Лекция 1
| Вид материала | Лекция |
- «Социальная стратификация и социальная мобильность», 46.19kb.
- Первая лекция. Введение 6 Вторая лекция, 30.95kb.
- Лекция Сионизм в оценке Торы Лекция Государство Израиль испытание на прочность, 2876.59kb.
- Текст лекций н. О. Воскресенская Оглавление Лекция 1: Введение в дисциплину. Предмет, 1185.25kb.
- Собрание 8-511 13. 20 Лекция 2ч режимы работы эл оборудования Пушков ап 8-511 (ррэо), 73.36kb.
- Концепция тренажера уровня установки. Требования к тренажеру (лекция 3, стр. 2-5), 34.9kb.
- Лекция по физической культуре (15. 02.; 22. 02; 01. 03), Лекция по современным технологиям, 31.38kb.
- Тема Лекция, 34.13kb.
- Лекция посвящена определению термина «транскриптом», 219.05kb.
- А. И. Мицкевич Догматика Оглавление Введение Лекция, 2083.65kb.
Лекция 1. Генетическая инженерия как основа биотехнологии. Принципы получения трансгенных растений. Успехи и перспективы современной агробиотехнологии. Возможные риски.
В октябре 1999 г на Земле появился на свет 6-млрд-ный житель. В 1914 г. население земного шара составляло около 1,6 млрд чел, в 2025 г., по прогнозам, оно достигнет уже 8,3 млрд чел.
Причем, растительные продукты составляют 93% пищи человека, а остальные 7% составляют продукты животного происхождения, которые также образуются в результате потребления животными растительной пищи. Остро встает вопрос, как прокормить такую армию обитателей планеты?
Дальнейшее существенное увеличение урожая с/х культур на вряд ли может быть достигнуто за счет химизации, механизации и мелиорации сельского хозяйства. Использование этих подходов в последние десятки лет привело к значительному увеличению урожая, но одновременно и инициировало целый ряд экологических и экономических проблем, в частности, привело:
-к загрязнению окружающей среды
-к истощению энергетических ресурсов
-к возрастанию затрат на единицу произведенной продукции
Можно было бы рассчитывать повышать урожай за счет совершенствования классических методов генетики и селекции. Однако, следует сказать, что подходы традиционной генетики и селекции в отношении большинства с/х культур уже практически достигли своего предела.
В этих условиях необходим поиск новых путей, которые позволили бы повысить урожай основных с/х культур, улучшить его качество и снизить себестоимость продукции, не ухудшая при этом состояние окружающей среды. Решить эти проблемы и призвана зарождающаяся на наших глазах наука - биотехнология. По мнению лауреата Нобелевской премии Нормана Борлауга, "только новые развивающиеся биотехнологии могут спасти мир от голода экологических катастроф".
Биотехнология. Что это за наука?
Термин биотехнология был придуман в 1917 г. венгром Карлом Эреки для описания процесса крупномасштабного выращивания свиней с использованием в качестве корма сахарной свеклы.
В широком смысле слова под биотехнологией понимают науку о применении биологических принципов, процессов и систем в сельскохозяйственном производстве и в промышленности (Акад. А.А. Баев).
Биотехнологию можно определить и как «применение научных и инженерных принципов к переработке материалов живыми организмами с целью создания продуктов и услуг».
Т.о., Биотехнология представляет собой органическое единство биологических, химических и инженерных дисциплин, разрабатывающих пути использования биологических организмов в с/х и промышленности.
Это определение носит очень широкий характер. Оно относится к таким древнейшим производствам как пивоварение, виноделие, хлебопечение и т.п. Использование живых организмов для получения нужных человеку продуктов питания имеет, как мы видим, историю протяженностью в несколько тысяч лет.
В конце 19 столетия использовали микробиологическую ферментацию для производства спирта, ацетона, уксусной кислоты и других химикатов.
В настоящее время культура микроорганизмов используется самым активным образом для получения антибиотиков и массы других коммерческих продуктов.
Что касается растений, то древний человек бессознательно занимался селекцией, отбирая растения со съедобными семенами и вкусными плодами, которые дают хороший урожай. Итогом этой деятельности явился огромный спектр видов важнейших сельскохозяйственных культур. Классическая селекция растений позволила получить новые лучшие культурные сорта.
Возникает вопрос, почему же человек занимается биотехнологией в течение всей своей истории, но только сейчас эта наука привлекла к себе всеобщее внимание?
Ответ на него очень прост - столь бурное развитие биотехнологии связано с революцией в области молекулярной биологии и клеточной инженерии. Создание рекомбинантных молекул ДНК позволило ликвидировать границы между далеко отстоящими друг от друга организмами и получить растения с такими комбинациями признаков, которые в природе были принципиально невозможны.
Биотехнология базируется на трех науках, на 3-х китах, благодаря интенсивному развитию которых она и приобрела сегодняшний облик. Речь идет о клеточной инженерии, молекулярной биологии и генетической инженерии.
Вас уже знакомили немного с клеточной инженерией. Я хочу сказать несколько слов о двух других науках.
Годом рождения молекулярной биологии является 1953 г. - год открытия Уотсоном и Криком двойной спирали ДНК, за что авторы были удостоены Нобелевской премии.
Молекулярная биология - это наука, изучающая структуру, свойства, взаимодействие и функции определенных видов макромолекул, прежде всего белков и нуклеиновых кислот.
Генетическая инженерия является преемником молекулярной биологии. Генетическую инженерию можно рассматривать как науку об изменении генетической программы клеток и о преодолении межвидовых барьеров.
Генетическая инженерия является и теорией и практикой современной молекулярной биотехнологии. Генетическая инженерия развивается очень стремительно.
Принято считать, что современная молекулярная биотехнология зародилась 12-13 лет назад и берет свое начало с 2-х событий:
Исторяи развития молекулярной биотехнологии
-1917 г. Карл Эреки ввел термин биотехнология
-1953 г. открытие двойной спирали ДНК
- расшифрован генетический код
1967 выделение ДНК-лигазы, фермента, ответственного за соединение 2-х различных фрагментов ДНК
- выделена первая рестриктаза
- Бойер и Коэн положили начало технологии рекомбинантных молекул
- Изданы первые руководства, регламентирующие правила работы с рекомбинантными ДНК
1976 создание первой биотехнологической фирмы под названием «Genentech»;
- фирма “Genentech” выпустила человеческий инсулин, полученный с помощью E. coli
- Поступили в продажу первые синтезаторы ДНК
- Разрешена к применению первая вакцина, полученная с помощью технологии реколбинантной ДНК
- Для трансформации растений применена Ti-плазмида
- Создан метод ПЦР
- Начаты работы над проектом «Геном человека»
1996 Ежегодный объем продаж первого рекомбинантного белка (эритропоэтина) превысил миллиард долларов
В настоящее время количество биотехнологических фирм исчисляется не сотнями, а тысячами.
О современном состоянии агробиотехнологии мы будем говорить несколько позже, а сейчас очень кратко рассмотрим принципы получения рекомбинантных ДНК и трансгенных растений.
Получение рекомбинантных ДНК как ключевой метод современной молекулярной биотехнологии
Рекомбинантная ДНК представляет собой химерную ДНК, состоящую из фрагментов ДНК различного происхождения.
Образование рекомбинантной ДНК это широко распространенное в природе явление. Однако в природе рекомбинация имеет место:
- - in vivo между молекулами ДНК, обладающими высокой степенью гомологии
- эти молекулы должны находиться внутри одной клетки.
Это означает, что рекомбинация в природе имеет место только между близко родственными видами.
Новая рекомбинантная технология:
- осуществляется in vitro
- возможна между любыми фрагментами ДНК из любых биологических организмов
Это означает, что генетическая инженерия позволяет преодолевать генетические барьеры и рекомбинировать ДНК из абсолютно различных организмов.
Более того, селекция специфических последовательностей ДНК, или генов, для вставки внутрь хозяйской ДНК является как более быстрой, так и потенциально более эффективной, чем методы традиционной селекции.
Обычно при получении трансгенных растений говорят о конструировании или инженерии растений, поскольку чужой ген вводится внутрь генома искусственным путем.
Принципы технологии генетической инженерии представлены на рисунке
.
Технология получения трансгенных растений включает 3 принципиальных момента:
- Поиск и выделение чужеродной ДНК, содержащий нужный нам ген
- Создание вектора, т.е. такой конструкции, которая обеспечивает экспрессию (работу) нужного нам чужеродного гена
- Наличие способа введения вектора внутрь растения-хозяина
Существуют по меньшей мере 3 подхода для изоляции генов или получения их копий:
1) Выделяют ДНК из растения и фрагмент ДНК с интересующим геном подвергают рестрикции (т.е. вырезанию) с помощью ферментов, т.н. рестриктаз (или рестрикционных эндонуклеаз).
Рестриктазы - это ферменты бактерий, которые узнают и разрезают ДНК в специфических последовательностях, состоящих из 4-8 нуклеотидов. Эти ферменты разрезают ДНК, как правило, на много фрагментов, т.к. рестриктазы имеют большое число сайтов рестрикции в целом геноме. Многие из полученных рестриктов будум содержать только часть гена или области, которые не могут нормально экспрессироваться. Однако различные виды бактерий продуцируют много различных ферментов рестрикции с различной спецификой, поэтому всегда можно найти фермент, который позволит вырезать фрагмент ДНК с интересующим нас геном. Этот способ позволяет получить фрагмент ДНК, содержащий реальный ген.
- Получение кДНКовой копии гена
В данном случае выделяют из растения не ДНК, а фракцию мРНК, которую и используют для прямого синтеза копии нужного нам гена. кДНК синтезируется на мРНК ферментом, который использует мРНК как матрицу.Этот фермент называется обратной рестриктазой или ревертазой. Обратите внимание, что в данном случае информация передается от мРНК к ДНК, а не наоборот, как требует того основная догма молекулярной биологии, утверждающая, что всегда информация передается по цепочке ДНК-РНК-Белок.
3) Синтез нужной последовательности ДНК (гена) с помощью ПЦР
Следующий шаг - вставка нужной ДНК в вектор, который в целом представляет собой небольшой кольцевой фрагмент двунитевой бактериальной ДНК и обычно носит название плазмиды. Существенно, что плазмида разрезается той же самой рестриктазой, что и вырезается интересующий нас ген. Это позволяет получить т.н. «липкие концы» ДНК, т.е. комплементарные последовательности ДНК на концах фрагмента и плазмиды. За счет комплементарности происходит взаимодействие концов чужеродного фраглента ДНК (нашего гена) с концами плазмиды. Полученная таким образом рекомбинантная плазмида, содержащая чужеродынй ген, может быть вставлена в клетку хозяина.
Наиболее широко используемый вектор для введения чужеродный генов в растения - Ti -плазмида бактерии Agrobacterium tumifacience, вызывающая опухоль корончатого галла. Эта бактерия является природным генным инженером, поскольку она может передавать в инфицированное растение Ti -плазмиду, которая содержит информацию для перерождения (трансформации) нормальной ткани в опухолевую. Эта информация локализована во фрагменте, получившем название Т-ДНК. Именно эта область плазмиды в норме передается в геном растения-хозяина во время инфекции.
Для использования Ti-плазмиды в качестве вектораиз из нее удаляют область, ответственную за опухолевое перерождение ткани, ту самую Т-ДНК и заменяют ее на нужный нам чужеродный ген, который должен быть клонирован. Эта операция делает бактерию авирулентной, но не лишает ее способности инфицировать и трансформировать клетки хозяина.
Векторная плазмида также содержит ген устойчивости к антибиотику (обычно, к канамицину), который позволяет легко селектировать, т.е. отбирать трансформированные растения, содержащие чужеродный ген.
Трасформация растений Agrobacterium может быть осуществлена ее совместным культивированием с протопластами или инфицированием листовых дисков. В первом случае будет иметь место инокуляция протопластов бактерией, содержащей рекомбинантную плазмиду. После 2-3 дней культивирования бактерия убивается с помощью антибиотика, и протопласты превращаются в микрокаллус. Микрокаллус далее переносится на среду с канамицином. В этих условиях выживут только те клетки, которые трасформированы рекомбинантной плазмидой, содержащей как ген устойчивости к канамицину, так и чужеродный ген.
При втором способе трансформации маленькие диски из стерильного листа (или другой ткани) могут быть инкубированы с Agrobacterium, что позволит инфицировать их бактерией на местах среза. Бактерии после этого убиваются, а клетки подвергаются селекции на среде с канамицином.
В обоих случаях - последняя стадия заключается в создании гормонального баланса в среде культивирования, который способствует регенерации растений.
Результатом является трансформированное растение, которое экспрессирует новый чужеродный ген, и этот ген наследуется генетическим способом.
Недостатком Agrobacterium как трансформирующего вектора является ограниченный спектр хозяев. Этот способ эффективен для двудольных, хотя есть сообщение об успешной трансформации этим вектором и однодольных растений.
Существуют методы и прямого переноса генов в клетки и ткани:
- Компетентность клеток поглощать ДНК может быть инициирована их инкубацией с ПЭГ или электропорацией.
- Существует способ трансформации путем микроинъекции ДНК прямо в протопласты или с помощью т.н. электронной пушки. В последнем случае частицы, обернутые в плазмидную ДНК, ускоряются до огромных скоростей. Это позволяет им пробивать клеточную стенку ипроникать внутрь клетки.
Привести примеры получения трансгенных растений.
1) Получения трансгенных растений устойчивых к листогрызущим насекомым. В качестве примера можно кратко рассмотреть технологию получения устойчивых к насекомым растений хлопчсатника.
Фирма Монсанто. Перенос в растения гена Bt -токсина из одной из бацилл. Механизм действия этого токсина. Желательность суперэкспрессии этого гена в растении.
2) Получение устойчивых к гербицидам растений. Нам всем хорошо известно, что без гербицидов сегодня немыслимо интенсивное земледелие.
В этой области химия не имеет конкурентов. Она производит их на 15 млн $. Однако химия не только решает свои проблемы, но и создает новые (высокая стоимость пестицидов, токсичность, мутагенность, тератогенность, вред для окружающей среды).
Существенным недостатком является снижение эффективности действия используемых химикатов. Так, с 1948 г до 1980 г число видов насекомых, резистентных к пестицидам возросло с 14 до 429.
Одновременно возрастает число видов растений, резистентных к самым популярным гербицидам. Только к группе триазиновых гербицидов обнаружено 57 видов, а всего число устойчивых к гербицидам видов растений превышает 120.
По данным одной из американских фирм, в 50-е годы из 1800 соединений получало выход на рынок лишь одно. В настоящее время лишь 1 из 12000 соединений попадает на рынок. Между тем стоимость разработок достигла 25 млн $ на 1 препарат. Сейчас в мире производят 200000 химических соединений в год.
Очень распространенными являются гербициды, действующие на метаболические пути фотосинтеза или синтеза аминокислот, однако они токсичны не только для сорняков, но и для культурных растений. Идеальный гербицид должен быть лишен этого недостатка.
Создание безвредных пестицидов начинается
- с идентификации звена метаболической цепи, на которое данный гербицид действует.
- Затем следует создание гена, кодирующего резистентность к гербициду, и трансформация этим геном культурного растения. Т.е. в данном случае используется логика не классической, а «обращенной» генетики, где движение идет не от фенотипа к гену, а в противоположном направлении.
В качестве примера я коснусь устойчивости растений к гербициду атразину и симазину. Оба гербицида ингибируют траспорт электронов, связываясь с белком 32 кД Д1, локализованным во второй фотосистеме. Устойчивость к этому гербициду достигается 2 путями:
- В корнях кукурузы, сорго и ряда сорняков имеется фермент глютатион-S-трансфераза, который быстро детоксифицирует гербицид, образуя его коньюгат с глютатионом.
- Генноинженерным путем также получили устойчивость к данному гербициду. Было показано, что введение лишь одной точечной мутации в ген белка 32 кДа Д1, которая приводит к-замене серина на глицин, а это сопровождается снижением на 3 порядка степени связывания белка с гербицидом. Это фактически означает, что полученные таким путем трансгенные растения абсолютно устойчивы к атразину.
В настоящее время получено много трансгенных культурных растений, резистентных к другим классам гербицидов.
Примерно такова принципиальная технология получения любых трансгенных растений.
Успехи и перспективы биотехнологии
Нет сомнения, что XXI век будет веком трансгенных растений. Трансгенные сорта, устойчивые к пестицидам, вирусам, насекомым и др. негативным воздействиям, очень быстро вытесняют старые сорта, а в США и Канаде начинают доминировать среди ряда с/х культур. Международная служба по применению агробиотехнологий приводит следующую динамику распространения трансгенных растений:
1996 - 1,7 1997 - 11,0 1998 - 27,8 га
В США трансгенные культуры занимали 20,5 млн га
В Аргентине 4,3
В Канаде 2,8
В Китай
Основными трансгенными культурами являлись в 1998 г соя, кукуруза, хлопчатник, рапс, картофель.
Трансгенным растениям придавали следующие основные признаки:
- устойчивость к гербицидам (70%)
- Устойчивость к насекомым (28% - гены Bt-токсина)
- На последнем месте находились признаки качества продукции
Появились трансгены, несущие уже по 2 признака (н-р, в 1998 г. в США зарегистрирован картофель, обладающий устойчивостью к колорадскому жуку и к основным вирусам картофеля). За 1 год площади, занятые такими культурами возросли в 10 раз.
Рост площадей под трансгенными культурами в развитых странах идет в 5 раз интенсивнее, чем в развивающихся.
Соя занимает 1-е место среди трансгенных культур (56%) по темпу прироста площадей. За ней следует кукуруза (30%), рапс (7) и хлопчатник (6%).
В 1998 г. резко увеличились площади под гербицидоустойчивой соей:
в США с 3,6 млн га в 1997 г до 10,2 в 1998 г., что составляет 36% всех площадей, занятых под соей. В Аргентине с 1,4 млн га в 1997 г до 4,3 в 1998 (55% всей площади под соей).
Под кукурузой, устойчивой к кукурузному пилильщику, площади выросли с 2,8 млн га в 1997 г до 6,5 в 1998 (22% всей площади под этой культурой в США).
Что же происходит в Европе?
Только в апреле 1998 г Европейский союз рекомендовал использование трансгенных сортов. Однако уже в этом 1998 г. в Испании на площади 20 тыс га и во Франции на 2 тыс га была высеяна устойчивая к кукурузному пилильщику кукуруза. Далее был объявлен мораторий на ГМО, который в настоящее время еще не отменен.
Какова же прибыль от трансгенных культур?
США: 1996 г. - общая прибыль 92 млн $ (61 млн при выращивании устойчивого к хлопковой сойку хлопчатника, 19 млн - за сою, устойчивую к гербициду Раундап.
1997 г. - общая прибыль 315 млн $ (от трансгенной кукурузы - 119 млн, от трансгенной сои - 109 млн, от трансгенного хлопчатника - 86 млн, от картофеля, устойчивого к колорадскому жуку - 1 млн).
В КАНАДЕ: общая прибыль в 1996 г. 5 млн $ (трансгенный рапс), 53 млн $ в 1997 г (в т.ч. за счет устойчивой к кукурузному пилильщику кукурузы).
Мировые продажи трансгенных культур
1995 г - 75 млн $, 1996 - 235 млн, 1997 - 670 млн, 1998 - 1,2-1,5 млрд $.
По прогнозам продажа трансгенных культур в мире составит 2 млрд долл. в 2000 г., 6 млрд долл - в 2005 г и 20 млрд долл - в 2010 г.
В соответствии с прогнозом газеты «Эксперт» (от 8 июня 1998 г), через 10 лет мировой объем продаж биотехнологических продуктов только с\х назначения составит более 300 млрд $.
Число стран, выращивающих трансгенные культуры
1992 г. - 1 страна, 1996 - 6 стран, 1998 - 9 стран, 2000 - 20-25 стран.
Каковы же цели получения трансгенных растений?
Помимо повышения устойчивости растений к гербицидам как таковой появилась еще 1 возможность использования генов устойчивости к гербицидам - борьба с растениями-паразитами. Намачивание семян гербицидоустойчивых сортов в растворе гербицида или обработка его раствором проростков сопровождается торможением роста и ингибированием прорастания семян растений-паразитов (н-р, заразихи), но не культурных сортов с/х растений.
В самое последнее время появляются сорта трансгенных растений, сочетающие устойчивость к вредителям, гербицидам и болезням с повышением качества продукции за счет увеличения доли незаменимых АК в белках, увеличения содержания белков, жиров и углеводов, способные храниться более длительный срок без ухудшения качества.
Очень перспективным представляется создание трансгенных растений, несущих гены, кодирующие синтез вакцин против различных болезней человека. Поедание сырых овощей и фруктов, содержащих белки вакцин, обеспечивает оральную вакцинацию. Причем этот путь получения вакцин является фантастически дешевым по сравнению с тпрадиционными путями их получения. В настоящее время получены растения трансгенного картофеля, которые синтезируют сыворотку против вируса, вызывающего эпидемический гастроэнтерит у человека.
Получены, по первой информации, также растения картофеля, способные производить белки сыворотки против энтеротоксина холеры.
Используются новые подходы для получения устойчивых к заболеваниям растений. Установлено, что все растения, особенно прорастающие семена, содержат небольшие пептиды (45-54 АК, богатые цистеином), т.н. дефензины Трансгенные растения табака с геном дефензина редьки под 35S промотором характеризовались снижением в 7 раз размера пятен, вызываемых инфекцией патогена Alternaria solani.
Оригинальным является использование антибактериального пептида саркотоксина 1А мясной мухи для получения трансгенных растений табака с повышенной устойчивостью к ряду патогенов.
Создаются трансгенные растения, обладающие способностью конститутивно синтезировать элиситоры, что обеспечивает повышенную устойчивость растений, н-р, к Pseudomonas.
Качество зерна злаков (н-р, кукурузы) сильно снижается при поражении патогенными грибами такими как Fusarium. Эти грибы синтезируют т.н фумонизины, которые являются токсичными, придающими зерну плохой вкус и запах. Фирма "Пионер" начала клонировать ферменты деградации фумонизинов, что предотвратит падение качества семян при поражении их грибами.
Китайские биотехнологи создали полностью синтетические гены для защиты растений от бактериальных болезней. На основании анализа структуры и функции 12 естественных антибактериальных пептидов против вилта картофеля, они синтезировали 3 новые полипептида, обладающих предположительно более высокой защитной функцией.
Наметился прорыв в генетике минерального питания.
Выделен ген, отвечающий за транспорт фосфатов в растениях арабидопсиса и томатов. Этот ген активно экспрессируется при снижении содержания фосфатов в питательном растворе. Пытаются получить трансгенные растения, способные более эффективно поглощать фосфор.
Усиление транспорта нитратов в растениях.
Ген CHL1 арабидопсиса контролирует транспорт нитратов и влияет на их поглощение корнями из почвы. Трансгенные растения арабидопсиса с геном CHL1 обладали повышенной способностью поглощать нитрат. Растения риса с несколькими негами транспорта нитрата из арабидопсиса также более эффективно поглощали нитрат.
Появились первые сообщения о получении устойчивых к холоду растений. Эти растения заставили активно и конститутивно экспрессировать ген, кодирующий фактор транскрипции CBF-1, регулирующий работу многих COR-генов, которые включаются в ответ на понижение температуры. Полученные тарнсгенные растения обладали повышенной устойчивостью к низким повреждающим температурам.
Большое внимание исследователей привлекает получению растений, устойчивых к активированному кислороду или к свободным радикалам кислорода, которые образуются при протекании физиологических процессов особенно в условиях стресса. Система инактивации свободных радикалов кислорода очень сложна, одним из ее компонентов является SOD. В настоящее время получены ряд растений содержащих чужеродный ген SOD. Н-р, растения люцерны активно экспрессировали этот ген, обладая при этом повышенной устойчивостью к гербициду акирфторфену и повышенной регенерационной способностью после повреждения заморазками.
Получение стресс-толерантных (т.е. устойчивых не к 1, а ко многим повреждающим воздействиям) растений (комментарии)
Разработан новый подход для получения бессемянных плодов и овощей в дополнение к уже имеющимся апельсинам и винограду, основанный на экспрессии гена iaam Pseudomonas, кодирующего фермент синтеза ауксина. Если этот ген подставить под промотор гена DefH9 львинного зева, который экспрессируется только в клетках семяпочек, у образовавшихся трансгенных растений табака в неоплодотворенных семяпочках синтезируется ауксин, что имитирует возрастание его уровня в семяпочках после оплодотворения. В сформировавшихся плодах баклажана отсутствовали семена. Причем в этом случае бессемянные плоды завязывались при низких температурах и неблагоприятном фотопериоде, когда в контроле образования плодов не происходило.
Использование трансгенных растений может быть сопряжено с определенными проблемами экологического и даже общебиологического характера, в частности с представляет угрозу обмен генов между сконструированными трансгенными растениями и родственными им культурными и дикими видами. Одним из подходов для решения этой проблемы является создание семян, обладающих мужской стерильностью.
Альтернативным подходом является внесение желаемых генов в хлоропластный геном. Для большинства видов культурных растений хлоропласты наследуются строго по материнской линии и т.о. трансгены не будут передаваться с пыльцой.
Одним из преимуществ внесения генов в хлоропластный геном является очень высокий уровень экспрессии трансдуцированных генов, что связано с большим количеством копий хлоропластного генома в клетке (5000-10000) и высокой эффективностью работы аппаратов транскрипции и трансляции пнри внесении прокариотических генов в прокариотический по природе хлоропластный геном.
По данным Малиги и др , введенные в хлоропласты трансгены экспрессировались весьма активно. При трансформации гена cry1A (с) из Bacillus его экспрессия достигала 3-5% от растворимого белка листье табака (это очень высокий процент). При самоопылении этих растений и проращивании полученных семян на среде с гербицидом все прорастающие растения были гомопластичны, т.е. имле только трансформированные хлоропласты.
Одним из новейших направлений использования трансгенных растений является их применение для фиторемедитации - т.е. очистки почв, грунтовых вод от загрязнений - тяжелых металлов, радионуклидов и т.п. Задача заключается в том, чтобы научить растения аккумулировать максимальное количество ТМ или радионуклидов в листьях или в корнях, что и позволит очищать окружающую среду. Задача может быть и иной - получение растений - не аккумулирующих загрязняющие агенты в тех органнах, которые используются человеком в пищу. Например, салат леттук и табак накапливают кадмий в основном в листьях, тогда как другие растения - в корнях.
Для создания подобных растений пытаются использовать фитохелатины - маленькие пептиды, которые используются в растительном мире для связывания и, т.о. для инактивации ТМ. Другим подходом может быть использование генов металлотионеинов - богатых цистеином белков, также способных связывать ТМ. В настоящее время получены трансгены, содержащие лишь ген металлотионеина, но не фитохелатинов.
Для интоксикации ртути, получены трансгенные растения табака, рапса, тополя и арабидопсиса, которые способны аккумулировать до 80% ионов ртути в условиях гидропонной культуры. Для этого использовали ген merA устойчивой к ртути бактерии, кодирующих белок переноса и детоксикации ртути. Полученные трансгенные растения не обнаруживали ингибирования ртутью роста или метаболизма, т.е. имели повышенную устойчивость к этому токсичному металлу.
Растения и паутина.
Дебабов В.Г. и ИФР РАН
Как должен работать чужеродный ген - конститутивно или индуцибельно?
Во многих случаях вынгодно, чтобы ген обладал не конститутивной экспрессией, а индуцибельной, т.е. включался только в определенное время, на определенной стадии развития, в требуем органе или ткани. Для решения этой проблемы предложена экспрессия генов, индуцируемая химическими соединениями. В качестве генов, индуцируемых химическимим соединениями, был выбран промотор alc Aspergillus. Получены трансгенные растения рапса, табака и томатов, у которых репортерные гены CAT и GUS экспрессировались под промотором alcA, содержащих сайты активации транскрипции ALCR. Эти репортерные гены активировались через 4 час при низких концентрациях этанола. Могут быть созданы генноинженерные конструкции, которые будут активироваться в ответ на световую обработку, на повышение, или, напротив, на понижение температуры.