Введение генов в клетки растений. Достижения генной инженерии. Проблемы биобезопасности трансгенных растений

 

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Тюменский Государственный Университет

Институт биологии

Кафедра анатомии и физиологии человека и животных

 

Введение генов в клетки растений. Достижения генной инженерии. Проблемы биобезопасности трансгенных растений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнили:

Зорков Василий Александрович

Чудаев Александр Валерьевич

 

 

 

г.Тюмень, 2014 год

Содержание

 

• Введение генов в клетки растений...................................................................2
• Достижения генной инженерии.......................................................................12
• Улучшение качества запасных белков..........................................................13
• Создание гербицидоустойчивых растений...................................................15
• Повышение устойчивости растений к стрессовым условиям..................17
• Повышение эффективности биологической азотфиксации......................18
• Получение растений с новыми свойствами..................................................19
• Проблемы биобезопасности трансгенных растений...................................20
• Список литературы...........................................................................................24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение генов в клетки растений

Ввести чужеродную ДНК в растения можно различными способами.

Для двудольных растений существует естественный вектор для горизонтального переноса генов: плазмиды агробактерий. Что касается однодольных, то, хотя в последние годы достигнуты определенные успехи в их трансформации агробактериальными векторами, все же подобный путь трансформации встречает существенные затруднения.

Для трансформации устойчивых ("рекальцитрантных") к агробактериям растений разработаны приемы прямого физического переноса ДНК в клетку, многие из которых взяты из практики работы с клетками бактерий или животных. Эти методы достаточно разнообразны, они включают: бомбардировку микрочастицами или баллистический метод; электропорацию; обработку полиэтиленгликолем; перенос ДНК в составе липосом.

Наиболее продуктивным и чаще всего используемым является метод бомбардировки микрочастицами. При достаточной скорости эти частицы могут непосредственно проникать в ядро, что сильно повышает эффективность трансформации. Этим же методом можно, впрочем, трансформировать и другие ДНК-содержащие клеточные органеллы - хлоропласты и митохондрии.

В последнее время был разработан и успешно применен также комбинированный метод трансформации, названный агролистическим. При этом чужеродная ДНК вводится в ткани каким-либо физическим методом, например, баллистическим. Вводимая ДНК включает как Т-ДНК вектор с целевым и маркерным геном, так и агробактериальные гены вирулентности, поставленные под эукариотический промотор. Временная экспрессия генов вирулентности в растительной клетке приводит к синтезу белков, которые правильно вырезают Т-ДНК из плазмиды и встраивают ее в хозяйский геном, как и при обычной агробактериальной трансформации.

После проведения тем или иным способом трансформации растительной ткани ее помещают in vitro на специальную среду с фитогормонами, способствующую размножению клеток. Среда обычно содержит селективный агент, в отношении которого трансгенные, но не контрольные клетки приобретают устойчивость. Регенерация чаще всего проходит через стадию каллуса, после чего при правильном подборе сред начинается органогенез (побегообразование). Сформированные побеги переносят на среду укоренения, часто также содержащую селективный агент для более строгого отбора трансгенных особей.

Самый эффективный метод переноса генов в растения – использование в качестве вектора почвенной бактерии Agrobacterium tumefaciens. Эта бактерия содержит плазмиду, в которую можно встроить необходимый для переноса ген. Agrobacterium tumefaciens заражает большинство двудольных растений и вызывает у них образование больших наростов, называемых корончатыми галлами, которые представляют собой подобие раковой опухоли. В норме в ответ на повреждение растение выделяет химические вещества, стимулирующие клеточное деление; при этом образуется группа клеток, называемых каллусом, которые быстро закрывают рану.

Agrobacterium tumefaciens вызывает образование  корончатых галлов (опухолей). Т-ДНК  – трансформирующая ДНК, которая  интегрируется в растительный  геном; vir – область, включающая гены, продукты которых обеспечивают  вырезание и перенос Т-ДНК в  растительную клетку; tra – область, где локализованы гены, контролирующие  конъюгацию бактерий; ori – область, содержащая гены, продукты которых  обеспечивают репликацию Ti-плазмиды

 

Химические вещества, выделяемые поврежденными клетками растения, стимулируют и клетки Agrobacterium, которые заражают рану и вызывают образование галла. Этот процесс контролируется бактериальной плазмидой (Ti-плазмида; от англ. tumor-inducing). Она проникает в растительную клетку и встраивается в ДНК растения. Это приводит к нерегулируемому росту. Сама бактерия не попадает в клетки, но может жить между ними, используя питательные вещества, которые производят растительные клетки под контролем плазмидной ДНК. Клетки растений, содержащие встроенную в их геном Ti-плазмиду с чужеродным геном, называются трансформированными.

К сожалению этот метод долгое время был неприменим к однодольным растениям, к которым относятся такие важные сельскохозяйственные культуры, как кукуруза и пшеница. Однако сейчас эта проблема решена. Метод трансформации используется для улучшения сортов томатов, картофеля и многих древесных растений.

Интеграция Т-ДНК в хромосому растений и образование опухоли (корончатого галла) (по Э.С. Пирузян)

 

С помощью техники клонирования, из одной трансформированной клетки можно получить целое растение. Для этого клетки сначала выращивают в жидкой культуре, затем образовавшуюся недифференцированную массу, называемую каллусом, помещают на питательный агар. При правильном соотношении гормонов формируются побеги, корни и вырастает новое растение. Другой способ получения трансформированных растений подразумевает использование Agrobacterium. Диски, нарезанные из листьев, заражают бактерией и раскладывают на питательном агаре. В процессе роста трансформированные клетки формируют корни и побеги.

Использование вирусов

В генной инженерии бактерий роль векторов обычно играют бактериофаги (вирусы бактерий); вероятно, для трансформации растений можно использовать растительные вирусы.

Использование “ружья”

Неожиданно эффективным оказалось введение чужеродной ДНК в клетки растений с помощью специального ружья. Нужная ДНК упаковывается в золотые или вольфрамовые бусинки диаметром 1 мм. Их размещают на кончике пластиковой пули, которую вставляют в ствол специально сконструированного ружья. В первоначальном варианте пуля выстреливалась обычным способом, т.е. с помощью взрывного заряда, однако сейчас для выстрела используют сжатый газ. Пуля разрывается в камере на поверхности, имеющей микроскопические отверстия. Некоторые из частичек упакованной ДНК попадают через эти отверстия в мишень, которой являются растительные клетки или ткани. Выстрел производится в вакууме, поэтому частички ДНК не оседают. Они обнаруживаются в цитоплазме трансформированных клеток.

Схема действия «генной» пушки.

Схема создания генетически модифицированных растений

Основные этапы этого процесса включают:

1) получение целевых генов, предназначенных для введения в растение, и конструирование кассеты экспрессии;

2) конструирование вектора, несущего целевой ген;

3) трансформацию растительных клеток;

4) регенерацию целого растения из трансформированной клетки;

5) детектирование трансформированных растений среди регенерантов.

Получение целевых генов. На первом этапе необходимо получить ген, который будет вводиться в реципиентную клетку растения-хозяина. Для этого существует несколько возможностей.

Если расшифрована нуклеотидная последовательность ДНК и картированы гены донорного организма (т.е. известно, какие фрагменты этой ДНК кодируют те или иные признаки), то нужный ген может быть вырезан специальными ферментами рестриктазами из геномной ДНК донора. Другим способом получения целевого гена является химический или ферментативный синтез нужного фрагмента ДНК. И, наконец, искомую нуклеотидную последовательность можно получить ферментативным синтезом ДНК с матричной РНК — кДНК. Таким образом, в результате реализации того или иного способа получают фрагмент ДНК, несущий ген, кодирующий необходимый признак.

Для того чтобы ген после введения его в организм нового хозяина экспрессировался, т.е. работал, и, как результат этого, в клетке синтезировался соответствующий белок, необходимо снабдить его регуляторными элементами. Регуляторные элементы представляют собой определенные последовательности нуклеотидов, которые позволяют гену функционировать. Обязательными компонентами регуляторных элементов являются:

♦ промотор — участок молекулы ДНК, с которым связывается РНК-полимераза (фермент, катализирующий синтез мРНК), что сопровождается инициацией транскрипции гена;

♦ терминатор — участок молекулы ДНК, определяющий окончание синтеза молекулы мРНК.

В качестве промотора чаще всего используют сильный промотор 35S вируса мозаики цветной капусты. Он относится к конститутивным промоторам, т.е. таким, которые работают на протяжении всей жизни растения. Иногда требуются специфические промоторы — такие, которые активны в отдельных клетках, тканях, органах или лишь на определенных стадиях жизни растений. Например, есть промоторы, которые работают только в клубнях картофеля и никогда не будут работать в его листьях. Наконец, существуют индуцибельные промоторы, которые активируются только под воздействием определенных факторов — химических веществ, температуры и др. В зависимости от того, какой ген должен быть перенесен в растение и в какой период он должен экспрессироваться, для создания вектора выбирают тот или иной промотор.

Таким образом, кассета экспрессии представляет собой группу функционально связанных участков ДНК, в состав которой входят промотор, целевой ген и терминатор.

Конструирование вектора. Сама по себе кассета экспрессии не может попасть в клетку-реципиент и интегрироваться (внедриться) в хромосомы растения-хозяина. Для этого нужен вектор — специальная молекула ДНК, которая может проникать в клетки растений и там самореплицироваться, либо встраиваться в ДНК хозяина и реплицироваться вместе с ней.

В качестве вектора обычно используют ДНК вируса или бактериофага, а также плазмиды бактерий (кольцевые молекулы ДНК, несущие небольшое количество генов и присутствующие в бактериальной клетке наряду с хромосомной ДНК). Именно плазмиды чаще всего применяются для трансформации растений.

Первые попытки создания таких векторных систем основывались на использовании 77-плазмиды (от англ. tumor-inducing plasmid) почвенной бактерии Agrobacterium tumefaciens. A. tumefaciens — фитопатоген, который инфицирует клетки растений, что приводит к образованию опухоли — корончатого галла, нарушающей нормальный

рост растения. Причем, эта бактерия может поражать только клетки двудольных растений.

Инфицирование растений A. tumefaciens и образование корончатого галла

 

Образование корончатого галла является результатом трех взаимосвязанных процессов:

1. Проникновение бактерии в клетку растения.

2. Интеграция в геном растительной клетки специфического сегмента плазмидной ДНК бактерии — Т-ДНК (от англ. transferred DNA — часть плазмиды, индуцирующей развитие опухоли).

3. Экспрессия отдельных генов Т-ДНК. Инфекционный процесс начинается с прикрепления

A. tumefaciens к клеткам растения  в месте повреждения, чаще всего  у основания стебля. Поврежденное  растение выделяет специфические  фенольные соединения, которые активируют  гены вирулентности (vir-гены), локализованные  в участке Ti-плазмиды за пределами  Т-ДНК .

Продукты vir-генов необходимы для транспорта и интеграции Т-ДНК в геном растительной клетки. После активации fir-генов Т-ДНК транспортируется в клетку. При этом она находится в одноцепочечной форме, и именно в такой форме происходит ее встраивание в хромосомную ДНК растения.