Генная инженерия растений

Генная инженерия позволяет получать новые типы растений намного быстрее, чем обычная селекция. Благодаря введению определенных генов (трансформации) происходит изменение генотипа.

С помощью генной инженерии растений решаются такие задачи:

  • • повышение устойчивости к стрессовым факторам, фитопатогенам, гербицидам и пестицидам;
  • • ввод генов скороспелости;
  • • ввод генов симбиотической фиксации азота.

В клетках растений возможна экспрессия генов, перенесенных не только от других растений, но и от микроорганизмов и от животных. Благодаря свойству тотипотентности, из трансформированных клеток развивается целое растение с новыми свойствами.

Возможности генной инженерии растений ограничены плохой изученностью их генов. Кроме того, трудно выбрать условия регенерации растения из клеток. Пока успешно эта задача решена для картофеля, люцерны, томатов, моркови, табака и капусты. Вводить в геном растения пока удается не более 35 кб ДНК (1 байт — это одна тройка азотистых оснований).

Большие перспективы открываются благодаря новым удачным идеям использовать при трансформации в качестве вектора искусственные бактериальные хромосомы, а также пыльцу.

Новые большие возможности заставляют более строго думать о возможных последствиях эксперимента.

Получение трансгенных растений

Получение трансгенных растений возможно с помощью векторов — специфических структур для переноса генов и для встраивания их в геном растения.

Векторы на основе Ti-плазмид. Большая внехромосомная Ti-плазмида индуцирует образование опухолей у двудольных растений. Эта плазмида содержится в клетках почвенной бактерии Agrobacteria tumefaciens (A. t.).

При заражении эта плазмида встраивается в ДНК хозяина и заставляет его изменять метаболизм, а именно — синтезировать белки опины, необходимые для бактерий в качестве источников азота и углерода. Есть два типа опинов — октопин (его синтез стимулируется октопиновой плазмидой) и нопалин (ему соответствует нопалиновая плазмида).

Эти плазмиды являются идеальными векторами. Они содержат Т-область (10 % Ti-плазмиды), которой соответствует Т-ДНК в клетках. Т-область определяет функциональные свойства плазмиды — индукцию опухоли, синтез опинов и подавление роста клеток. Гены, ответственные за перенос и интеграцию генов Т-области, находятся в рядом расположенной vir-области (рис. 2.11).

Любая ДНК, вставленная между повторяющимися элементами Т-области, будет принята за Т-область и перенесена в новую клетку.

Однако главным недостатком Ti-плазмид является то, что они подавляют гормоны роста и регенерировать из химерной клетки растение — трудно. Кроме того, Ti-плазмида слишком велика.

Схема строения плазмиды, содержащей Т-область

Рис. 2.11. Схема строения плазмиды, содержащей Т-область

В настоящее время конструируются производные Ti-плазмиды меньшего размера. Есть также работы по использованию в качестве векторов других плазмид — Ri {Rhizogenes).

Ri-плазмиды индуцируют образование корней и безвредны для растений.

Промежуточный и бинарный векторы. Эти векторы конструируются на основе Ti-плазмид клеток A. t. Для «выращивания» промежуточного вектора используют м.о. Е. coli.

Получение промежуточного вектора:

  • • Т-область с помощью рестриктаз вырезают из плазмиды;
  • • вставляют вырезанную Т-область в вектор для клонирования в клетке E.coli, там эти векторы размножаются;
  • • внутрь Т-области вставляют чужеродный ген и плазмиду вновь размножают;
  • • рекомбинантную Ti-плазмиду вводят в клетки A. t., несущие полную Ti-плазмиду;
  • • в результате двойного кроссинговера между гомологичными участками новая Т-область рекомбинантной плазмиды включается в Ti-плазмиду клетки хозяина, заместив нормальную Т-область;
  • • бактериями, несущими Ti-плазмиду со встроенными генами, заражают растения, где этот ген встраивается в геном клетки.

Бинарным вектором называются бактерии с плазмидами двух типов: в одних есть vir-область, в других — Т-область с любыми генами.

Как при введении промежуточного вектора, так и при введении бинарного вектора, растительные клетки не способны к регенерации. Для восстановления способности к регенерации вводят мутации или вырезают из химерной плазмиды Т-ДНК.

Векторы на основе ДНК-содержащих вирусов. Возможности этого метода ограничены, так как лишь немногие вирусы имеют ДНК. Тем не менее, метод перспективен, поскольку ДНК вирусов обладают высокой копийностью, малыми размерами и эффективно воспроизводят чужеродные гены.

Недостатками метода являются небольшая информационная емкость, патогенность и неспособность вирусной ДНК встраиваться в сомы хозяина. Но если инфицировать вирусом не клетки, а растительные протопласты, емкость увеличивается.

Для некоторых случаев разработаны приемы, которые позволяют обойти неспособность вирусной ДНК встраиваться. Таким приемом является использование Ti-плазмиды: вначале ДНК вируса встраивают в Ti-плазмиду, а затем заражают ею нового хозяина.

Прямой перенос генов в растение. Благодаря появлению таких объектов как изолированные протопласты (клетки, лишенные целлюлозной стенки) появились многочисленные методы прямого переноса генов: микроинъекция ДНК, упаковка в липосомы, электропорация (получение пор импульсами высокого напряжения) и проникновение ДНК в клетки через поры и другие методы.

Биологическая баллистика. Прием заключается в бомбардировке материала частицами вольфрама с нанесенными на них ДНК-векторами. Метод апробирован на однодольных растениях.

Улучшение аминокислотного состава запасных белков

Получить растение с измененным аминокислотным составом запасных белков методом селекции на практике невозможно, так как соответствующие гены сцеплены с другими, нежелательными признаками. Поэтому разрабатываются способы получения трансгенных растений (с измененными генами).

Получение трансгенных растений в данном случае делится на этапы:

  • • клонирование генов запасных белков;
  • • изучение механизма экспрессии белков и выявление соответствующей последовательности ДНК;
  • • целенаправленное изменение последовательностей генов;
  • • создание векторов с измененным геном;
  • • введение модифицированных генов в растения.

Повышение эффективности процесса фотосинтеза

Повышение эффективности фотосинтеза достигается клонированием хлоропластных генов и их переносом в растения.

Хлоропласты и клетки прокариотов сходны по ряду признаков. Гены хлоропластов клонируются в клетках Е. coli.

Для экспрессии генов Е. coli и хлоропластных генов в клетках Е. coli наиболее эффективным приемом является установка промотора рядом с участком связывания рибосом, который узнается полимеразой Е. coli.

Решение проблемы усвоения азота

Производство азотных удобрений очень дорого обходится. Целесообразно снабжать растение азотом путем его биологической фиксации. Это свойство — диазотрофность присуще прокариотам. При этом целесообразно обратить внимание не на свободноживущие, а на симбиотические азотфиксирую- щие м.о. (с бобовыми, деревьями, рисом и травами). Фиксация происходит с помощью фермента нитрогеназы. К 1981 г. она выделена из 36 м.о. Она работает лишь в отсутствие кислорода. В настоящее время созданы карты генов азотфиксации. Они образуют единый оперон. Но введение этих генов в растительную клетку с помощью плазмиды не решает проблемы: нитрогеназа разрушается кислородом.

Более перспективно совершенствовать уже существующие природные системы фиксации азота путем воздействия на гены, контролирующие этот процесс, увеличения мощности корневой системы бобовых растений, создание новых систем методами клеточной инженерии.

Устойчивость к фитопатогенам

Фитопатогенами являются некоторые грибы, вирусы, бактерии. В растениях существуют защитные механизмы против патогенов: синтез соединений, вызывающих гибель (разрушение клеточных стенок, ферменты); создание структурных барьеров, препятствующих распространению инфекции (лиг- нификация клеточных стенок); присутствие в стенках белков- экстенсинов и олигосахаридов.

Генная инженерия позволяет получить устойчивые трансгенные растения, содержащие одиночные гены синтеза защитных соединений, которые имеются у табака, турнепса, редьки. Проводятся исследования возможности переноса генов, содержащихся в семенах многих растений и защищающих эти семена от развития бактериальных и грибных инфекций.

Другой подход заключается во введении в геном исходных растений гена оболочки вируса — при этом размножение вируса подавляется.

Третьим направлением придания устойчивости к фитопатогенам является введение и экспрессия генов антивирусных антител, например, гена человеческого интерферона. Таким путем удалось повысить устойчивость к вирусным заболеваниям у ряда растений — турнепса, табака, картофеля.

Устойчивость к гербицидам

Гербициды могут подавлять рост культурных растений. Генно-инженерный метод решения проблемы состоит во введении в растения генов гербицид-резистентности.

Для этого:

  • • выявляют мишени действия гербицидов в клетке растений;
  • • отбирают в качестве источника генов резистентности те растения, которые устойчивы к гербициду;
  • • идентифицируют и клонируют эти гены;
  • • изучают экспрессию генов.

Однако иногда в тканях полученных трансгенных растений наблюдается накапливание гербицида.

Устойчивость к насекомым

Было обнаружено, что бактерии Bacillus thuringiensis синтезируют прототоксин, токсичный для насекомых. Он активизируется в кишечнике насекомого, и оно погибает. Ген экспрессии прототоксина удалось обнаружить, выделить и ввести в геном растений табака. В итоге получены устойчивые трансгенные растения.

Устойчивость к абиотическим стрессам

Выживание в неблагоприятных условиях обеспечивается тремя способами:

  • • физиологические механизмы (например, период покоя);
  • • морфологические приспособления (слой кутикулы на листьях препятствует уменьшению поверхности и ее опушению);
  • • изменение метаболизма.

Последний путь доступен для генной инженерии.

Например, вводят гены экспрессии осмопротекторов. Осмопротектор пролин устанавливает осмотический баланс клетки с окружающей средой, стабилизирует белковые молекулы.

Примером выживания растений является также адаптация к низким температурам, которая заключается в накапливании растворимых веществ, уменьшающих образование кристаллов льда.

Необходимо осторожно относиться к достижениям генной инженерии в растениеводстве, так как уничтожение природных штаммов может привести к экологической катастрофе.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >