Как получают трансгенные растения
Направления создания трансгенных растений
В настоящее время при создании трансгенных растений преследуют такие цели:
- Повышение урожайности.
- Сокращение сроков вегетации и получение нескольких урожаев в год (в России созданы ремонтантные сорта клубники, дающие два урожая за лето).
- Приобретение растениями токсичности для некоторых видов вредителей (в России созданы сорта картофеля, листья которого являются остро токсичными для колорадского жука и его личинок).
- Повышение устойчивости к неблагоприятным климатическим условиям (например, к засухе путем переноса в геном растения гена скорпиона).
- Приобретение растениями способности синтезировать определенные белки животного происхождения (например, в Китае получен сорт табака, синтезирующий лактоферрин человека).
- Получение растений со свойствами «живых вакцин».
При достижении поставленных целей биотехнология трансгенных растений позволяет решить комплекс агротехнических, продовольственных, технологических, фармакологических и других проблем.
Процесс получения трансгенных растений начинают с поиска необходимого гена, который может находиться как в растительном, так и в животном организме. Поиском нужных генов занимаются многие лаборатории молекулярной генетики. Следующий шаг - выделение нужного гена из чужой ДНК и его включение в молекулу ДНК нужного нам растения. Процесс этот наиболее сложен. Об операциях по пересадке гена написаны тома научной литературы. Но для того чтобы понять суть процесса, достаточно кратко рассмотреть процедуру переноса генов.
Тридцать лет назад были открыты специализированные ферменты рестриктазы, способные разделять длинную молекулу ДНК на отдельные участки – гены. Разрезанные рестриктазими фрагменты ДНК приобретают "липкие" концы, с помощью которых они способны встраиваться в разрезанную такими же рестриктазами чужую ДНК.
Распространенный способ внедрения чужих генов в наследственный аппарат растений основан на свойствах болезнетворной для растений бактерии Agrobacterium tumefaciens (в буквальном переводе с латыни - полевая бактерия, вызывающая опухоли). Эта бактерия умеет встраивать в хромосомы заражаемого растения часть своей ДНК, которая заставляет растение усилить производство гормонов, и в результате некоторые клетки бурно делятся, возникает опухоль. В опухоли бактерия находит для себя отличную питательную среду и размножается. Для генной инженерии специально выведен штамм агробактерии, лишенный способности вызывать опухоли, но сохранивший возможность вносить свою ДНК в растительную клетку (рис.1).
Нужный ген вклеивают с помощью ферментов рестриктаз в кольцевую молекулу ДНК бактерии, так называемую плазмиду. Эта же плазмида несет маркерный ген, например ген устойчивости к антибиотику канамицину. Как правило, только небольшая доля операций по пересадке гена оказывается успешной. Те бактериальные клетки, которые включили в свой генетический аппарат "прооперированные" плазмиды, получают кроме нового полезного гена устойчивость к антибиотику. Их легко выявить, полив культуру бактерий антибиотиком, - все прочие клетки погибнут, а удачно получившие нужную плазмиду размножатся. Теперь этими бактериями заражают клетки, взятые, например, из листа растения. Опять приходится провести отбор на устойчивость к антибиотику: выживут лишь те клетки, которые приобрели эту устойчивость от плазмид агробактерии, а значит, получили и нужный нам ген. Дальнейшую работу выполняют биологи, владеющие методами выращивания растений из отдельных клеток. Культивирование изолированных клеток растений и регенерация на их основе растений, способных самостоятельно размножаться, в последние годы получили широкое распространение.
Метод, основанный на использовании агробактерии, эффективен не во всех случаях, например, такие важные пищевые растения, как рис, пшеница, кукуруза, не восприимчивы к заражению агробактериями. Это привело к поиску новых способов переноса генов. Получены ферменты, растворяющие толстую оболочку растительной клетки, и вещества, например полиэтиленгликоль, способствующие проникновению чужой ДНК в клетку.
Проницаемость клеточной мембраны можно увеличить, воздействуя на клетку короткими импульсами высокого напряжения (метод электропорации). Иногда применяют даже впрыскивание ДНК в клетку микрошприцем под контролем микроскопа. Хорошие результаты дал метод ДНК- пушки. Сверхмалые металлические "пули", например шарики из вольфрама диаметром 1-2 микрона, покрывают подготовленными к переносу участками молекулы ДНК и "стреляют" из специальной пушки в растительные клетки. Проделываемые в стенке клетки отверстия быстро заживают, а "пули", застрявшие в протоплазме, так малы, что не мешают клетке функционировать. Часть "залпа" приносит успех: некоторые "пули" внедряют свою ДНК в нужное место.
Рис. 1. Два основных метода создания трансгенных растений.
A – использование агробактерии;
Б - использование «ДНК-ПУШКИ»;
1 - введение ДНК в плазмиду бактерии;
2 - перенос ДНК в клетку растения;
3 - встраивание ДНК;
4 - размножение клеток с новым геном;
5 - получение целого растения и пересадка в почву;
6 - нанесение ДНК на металлические микрошарики;
7 - обстрел клетки шариками с частицами ДНК;
8 - растительная клетка