План лекции

Получение трансгенных растений

Лекция 22

Форма проведения лекции: обзорная

1 Получение трансгенных растений, устойчивых к стрессовым воздействиям

2 Получение трансгенных растений, устойчивых к насекомым

1Экстремальное влияние окружающей среды, такое как засуха, избы­точное увлажнение, воздействие высоких или низких температур, засоле­ние и кислотность почв приводит к значительным потерям сельскохозяй­ственной продукции. Поэтому использование сортов растений, толерант­ных к стрессовым воздействиям, имеет большое экономическое значе­ние.

Многие из адаптивных реакций растений на стресс обусловливаются синхронным взаимодействием множества генов. Поэтому более доступ­ными для генно-инженерных исследований оказываются биохимические процессы, непосредственно индуцировавшиеся фактором стресса. Так, например, известно, что в растениях, подвергающихся длительному вод­ному стрессу, накапливается ряд органических низкомолекулярных со­единений, таких, как пролин, глицинбетаин и ряд других, которые служат ос мо регуляторами или осмопротекторами. Было показано сходство стрессового ответа у бактерий и высших рас­тений: в обоих случаях в клетках происходит синтез молекул осмопротекторов, механизмом действия которых является установление осмоти­ческого баланса между цитоплазмой и окружающей средой и, кроме того, частичная стабилизация белков при стрессовых условиях. Сходные био­химические пути синтеза молекул осмопротекторов позволили использо­вать гены бактериального происхождения для получения трансгенных растений, устойчивых к стрессам.

Из генома Е. сoli были выделены два гена proBosm и proA, кодирую­щие ферменты пути биосинтеза пролина, аккумулирование которого в клетке происходит в ответ на осмотический стресс. Экспрессия этих бак­териальных генов в геноме растений приводила к повышенному синтезу пролина. Полученные трансгенные растения табака осуществляли повы­шенный синтез и накопление пролина по сравнению с контрольными рас­тениями. Трансгенные побеги укоренялись и могли расти при концентра­ции соли в среде 20 г/л (350 мМ).

Был выделен ген бетаинальдегиддегидрогеназы (ВАDН), которая ка­тализирует синтез глицинбетаина. Трансгенные растения табака, экспрессирующие этот ген, обладали повышенной солеустойчивостью.

Было показано, что устойчивость к высоким температурам связана с геном Fad7, белок которого влияет на метаболизм жирных кислот. Инак­тивация такого гена в трансгенных растениях риса привела к тому, что растения могли расти при повышенных температурах и выдерживать до двух часов при +47°С.Сейчас проходят полевые испытания сорта трансгенных газонных трав на засухоустойчивость и устойчивость к засолению с тем, чтобы в дальнейшем их можно было использовать в больших городах с характерным абиотическим фоном.

2 Используя генно-инженерные методы, возможно конструирование растений с повышенной резистентностью к атаке насекомыми. Так, было показано, что бактерии Bacillus thuringiensis экспрессируют инсектицидный белок-прототоксин, который, попадая в кишечник насекомых, рас­щепляется под действием протеаз до активного токсина, приводящего к гибели вредителей.

Препараты на основе этого токсина использовались для обработки растений в поле. Полученные препараты были нестойкими и довольно быстро разлагались, что не позволяло развить у вредителей устойчивость к инсектициду, в то время как продукция таких белков в растительных клетках могла обеспечивать устойчивую резистентность растений к насе­комым.

Из генома В. Thuringiensis был выделен ген токсина bt 2 и поставлен под контроль промотора 35S СаМV. bt-Ген был интегрирован в геном растений табака методом агробактериальной трансформации. Экспрес­сия бактериального bt2-гена в растительных клетках была подтверждена как на уровне транскрипции, по присутствию соответствующей мРНК, так и на уровне трансляции, по синтезу белка-токсина. Полученные трансгенные растения табака были устойчивы к вредителям. Эффектив­ность защиты сельскохозяйственных культур от вредителей была показа­на и на трансгенных растениях томата, трансформированных генами эн­дотоксина, при этом бактериальный белок, синтезированный в тканях растений, обеспечивал защитный эффект, сравнимый с использованием инсектицидных препаратов.

Помимо табака и томата бактериальный bt 2-ген был введен в геном многих сельскохозяйственных растений, в том числе в картофель, кукурузу, хлопчатник, рис, сою, брокколи и др. Для ряда культур получены сорта трансгенных растений, экспрессирующих в своем геноме bt2-ген. Так, в 1994—1995 гг. были получены и прошли полевые испытания сорта томата, картофеля и хлопчатника (фирма «Моnsanto»), кукурузы как тор­говой, так и пищевой сахарной (фирма «Novartis»), а в 1998 г. был полу­чен сорт картофеля с тройной устойчивостью, который помимо bt2-гена, содержал ген устойчивости к вирусу скручивания листьев и ген устойчи­вости к гербициду глифосату. В 2000 г. в странах с разрешенным использованием генетически модифицированных продуктов сортами трансген­ных растений, устойчивых к насекомым, были засеяны около 380 тыс. га, из них: 230 тыс. га — трансгенным хлопчатником, 144 тыс. га трансген­ной кукурузой, 5 тыс. га — трансгенным картофелем. Использование трансгенных растений привело к резкому сокраще­нию применения инсектицидов и повышению урожайности.