ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Улучшение качества и повышение продуктивности растений методами генной инженерии из "Сельскохозяйственная биотехнология Изд2" При экспрессии чужеродных генов в геноме растений возникает ряд проблем. [c.63] Первые гены, которые использовались для трансформации растений, были выделены из бактерий, и их нельзя было напрямую использовать для трансформации растительных клеток. Для того чтобы бактериальные гены транскрибировались в эукариотической клетке необходимо заменить их исходные бактериальные промоторные последовательности либо на промоторы растительных генов, либо на другие, которые могут инициировать транскрипцию в растительной клетке. Кроме того, необходимо присоединить к З -последовательности бактериального гена фрагмент, содержащий сигнал полиаденилирования. Такие модификации необходимы для того, чтобы эукариотическая РНК-полимераза могла транскрибировать бактериальную последовательность, и затем мРНК транслировала бактериальный белок в растительной клетке. [c.63] В качестве промотора для экспрессии бактериальных генов наиболее часто используют промотор 35S-PHK вируса мозаики цветной капусты ( aMV). Такой выбор решает сразу две проблемы во-первых, промоторы двудольных могут в ряде случаев не работать в геноме однодольных, и наоборот, а промотор 35S aMV обеспечивает транскрипцию в любых геномах растений. Во-вторых, большинство эукариотических промоторов являются довольно слабыми, а 358-промотор aMV обеспечивает очень высокий уровень экспрессии гена, находящегося под его контролем. В ряде случаев при трансформации растительной клетки растительным геном все равно заменяют его собственный промотор на промотор 358 aMV, как более сильный, чтобы повысить выход белкового продукта. [c.63] Промотор 35S aMV является конститутивным, что обеспечивает постоянную, сильную экспрессию гена, который находится под его регуляцией, во всех тканях трансгенного растения. Именно поэтому промотор 35S aMV является самым используемым в векторных конструкциях для трансформации растений. В последнее время иногда используют искусственно полученный МАС-промотор, который представляет собой удвоенную последовательность 35S aMV. [c.64] Также используют так называемые индуцибельные промоторы. В отличие от конститутивного промотора 35S aMV гены под такими промоторами экспрессируются не постоянно, а только в определенных условиях. Например, промоторы, которые индуцируются поранением, ме-талл-индуцибельные — в присутствии ионов металлов (меди, железа и т. п.). Таким образом, включение — выключение гена под контролем таких промоторов легко регулируется. Индуцибельные промоторы все чаще используются в генетической инженерии, и не только растений. Недостатком многих тканеспецифичных и индуцибельных промоторов является их слабая активность. [c.64] Помимо промотора на экспрессию трансгена влияет также место интеграции в растительный геном. И хотя считается, что последовательность Т-ДНК может встраиваться в геном в любом месте, однако, в ряде работ показано, что это происходит не случайным образом. Очень часто Т-ДНК встраивается в гетерохроматиновые участки, где экспрессии гена не происходит, и трансген под любым даже сильным промотором транскрибироваться не будет. Ситуацию можно преодолеть только повторными трансформациями. [c.64] Одной из основных задйм улучшения растений является повышение качества синтезируемых проду1с д белков, жиров, полисахаридов и других веществ, определяющих их питательную и техническую ценность. [c.65] У злаков наибольший интерес представляют запасные белки эндосперма. Запасные белки, в основном, кодируются несколькими, сходными по своей структуре и по щгйнготидному составу, генами, объединяемыми в мультигенные семейства. Обычно экспрессия этих генов строго тканеспецифична и происходит на определенной стадии развития семени. В большинстве случаев запасные белки растений имеют несбалансированный для питания человека и животных аминокислотный состав. Так, запасные белки бобовых — легумины — характеризуются низким Уровнем аминокислоты метионина, а запасные белки злаков — пролами-ны — бедны лизином, триптофаном и треонином. Дефицит этих аминокислот снижает питательную и кормовую ценность семян. [c.65] Улучшение аминокислотного состава белка методами традиционной селекции довольно затруднительно в связи с тем, что гены, определяющие эти важные сельскохозяйственные признаки, часто бывают сцеплены и наследуются вместе с генами, вызывающими нежелательные признаки. Так, использование в селекции кукурузы и ячменя мутантов типа опак-2, хайпроли, имеющих относительно высокое содержание лизина в зерне, не привело к значительному улучшению качества, так как у мутантных форм повышенное содержание лизина коррелировало с уменьшением синтеза основных запасных белков зеина и гордеина и, в конечном итоге, с уменьшением продуктивности растений и урожайности посевов. [c.65] В связи с этим наиболее перспективным является использование ген-но-инженерных методов при создании новых сортов, что позволяет ввести в геном только полезный признак, без сцепления с отрицательными свойствами. Так, например, введение дополнительных кодонов лизина в гены проламинов может привести к синтезу белков, обогащенных лизином, и улучшению кормовой и питательной ценности белка. [c.65] Синтез запасных белков имеет жесткую регуляцию гены экспрессируются только в единственной ткани (проламины злаков только в эндосперме зерна) и в течение короткого периода развития зерна. Исследование генов запасных белков показало общность их строения, что представляется логичным, так как они выполняют одинаковую функцию. Так, общим для подавляющего большинства генов запасных белков является отсутствие интронов. Кроме этого, у них на расстоянии 300 н. п. от точки начала транскрипции расположена специфическая последовательность в 25 н. п., названная эндосперм-боксом. Была определена функция эндосперм-бокса и показано, что именно от присутствия этой 25-нуклеотид-ной последовательности зависит тканеспецифичная экспрессия генов запасных белков в эндосперме зерна. Более того, продукт любого гена, перед которым находится последовательность эндосперм-бокса, синтезируется только в семенах или зернах, и представлялось логичным включение ее в состав векторов, содержащих модифицированную последовательность генов проламиновых белков с целью их последующего депонирования в семенах или зернах. [c.66] Модифицированный ген а-зеина был клонирован в область Т-ДНК вектора для трансформации. В состав конструкции также входила последовательность эндосперм-бокса, что приводило к тканеспецифичной экспрессии а-зеина в семенах. Были получены растения кукурузы, трансформированные геном модифицированного а-зеина, обогащенного лизином (рис. 2.5). Модифицированный белок активно синтезировался в семенах трансгенных растений кукурузы. В результате получены линии кукурузы с улучшенным качеством зерна. В дальнейшем такие трансгенные линии могут использоваться для выведения новых гибридов и сортов методами классической селекции. [c.67] Аналогично были получены трансгенные растения пшеницы. Введение в геном растения модифицированного гена высокомолекулярной субъединицы белка глютенина с измененной последовательностью приводит к активному синтезу модифицированного белка и влияет на состав и уровень соответствующих запасных белков, что приводит к улучшению хлебопекарного качества пшеничной муки. [c.68] Одним из новых подходов к улучшению состава белков является конструирование химерных генов на основе известной последовательности генов запасных белков однодольных и двудольных. В качестве исходных были использованы гены гордеина В1 ячменя и легумина В4 бобов. Конструкцией, содержащей такой химерный ген, были трансформированы растения табака и получены трансгенные линии растений. [c.68] Таким образом, реальной становится возможность манипулирования белковым составом эндосперма зерновых методами генетической инженерии. [c.68] Помимо получения растений с измененными запасными белками было показано, что трансгенные растения могут быть использованы в качестве производителей съедобных вакцин. Так, получены растения табака и картофеля, синтезирующие иммуноглобулин А — С, энтеротоксин, В-токсин холеры, белок поверхностного антигена гепатита В. Белок, полученный из трансгенных растений, обладал такими же антигенными и физиологическими свойствами, как и белок, полученный из животных клеток. В настоящее время проводятся испытания по вакцинированию человека против гепатита В с помощью трансгенных растений. Из этого следует, что использование трансгенных растений может привести в будущем к получению дешевых и биологически высокоактивных вакцин. [c.68] Помимо получения трансгенных растений с модифицированными запасными белками зерновых и бобовых проводятся работы по улучшению состава жирных кислот ряда масличных культур, и в первую очередь рапса. Семена рапса характеризуются высоким содержанием масла, однако, из-за большого количества в нем специфической длинноцепочечной эруковой кислоты, а также глюкозинолатов вкусовые и питательные качества рапсового масла резко снижаются. С помощью генетической инженерии и последующей селекции были получены сорта рапса, содержащие гены, контролирующие длину молекулы жирных ислот, что привело к снижению доли эруковой кислоты и улучшению к ачества рапсового масла. Аналогичные работы ведутся по получению модифицированных жирных кислот с повышенным содержанием ненасыщенных связей, что позволит получать растения, синтезирующие новые ценные жирные кислоты. Кроме того, в последнее время было показано, что изменение состава жирных кислот может приводить к повышению устойчивости растений к ряду насекомых, а также к действию пониженных температур. [c.68] Одним из приоритетных направлений в селекции является повышение урожайности новых сортов. Генно-инженерные разработки активно ведутся в следующих направлениях увеличение фотосинтетической активности и увеличение синтеза отдельных веществ. [c.69] Вернуться к основной статье