Генетическая инженерия на уровне клеток. Соматическая гибридизация отдаленных видов растений

        Некоторые растения, в частности бобовые, вступают в симбиоз с азотфиксирующими бактериями, что позволяет снижать дозы удобрений при их возделывании. Однако основная масса сельскохозяйственных культур, в том числе и зерновые, не способна к симбиозу, обеспечивающему фиксацию азота. По мнению ученых, один из путей создания «самоудобряющихся» растений — придание им с помощью генной инженерии способности вступать в симбиоз с азотфиксирующими бактериями.

        Кажется перспективным также преобразование самих бактерий. Наиболее реальной задачей ближайшего будущего считают внесение генов из азотфиксирующих бактерий в другую почвенную микрофлору, не способную фиксировать атмосферный азот и не вступающую в симбиоз с корнями растений. Необходимо расширить круг почвенных азотфиксирующих микроорганизмов. Этого можно добиться путем создания новых типов клубеньковых бактерий.

        Решение проблемы фиксации атмосферного азота с помощью генной инженерии поистине преобразило бы современное сельское хозяйство, позволило бы сэкономить миллиарды рублей, расходуемые на производство азотных удобрений, обеспечило бы сохранение окружающей среды. Возможные пути решения проблемы фиксации атмосферного азота показаны на рисунке XIV.

        Однако реконструкция растений на основе генной инженерии не ограничивается только проблемой азотфиксации. По мнению ряда ученых, может оказаться эффективным и полезным перенос генов, придающих растениям устойчивость к гербицидам и пестицидам. Но сделать это не так просто — такие гены еще предстоит найти, выделить и добиться их экспрессии.

        Вполне реален перенос в растения генов устойчивости к патогенам.

        Селекция новых сортов затрагивает свойства, контролируемые очень многими генами одновременно, и невозможно все их подвергнуть генно-инженерным манипуляциям. Поэтому большинство свойств растений останется вне досягаемости генной инженерии.

         Полагают, что генная инженерия особенно перспективна при изучении процессов развития и дифференциации растений, что поможет в будущем правильнее организовать селекционный процесс. Молекулярная биология предложила несколько интересных вспомогательных методов. Так, Р. Оуэнс и Т. Динер (R. A. Owens, Т. О. Diener, 1981) в США использовали фрагменты ДНК (зонды) для выявления вируса крайне опасной болезни картофеля — веретеновидности клубней, показав тем самым простой метод диагностики. Исследователи из Института растениеводства в Кембридже (Великобритания) смогли таким способом идентифицировать в геноме пшеницы фрагменты хромосом ржи после скрещивания этих видов.

         Попытки использования генной инженерии не ограничиваются приведенными примерами. Одним из перспективных направлений ее применения считают придание растениям устойчивости к поздним весенним и ранним осенним заморозкам, которые причиняют огромный ущерб сельскому хозяйству. Установлено, что имеются два вида бактерий, обитающих на поверхности растений, а именно Pseudomonas syringaе и Erwіnia herbіcola, которые служат центрами образования кристаллов льда. При отсутствии на поверхности листьев этих бактерий вода в тканях растений при снижении температуры до нескольких градусов ниже 0°С не замерзает, а становится сверхохлажденной. Растения могут выдержать температуру до - 8°С.

          Поэтому предпринимаются попытки освободить сельскохозяйственные культуры от этих бактерий как традиционными способами, так и основанными на методах генной инженерии. Одно из таких направлений – получение вирусов – бактериофагов, которые действуют изобретательно на бактерии, обитающие на поверхности растений, чтобы с их помощью уничтожить два упомянутых вида.

         Другое  направление работы по обеспечению  морозоустойчивости растений –  видоизменение с помощью методов  генной инженерии вызывающих  кристаллизацию бактерий таким  образом, чтобы они больше не  стимулировали этот процесс.

 

 

3. Практическое применение генной инженерии растений с использованием Ti – плазмид

         Для более наглядного представления рассмотрим пример, в котором ученым из разных стран, в том числе и нашей, удалось с помощью генно-инженерных методов создать ценные для селекции новые формы растений. (Рис.1). В природе существует бактерия Bacillus thuringiensis, которая нарабатывает белок, называемый эндотоксином. Свое название он получил потому, что при попадании этой бактерии в желудок насекомых – вредителей сельскохозяйственных растений этот белок вызывает лизис (разрушение) стенки желудка и гибель насекомого – вредителя. Это свойство белка генные инженеры решили использовать для создания форм полезных сельскохозяйственных растений, устойчивых к насекомым – вредителям. Они выделили из бактериальной ДНК ген, кодирующий белок эндотоксин. Далее ген был встроен в состав природных генетических векторов – Ti-плазмид, присутствующих в клетках почвенной бактерии Acrobacterium tumefaciens. Этой бактерией были заражены кусочки растительной ткани, выращиваемой на питательной среде. Через некоторое время плазмиды, несущие ген белка-токсина, внедрились в растительные клетки, а затем ген встроился в ДНК растений. О том, что этот процесс прошел успешно, сообщил специальный ген-«репортер», также искусственным путем введенный в состав Ti-плазмид. Затем кусочки растительной ткани перенесли на питательную среду другого состава, которая обеспечивает рост и развитие полноценных растений. В конце концов такие растения были выращены, и оказалось, что если на их листья посадить гусениц насекомых-вредителей, то, попробовав растительной ткани с белком-токсином, гусеницы погибают. Важно, что белок-токсин оказался гибельным только для насекомых и совершенно безвреден для человека и сельскохозяйственных животных. Описанным выше путем к настоящему моменту удалось получить формы картофеля, томатов, табака, рапса, устойчивые к разнообразным сельскохозяйственным вредителям. Это одно из первых и самых значительных достижений генной инженерии растений в практической селекции.

Рис.1. Бактерия Bacillus thuringiensis, которая нарабатывает белок, называемый эндотоксином

        

          Известно, что растения, так же как и животные, способны вырабатывать иммунитет. Этим замечательным свойством обладают только устойчивые растения, у которых при атаке патогенов сильно меняется метаболизм. Например, у устойчивых растений накапливаются такие химические соединения, как перекись водорода (Н2О2), салициловая кислота (SA), фитоалексины (соединения, выполняющие защитную функцию в растении). Повышенное содержание этих соединений способствует противостоянию растения в борьбе с патогенами. Вот один из примеров, доказывающий роль салициловой кислоты в иммунном ответе растений. Трансгенные растения табака, которые содержат бактериальный ген, контролирующий синтез салицилат гидролазы (этот фермент разрушает SA), были неспособны к иммунному ответу. Поэтому изменение генно-инженерным путем уровня салициловой кислоты или выработки в растениях в ответ на патоген H2O2 может быть перспективным для создания устойчивых трансгенных растений.

        В последние годы ученые используют новый подход для получения трансгенных растений с "antisense RNA" (перевернутой или антисмысловой РНК), который позволяет управлять работой интересуемого гена. В этом случае при конструировании вектора копию ДНК (к-ДНК) встраиваемого гена переворачивают на 180˚. В результате в трансгенном растении образуется нормальная молекула мРНК и перевернутая, которая в силу комплементарности нормальной мРНК образует с ней комплекс и закодированный белок не синтезируется. Такой подход использован для получения трансгенных растений томатов с улучшенным качеством плодов.    Вектор включал к-ДНК гена PG, контролирующего синтез полигалактуроназы (polygalacturonase) - фермента, участвующего в разрушении пектина, основного компонента межклеточного пространства растительных тканей. Продукт гена PG синтезируется в период созревания плодов томатов, а увеличение его количества приводит к тому, что томаты становятся более мягкими, что значительно сокращает срок их хранения. Отключение этого гена в трансгенах позволило получить растения томатов с новыми свойствами плодов, которые не только значительно дольше сохранялись, но и сами растения были более устойчивы к грибным заболеваниям. Такой же подход можно применить для регулирования сроков созревания томатов, а в качестве мишени в этом случае используют ген EFE (ethylene-forming enzyme), продуктом которого является фермент, участвующий в биосинтезе этилена. Этилен - это газообразный гормон, одной из функций которого является контроль за процессом созревания плодов.

        Таким образом, стратегия антисмысловых конструкций широко применима для модификации экспрессии генов. Эта стратегия используется не только для получения растений с новыми качествами, но и для фундаментальных исследований в генетике растений.

        Следует упомянуть еще об одном направлении в генной инженерии растений, которое до недавнего времени в основном использовали в фундаментальных исследованиях - для изучения роли гормонов в развитии растений. Суть экспериментов заключалась в получении трансгенных растений с комбинацией определенных бактериальных гормональных генов, например только iaaM или ipt и т.д. Эти эксперименты внесли существенный вклад в доказательство роли ауксинов и цитокининов в дифференцировке растений.

        В последние годы этот подход стали использовать в практической селекции. Оказалось, что плоды трансгенных растений с геном iaaM, находящимся под промотором гена Def (ген, который экспрессируется только в плодах), являются партенокарпическими, то есть сформировавшимися без опыления. Партенокарпические плоды характеризуются либо полным отсутствием семян, либо очень небольшим их количеством, что позволяет решить проблему "лишних косточек", например в арбузе, цитрусовых и т.д. Уже получены трансгенные растения кабачков, которые в целом не отличаются от контрольных, но практически не содержат семян.

        Остается добавить несколько слов еще об одном аспекте возможностей использования Ti-плазмиды агробактерии. Обезоруженную, лишенную онкогенов Ti-плазмиду ученые активно используют для получения мутаций. Этот метод носит название Т-ДНК-инсерционного мутагенеза. Т-ДНК, встраиваясь в геном растения, выключает ген, в который она встроилась, а по утрате функции можно легко отбирать мутанты. Этот метод замечателен также тем, что позволяет сразу обнаружить и клонировать соответствующий ген. В настоящее время таким способом получено множество новых мутаций растений и соответствующие гены клонированы. В лаборатории М.А. Раменской на основе Т-ДНК мутагенеза получены растения томатов с неспецифической устойчивостью к фитофторозу.

Заключение:

 

         В ходе выполнения данной работы, я выяснила, что генная и клеточная инженерия очень важны для развития огромного количества направлений..

         В сельском хозяйстве вклад генной и клеточной инженерии заключается в облегчении традиционных методов селекции растений и разработке новых технологий, позволяющих повысить эффективность сельского хозяйства. Во многих странах методами генетической и клеточной инженерии созданы высокопродуктивные и устойчивые к вредителям, болезням, гербицидам сорта сельскохозяйственных растений. Разработана техника оздоровления растений от накопленных инфекций, что особенно важно для вегетативно размножаемых культур (картофель и др.). Ведутся исследования по улучшению аминокислотного состава растительных белков. Разрабатываются новые регуляторы роста растений, микробиологические средства защиты растений от болезней и вредителей, бактериальные удобрения и т.д.

         Также генная и клеточная инженерия вносят огромный вклад не только в селекцию растений, но и имеет широкое применение в медицине и селекции животных.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы:

1. «Селекция и семеноводство культурных растений»,  Ю.Л. Гужов, А. Фукс, П. Валичек;  Под ред. Ю.Л. Гужова, М.: Агропромиздат, 1991 г., с 306  по 313с.

2. «Селекция и семеноводство сельскохозяйственных культур», Нургасенов Т.Н., 2009 г., с  232 по 240 с.