяйства страны и реальные научные возможности для их решения средствами биотехнологии и биоинженерии.

Ключевые слова: сельскохозяйственная промышленность, биотехнология, инновационный проект, трансгенные организмы, оценка безопасности.

Biotechnology in Agricultural Industry: Impact and Safety Issues

V. Shevelukha, Head of Agricultural Biotechnology Department (Moscow Academy of Agriculture), Academician (Russian Academy of Agricultural Sciences and Academy of Sciences of Belarus), etc.

The report is devoted to brief description of principles of Innovative Project on Biotechnology in Agricultural Industry (2004-2007). The project was submitted to the Government of Russian Federation by experts from Russian Academy of Sciences, Russian Academy of Agricultural Sciences and a number of key Universities. The project reflects the burning economic and technological problems of Russian agricultural complex and the actual scientific potential to solve them by means of biotechnology and bioengineering.

Keywords: agricultural industry, biotechnology, innovative project, transgenic organisms, risk assessment.

По своему содержанию, целям и задачам биотехнология становится важнейшей составной частью экономики мира, в том числе и агропромышленного производства. Сельское хозяйство - это крупнейший биотехнологический цех с многолетней историей. В его основе лежит использование биологических объектов - растений, животных и микроорганизмов, биологических процессов, эффективное управление которыми и составляет суть биотехнологии в традиционном и современном смысле.

По уровню ведения и путям развития этой жизненно важной продовольственной отрасли государства мира можно разделить на пять основных групп, присвоив им названия по имени базовых государств в этих группах.

Первый путь развития сельского хозяйства - американский, фермерский, с высоким уровнем интенсивного производства и перепроизводства продовольствия и почти нулевыми темпами прироста, высокоэффективной системой государственной поддержки сельскохозяйственных производителей.

Второй путь развития сельского хозяйства - китайский, точнее, крестьянский с китайской спецификой, с самыми рекордными в мире темпами роста сельскохозяйственного производства (10-14% годовых) и его объемами, обеспечивающими среднемировой уровень потребления продуктов питания, большой перспективой дальнейшего наращивания продовольственных ресурсов и доведения их потребления в стране до высших мировых показателей.

Третий путь ведения сельского хозяйства - западноевропейский, интегративный, сочетающий фермеризацию отрасли в каждой стране с правовым и экономическим регулированием производства межгосударственными структурами, входящими в интегрированное объединение ЕС, успешно решающую две важнейших задачи: выравнивание уровней и обеспечение среднеоптимальных темпов роста экономических и физических показателей развития сельскохозяйственного производства и взаимодействие на основе законов рынка в рамках экономического союза..

Четвертый путь развития сельского хозяйства - слаборазвитые страны Юго-Восточной Азии, Африки и Латинской Америки. Их путь можно назвать полуколониальным, с экстенсивным примитивным производством, крайне слабой государственной поддержкой, а в большинстве случаев без нее, с большой зависимостью от импорта продовольственных товаров. Сложившиеся экономические и политические условия их взаимодействия с развитыми странами являются постоянным источником противоречий и причиной отставания в развитии их аграрного сектора экономики.

Пятый "путь" развития сельского хозяйства можно назвать демократическим, проамериканским, навязанным России в период распада СССР и продолжающимся по настоящее время. В результате так называемых аграрных реформ в России произошла ликвидация государственных и кооперативных сельскохозяйственных предприятий, разрушено производство, приватизирована коллективная собственность и, прежде всего, главное средство производства - земля, уничтожено более половины поголовья скота, в два с лишним раза сокращено валовое производство продовольствия, свыше 60% хозяйств доведено до финансового банкротства, страна потеряла продовольственную безопасность. Фермеризация сельского хозяйства России не состоялась. Теперь необходимо принимать меры по спасению отрасли. Концепция и программа такого восстановления разработана Российской академией сельскохозяйственных наук. Она основана на научных исследованиях и опыте лучших и эффективно работающих предприятий регионов и субъектов федерации.

Большое место в восстановлении сельского хозяйства России должно быть отведено его биологизации и, прежде всего, разработке и освоению биотехнологий, направленных на восстановление и дальнейшее повышение плодородия почв, созданию нового поколения генетически устойчивых к неблагоприятным факторам среды растений и животных и их широкому использованию в сложных природных и экономических условиях производства.

Первая национальная программа по биотехнологии в нашей стране была разработана и утверждена в 1986 году. Большой удельный вес в ней занимал раздел "Биотехнология в агропромышленном производстве". Большое внимание было уделено в ней разработке и освоению новейших биотехнологий в растениеводстве, животноводстве, ветеринарной медицине, хранении, транспортировке и переработке сельскохозяйственной продукции, получению и использованию биологически активных веществ, кормовых добавок и др.

За короткий срок, всего за 5 лет, в селекционных центрах страны были созданы биотехнологические лаборатории и группы исследователей по клеточной и тканевой инженерии. В них были созданы многие формы и линии сельскохозяйственных растений с повышенной устойчивостью к наиболее опасным грибным, бактериальным и вирусным патогенам, а также к абиотическим стрессам. На их основе были получены новые селекционные сорта и гибриды пшеницы, ячменя, картофеля, риса, люцерны, льна и других культур. В животноводстве и ветеринарной медицине главное внимание было уделено методам трансплантации эмбрионов и зигот для получения высокопродуктивных животных и созданию генноинженерных вакцин для профилактики и лечения сельскохозяйственных животных. Развивались исследования в области иммунитета растений и животных и создания генноинженерных препаратов для борьбы с вредителями и болезнями на посевах и фермах.

С разрушением СССР национальная программа по биотехнологии в АПК практически прекратила свое существование. Финансирование этих работ было сведено до минимума. Выживание научных учреждений и лабораторий по сельскому хозяйству происходило за счет ликвидации фундаментальных исследований, в том числе в области биотехнологии и биоинженерии. По клеточной инженерии, требующей меньших финансовых затрат по сравнению с генноинженерными исследованиями, работы в определенных объемах продолжались, а по генетической трансформации растений и животных они, по существу, не развивались.

Такие работы были сохранены, а затем и развиты за счет средств госбюджета в институтах РАН, что позволило и в этот трудный для науки период сохранить и даже развить научный потенциал по биоинженерии, в том числе кадры генных инженеров в Центре "Биоинженерия" РАН, институтах молекулярной биологии, молекулярной генетики, НИИ биогена, институте биоорганической химии, промышленных микроорганизмов, общей генетики и некоторых других.

В прошедшее десятилетие отставание России в развитии биотехнологии, и особенно биоинженерии, от передовых стран мира значительно возросло по многим направлениям. Особенно опасным для развития биотехнологии и биоинженерии в России в условиях значительного их отставания является возникновение мощной волны протестного движения в Западной Европе и в России, направленного против научных исследований, применения трансгенных технологий и использования генетически модифицированных организмов в производстве и получения из них пищевых и кормовых продуктов. Наибольшие усилия в этом направлении прикладывают журналисты и движение "Гринпис". Факты, которые они используют для отвержения работ по биоинженерии, ничего общего с наукой не имеют, а берутся из досужих выводов и сообщений невежественных в науке людей. С другой стороны, мощный протест против биотехнологии и биоинженерии является следствием продолжающейся келейности, закрытости проводимых учеными в этой области науки исследований, крайне плохо поставленной информационной и просветительской работы. Большой "вклад" в усиление протестного движения вносят конкурирующие фирмы и корпорации, сильно заинтересованные в сохранении объемов производства пестицидов и других химических средств борьбы с вредителями и болезнями в сельскохозяйственном производстве.

Генноинженерные технологии и трансгенные организмы действительно могут быть объектами генетического риска, но этот риск устраняется соблюдением законов и научного мониторинга за осуществлением трансгеноза, методов и правил, тестирования ГМО в лабораторных и полевых условиях, во время их регистрации и в пострегистрационный период. С учетом этого обстоятельства волна протестного движения против трансгенных технологий и использования ГМО имеет тенденцию к снижению в России и других странах мира.

Крупнейшие аграрные проблемы России, вызванные ошибочным выбором путей реформирования АПК, конечно же, должны прежде всего решаться за счет изменения курса и содержания реформ. В этом мы твердо убеждены, как и многие другие ученые и практики аграрной сферы экономики. Но многие конкретные задачи по повышению эффективности и устойчивости развития АПК могут быть решены за счет биологизации сельского хозяйства, использования методов биотехнологии и биоинженерии.

В этих целях нами совместно с учеными ведущих вузов, НИИ РАСХН и РАН разработан Инновационный проект по биотехнологии в агропромышленном производстве на 2004-2007гг. Этот проект предлагается как межведомственный, финансируемый Минпромнауки РФ и Минсельхозом РФ. Он отражает назревшие экономические и технологические проблемы сельского хозяйства и реальные научные возможности биотехнологии и биоинженерии.

Центральное место в предлагаемом Правительству Российской Федерации Инновационном проекте отводится созданию комплексно устойчивых трансгенных линий, сортов и гибридов сельскохозяйственных растений, линий животных и птицы, штаммов микроорганизмов. Решение этой задачи генноинженерными методами может существенно изменить в лучшую сторону экономическую и экологическую ситуацию в агропромышленном производстве и в стране в целом. Эпифитотии опасных болезней и массовое распространение вредителей почти ежегодно накрывают большие регионы страны и уничтожают свыше 30% валовой продукции растениеводства и животноводства. Одними традиционными методами селекции и племенного дела невозможно добиться коренного перелома в потере такого объема продовольствия от вредных организмов и абиотических стрессовых факторов окружающей среды. Расширение химического метода борьбы может привести к увеличению пестицидной нагрузки на человека и окружающую среду до опасной черты и катастрофических последствий.

В качестве основных объектов в генноинженерной части Инновационного проекта нами взяты экономически наиболее важные для страны культуры: пшеница, ячмень, сахарная свекла, подсолнечник, картофель, кукуруза, основные овощные культуры (томат, огурец, капуста), лекарственные растения.

Главным препятствием в решении этой стратегической задачи является отсутствие национального банка эффективных генов, детерминирующих высокую комплексную устойчивость растений к эпифитотийным патогенам и важнейшим абиотическим стрессам - засухе, переувлажнению, низким и высоким температурам, избыточным засолению и кислотности почв. Такой банк генов в России необходимо создать. Международный обмен эффективными генами, как правило, ведет к потере патентоспособности созданных ГМО.

Вторым узким местом в генноинженерных исследованиях является недостаток, а чаще отсутствие новейших приборов и оборудования. Поэтому в Инновационном проекте предусмотрено создание научных центров коллективного пользования такими приборами и оборудованием, прежде всего по растениеводству - в Тимирязевском биотехнологическом центре и по животноводству - в Животноводческом биотехнологическом центре (ВИЖ п. Дубровицы Московской области).

Основную нагрузку в развитии теории и практики трансгеноза организмов выполняют и будут выполнять Центр биоинженерии РАН (директор - академик РАСХН К.Г.Скрябин), Московская сельскохозяйственная академия им. К.А. Тимирязева - Тимирязевский биотехцентр (академик РАСХН В.С.Шевелуха), лаборатория генной инженерии растений Пущинского филиала ИБОХ (профессор Я.И.Бурьянов), ВИЖ (вице-президент, академик РАСХН Л.К.Эрнст), Институт общей генетики РАН (директор - академик Ю.П.Алтухов), Институт цитологии и генетики СО РАН (академик В.К.Шумный), ВИР (академик РАСХН В.А.Драгавцев), ВНИИСХБ (директор - профессор П.Н.Харченко), ВНИИ фитопатологии РАСХН (профессор С.С.Санин), ВНИИ биологических методов защиты растений (директор - профессор В.Д.Надыкта), Кубанский ГАУ (ректор - академик РАСХН И.Т.Трубилин), НИИСХ Юго-Востока (директор - профессор Н.С.Васильчук), ВНИИСХМ (директор - академик РАСХН И.А.Тихонович), ВНИИМК (директор - д.с.-х.н. В.М. Лукомец), ВИП (директор - д.с.-х.н. Н.П. Таволжанский). Будут выполняться совместные исследования с учеными фирмы "Монсанто" (США), Биотехнологическим центром Пекинской сельскохозяйственной академии (Президент ПАН Ли Юньфу), Уханьским аграрным университетом (профессор Чен), Вангинским сельскохозяйственным центром.

В целях создания эффективных трансгенных технологий нам необходимо сделать новый крупный шаг в развитии теории иммунитета растений и животных, быстрее переходить от общих представлений о сопряженной эволюции организма-хозяина и паразита, от морфофизиологических и биохимических представлений об иммунитете и расовом составе патогенов к идентификации конкретных генов устойчивости и их использованию в трансгенетике. Без точного определения структуры генома, выявления типа и механизмов генетической детерминации устойчивости (моногенной или полигенной ее природы) проблема генетической надежности сортовых ресурсов растений и породных линий скота не может быть успешно решена.

Без успешного решения указанной задачи на огромных территориях России по-прежнему будут возникать эпифитотии, нанося огромный урон сельскому хозяйству и продовольственному цеху страны. Фузариоз и септориоз зерновых, фитофтороз картофеля и томата, фомопсис и склеротиния подсолнечника, переноспороз луковичных, бактериозы капустных растений, ржавчины антракнозы и самое опасное для сельского хозяйства явление - засуха все в больших масштабах будут наносить урон сельскохозяйственному производству.

Поэтому трансгенные растения в мире уже сегодня занимают площади около 60 млн гектаров пашни, главным образом в США, Аргентине. Канаде, Индии и Китае. Эти площади заняты пятью видами трансгенных сельскохозяйственных растений: соей, кукурузой, сахарной свеклой, картофелем, рапсом и томатом. 3/4 таких посевов составляют гербицидоустойчивые трансгенные растения и 25% - Bt-трансгены, устойчивые к насекомым. В России пока нет ни одного гектара посевов трансгенных растений, однако именно в Россию перемещается центр противостояния работам по биотехнологии и биоинженерии.

Создание трансгенных растений в ближайшее время будет осуществляться в основном двумя путями: 1) путем ускоренной идентификации природных генов устойчивости в растениях-донорах; 2) синтезом искусственных генов на основе секвенирования токсинов белковой и иной природы и использования системы вырожденных кодов нуклеотидной последовательности в генах.

Мы считаем, что трансгенные технологии не заменяют традиционные технологии селекции растений, животных и микроорганизмов, а лишь дополняют их, позволяя сократить срок создания новых форм организмов с повышенной и высокой устойчивостью в 2-3 раза, ограничить или полностью исключить отрицательные последствия отдаленной гибридизации за счет сцепления эффективных генов с генами отрицательных признаков и таким образом добиться высокой экспрессии эффективных генов.

В этой связи очень важно иметь ввиду еще два обстоятельства:

1 - возрастание роли ВИРа как центра мировых растительных ресурсов и необходимость расширения работ в нем по идентификации доноров устойчивости, необходимость создания в ВИРе мировой коллекции трансгенных культурных растений, ведения их каталога и организации эффективного использования этих образцов в селекционных центрах страны;

2 - при идентификации и создании банков генов устойчивости растений, животных и микроорганизмов необходимо иметь в виду, что при поиске таких генов не следует замыкаться рамками гомологических рядов, что они могут находиться в геномах, эволюционно отдаленных во времени, пространстве и эволюционном ряду родов, видов, подвидов, биотипов и форм организмов. Из петунии, например, получен ген устойчивости пшеницы к фузариозу колоса, из арабидопсиса - ген устойчивости картофеля к фитофторе, из Bacillus thuringiensis - ген устойчивости его к колорадскому жуку, кукурузы к корневому жуку, из медузы - ген устойчивости растений к пониженным температурам.

Вполне возможно, что при использовании эволюционно отдаленных и особенно синтетических генов возрастет опасность отрицательных генетических последствий. Поэтому в Инновационном проекте и других исследованиях подобного рода необходимо предусмотреть разработку дополнительных методов многоуровневых исследований и контроля по своевременному выявлению возможных отрицательных последствий трансгеноза и исключению ГМО из их дальнейшего продвижения и использования.

Большая роль в Инновационном проекте отводится клеточной инженерии растений и ее двум коренным проблемам - тотипотентности и регенерационного потенциала клетки. Исследования нашей кафедры и отдела, проводимые в настоящее время с подсолнечником и пшеницей, показали, что у так называемых "трудных" для биоинженерных работ культур, какими являются роды Triticum и Helianthus, сильно выражена зависимость указанных выше