XVIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2026

Введение. Пыльная головня (Ustilago tritici) наносит значительный экономический ущерб, поскольку споры гриба поражают колосья, уничтожая зерно и снижая его качество. В связи с этим разработка генетически модифицированных сортов пшеницы, устойчивых к пыльной головне, становится одной из приоритетных задач современной селекции. Современные генетические методы, такие как редактирование генома, позволяют решать эту задачу [1, 2, 3].

Цель обзора – обобщить данные по созданию генетически модифицированных сортов пшеницы, устойчивых к пыльной головне, и оценить перспективы их применения для устойчивого сельского хозяйства.

Генетические основы устойчивости пшеницы к пыльной головне. Пыльная головня пшеницы – опасное грибковое заболевание, вызываемое Ustilago tritici, которое поражает колос, приводя к прямым потерям урожая и снижению его качества [4, 5]. Успешность заражения определяется взаимодействием между эффекторными белками гриба и продуктами генов устойчивости растения. При отсутствии соответствующего R-гена происходит развитие болезни [6, 7].

Природная (наследственная) устойчивость пшеницы к пыльной головне контролируется преимущественно генетическими факторами и подразделяется на два основных типа:

• Полевая (горизонтальная) устойчивость имеет полигенный характер (QTL) и обеспечивает долговременную неспецифичную защиту через усиление общих барьерных и биохимических свойств растения [5, 7, 8].

• Специфическая устойчивость определяется работой мажорных R-генов, которые кодируют белки, распознающие эффекторы конкретных патогенов и запускают защитный ответ [7]. Этот тип устойчивости может преодолеваться при появлении новых мутаций гриба, что требует постоянной селекции на новые R-гены [4, 5].

Создание устойчивых к пыльной головне сортов основано на комбинировании в одном генотипе как эффективных мажорных R-генов, так и QTL, обеспечивающих полевую устойчивость [4, 5, 7].

Современные методы генетической модификации пшеницы. Система CRISPR/Cas9 представляет собой инструмент для точного редактирования генома, позволяющий вносить направленные изменения в специфические последовательности ДНК. Технология CRISPR/Cas9 применяется для нокаута генов восприимчивости (S-генов) и усиления экспрессии генов устойчивости [1, 2, 3].

Технология CRISPR/Cas9 обладает высокой точностью и специфичностью, позволяя проводить направленное изменение конкретного гена без случайных вставок в геном [1, 2], после редактирования, компоненты системы могут быть удалены скрещиванием, и полученное растение может быть признано не содержащим трансгенов в некоторых юрисдикциях [2, 3]. Кроме того, она позволяет редактировать собственные гены растения, усиливая природные механизмы устойчивости [3]. К её недостаткам относится возможность разрезания в нецелевых участках генома, сходных по последовательности [1, 2], а также ограничения для эффективного встраивания крупных фрагментов ДНК с помощью HDR для многих культур [1].

Классический трансгенез предполагает введение в геном растения-реципиента чужеродного генетического материала (трансгена) из неродственного организма с целью селекции нового признака. Для устойчивости к пыльной головне переносят гены, кодирующие белки с антифунгальной активностью, которые разрушают клеточные стенки грибов, или гены, запускающие системную приобретенную устойчивость (СПУ) у растения [6, 9].

Трансгенные методы обладают широкими возможностями и являются хорошо изученной и стандартизированной для многих культур технологией [6, 9]. Их недостатки включают случайную интеграцию трансгена в непредсказуемом месте генома, что потенциально может нарушать работу других генов и требует скрининга множества линий [6], а также наличие регуляторных и общественных барьеров, поскольку продукты классической трансгенезии часто подвергаются жесткому регулированию и вызывают настороженность у потребителей, что ограничивает их коммерческое использование [10, 11].

Результаты исследований по созданию устойчивых сортов пшеницы. Полевые испытания показывают, что сорта, созданные с применением биотехнологий, демонстрируют высокую устойчивость к пыльной головне без потери продуктивности [5, 7, 8].

Использование устойчивых сортов позволяет значительно снизить потери урожая и сократить применение химических фунгицидов, что удешевляет производство и снижает экологическую нагрузку [4, 12]. Перспективы коммерциализации в значительной степени зависят от регуляторной политики, при этом продукты редактирования генома имеют преимущества перед классическими ГМО [2, 3, 11].

Результаты многих исследований подтверждают эффективность использования биотехнологических методов в качестве мощного инструмента для ускорения селекционного процесса [1, 2, 6]. Они позволяют в сжатые сроки передавать ценные признаки в генетический фонд адаптированных к местным условиям сортов, что особенно актуально в условиях изменяющегося климата и роста давления патогенов [8, 14].

Безопасность генетически модифицированных сортов пшеницы. Оценка безопасности ГМО-сортов включает: потенциально негативное воздействие на окружающую среду (экологическая безопасность) и возможный вреда для здоровья человека и животных (пищевая безопасность).

Основной экологический риск – перенос модифицированных генов через опыление. Однако для пшеницы, как для самоопыляющейся культуры, этот риск считается низким [10]. Тем не менее, данное явление требует тщательного мониторинга в местах коммерческого возделывания. Другим экологическим аспектом является потенциальное воздействие на нецелевые организмы и почвенные биоценозы. Оценка строится на принципе «существенной эквивалентности», согласно которому ГМ-растение по своим основным характеристикам не должно отличаться от традиционного аналога [10, 11]. Поскольку гены устойчивости к пыльной головне, как правило, кодируют белки, специфически взаимодействующие только с патогенным грибом, прямое негативное влияние на полезную фауну и почвенные микроорганизмы считается маловероятным.

Пищевая безопасность оценивается по принципу существенной эквивалентности; научных данных о вреде одобренных ГМ-культур для здоровья нет [10, 11]. Регистрация ГМ-сортов регулируется строгими международными нормативами, включающими полевые испытания и экспертизу безопасности. В отличие от трансгенных сортов, продукты редактирования генома в ряде стран имеют упрощенный статус [2, 3].

Ограничения технологий и перспективы дальнейшего развития. Несмотря на значительный прогресс в методах генетической инженерии, создание коммерчески пригодных сортов пшеницы, устойчивых к пыльной головне, сопряжено с рядом фундаментальных и технологических ограничений. Ключевые проблемы включают:

1. Наличие трех гомеологичных субгеномов (A, B, D) означает, что многие гены присутствуют в трех копиях. Для достижения стабильного фенотипа устойчивости часто требуется модификация всех трех аллелей (гомеоаллелей) целевого гена. Неполное редактирование может привести к отсутствию ожидаемого признака или его нестабильности в потомстве [1, 7, 9].

2. Недостаточную изученность генетических основ устойчивости к Ustilago tritici [5, 7].

3. Плеотропные эффекты и риск негативного влияния на хозяйственно ценные признаки. Внедрение чуждых генов или изменение экспрессии собственных генов растения может непредсказуемо воздействовать на метаболические пути. Актуальной задачей является поиск баланса между устойчивостью и продуктивностью [9].

Преодоление указанных ограничений связано с развитием следующих взаимосвязанных направлений:

1. Доминирующей тенденцией является переход от классического трансгенеза к технологиям редактирования генома. Данные подходы позволяют вносить точечные изменения в собственные гены растения без интеграции чужеродной ДНК. Это не только повышает точность вмешательства, но и существенно изменяет регуляторный статус получаемых продуктов, приравнивая их к продуктам традиционной селекции [1, 2, 3].

2. Интеграция методов высокопроизводительной «омикс»-технологии (геномики, транскриптомики, протеомики) с биоинформатическим анализом [6, 14, 15].

3. Разработка стратегий создания сортов с комплексной (широкой) устойчивостью. Вместо создания сортов, толерантных к конкретному патогену, фокус смещается на пирамидирование нескольких R-генов или редактирование мастер-генов, контролирующих каскады иммунного ответа (например, гена NPR1). Это позволяет получить растения, устойчивые к комплексу заболеваний [4, 14].

Заключение. Создание генетически модифицированных сортов пшеницы, обладающих высокой устойчивостью к пыльной головне, представляет собой одно из наиболее перспективных направлений современной селекции, нацеленное на обеспечение продовольственной безопасности и снижение экологической нагрузки от применения агрохимикатов.

Проведенный анализ демонстрирует, что современные биотехнологические методы, в особенности редактирование генома с помощью систем CRISPR/Cas, предлагают новый инструментарий для решения данной задачи. Они позволяют с высокой точностью модифицировать собственные гены растения, минимизируя риски, связанные с внедрением чужеродной ДНК, и в значительной степени нивелируя остроту регуляторных и общественных барьеров.

Ключевым фактором успеха остается углубление фундаментальных знаний о молекулярных механизмах взаимодействия в системе «пшеница–Ustilago tritici» – идентификация новых R-генов, эффекторов и компонентов сигнальных путей, обеспечивающих полевую устойчивость. Интеграция этих данных с методами высокопроизводительного секвенирования и компьютерного моделирования открывает путь к целенаправленному конструированию генотипов.

Таким образом, несмотря на существующие ограничения, связанные со сложностью генома пшеницы и потенциальными плеотропными эффектами, объединение традиционной селекции, основанной на использовании генетических ресурсов, с передовыми технологиями геномного редактирования является неизбежной и открывает путь к созданию следующего поколения высокопродуктивных и устойчивых сортов пшеницы.

СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ

1. Kagale S. Targeted mutagenesis in wheat microspores using CRISPR/Cas9. Scientific reports. 2018; doi:10.1038/S41598-018-24690-8

2. Стрыгина К. В., Хлесткина Е. К. Редактирование генов пшеницы, ячменя и кукурузы с использованием системы CRISPR/Cas. Биотехнология и селекция растений. 2020;3(1):46-56. DOI: 10.30901/2658-6266-2020-1-o2

3. Камалова Л.Х., Аюбов М.С., Мирзахмедов М.Х., Юсупов А.Н., Мамажонов Б.О., Обидов Н.С. Применение технологии CRISPR/CAS9 в улучшении сортов сельскохозяйственных культур / Камалова Л.Х. Аюбов М.С. Мирзахмедов М.Х. Юсупов А.Н. Мамажонов Б.О. Обидов Н.С. // cyberleninka – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/primenenie-tehnologii-crispr-cas9-v-uluchshenii-sortov-selskohozyaystvennyh-kultur (дата обращения: 02.12.2025).

4. Дружин А.Е., Крупнов В.А. Пшеница и пыльная головня. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2008. –164 с.: ил. ISBN 978-5-292-03837-5

5. Харина А. В., Амунова О. С. Устойчивость к пыльной головне и адаптивность сортов яровой мягкой пшеницы из коллекции ВИР. Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2020;21(1):18-27. https://doi.org/10.30766/2072- 9081. 2020.21.1.18-27

6. Кочетов А. В., Смирнова О. Г., Ибрагимова С. М., Рассказов Д. А., Афонников Д. А., Генаев М. А., Дорошков А. В., Пшеничникова Т. А., Симонов А. В., Морозова Е. В. Генная инженерия растений, генетика и селекциа пшеницы / Кочетов А. В., Смирнова О. Г., Ибрагимова С. М., Рассказов Д. А., Афонников Д. А., Генаев М. А., Дорошков А. В., Пшеничникова Т. А., Симонов А. В., Морозова Е. В. // Вавиловский журнал генетики и селекции. – 2012. – № 16. – С. 838-848.

7. Митрофанова О. П. Генетические ресурсы в селекции пшеницы на устойчивость к болезням / Митрофанова О. П. // Современные проблемы иммунитета растений к вредным организмам Тезисы докладов IV Международной научной конференции. – 2016 – С. 12.

8. Khlestkina, Elena & Журавлева, Е.В & Pshenichnikova, Tatyana & Усенко, Н.И & Морозова, Е.В & Осипова, С.В & Пермякова, М.Д & Афонников, Д.А & Отмахова, Ю.С. (2017). Реализация генетического потенциала сортов мягкой пшеницы под влиянием условий внешней среды: современные возможности улучшения качества зерна и хлебопекарной продукции (обзор). Sel'skokhozyaistvennaya Biologiya. 52. 501-514. 10.15389/agrobiology.2017.3.501rus.

9. Леонова И.Н. Влияние чужеродного генетического материала на проявление хозяйственно важных признаков мягкой пшеницы (T. aestivum L.). Вавиловский журнал генетики и селекции. 2018;22(3):321-328. DOI 10.18699/VJ18.367

10. Куликов А. М. ГМО и риски их использования / Куликов А. М. // Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова Российской Академии Наук. – 2015 – С. 46-61.

11. Дудин, М. Н. Трансгенные организмы (ГМО) в сельском хозяйстве: объективная необходимость в целях обеспечения глобальной продовольственной безопасности или способ увеличения прибыли ТНК АПК / М. Н. Дудин // Продовольственная политика и безопасность. – 2020. – Т. 7, № 2. – С. 107-120. – DOI 10.18334/ppib.7.2.100666

12. Горьков А.А., Павловская Н.Е., Сидоренко В.С. Эффективность использования биопрепаратов в повышении устойчивости озимой пшеницы к стрессам / Горьков А.А. Павловская Н.Е. Сидоренко В.С. // cyberleninka – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/effektivnost-ispolzovaniya-biopreparatov-v-povyshenii-ustoychivosti-ozimoy-pshenitsy-k-stressam (дата обращения: 02.12.2025).

13. Тарасова Е. В. Организационно-экономические аспекты производства генетически-модифицированных сельскохозяйственных культур за рубежом : специальность 08.00.14 «Мировая экономика» : Диссертация на соискание кандидата сельскохозяйственных наук / Тарасова Е. В.; Всероссийский научно-исследовательский институт экономики сельского хозяйства. – Москва, 2014. – 29 c.

14. Анапияев Б. Б., Искакова К. М., Бейсенбек Е. Б., Сарбаев А. Т., Ахметова А. Б. Биотехнологические методы в селекции пшеницы на устойчивость к ржавчинным болезням / Анапияев Б. Б., Искакова К. М., Бейсенбек Е. Б., Сарбаев А. Т., Ахметова А. Б. – С. 1160-1163.

15. Сукач Д. А., Пантелеев М. А., Демьянкова Н. В. Новые методы геномной селекции пшеницы / Сукач Д. А., Пантелеев М. А., Демьянкова Н. В. – 2015 – С. 192-193.