БИОЛОГИЯ Том 3 - руководство по общей биологии - 2004

25. ПРИКЛАДНАЯ ГЕНЕТИКА

25.4. Трансгенные растения

25.4.1. Введение новых генов в растения

Использование Agrobacterium

Самый эффективный метод переноса генов в растения — использование в качестве вектора почвенной бактерии Agrobacterium tumefaciens. Эта бактерия содержит плазмиду, в которую можно встроить необходимый для переноса ген. Agrobacterium tumefaciens заражает большинство двудольных растений и вызывает у них образование больших наростов, называемых корончатыми галлами, которые представляют собой подобие раковой опухоли (рис. 25.13). В норме в ответ на повреждение растение выделяет химические вещества, стимулирующие клеточное деление; при этом образуется группа клеток, называемых каллусом, которые быстро закрывают рану. Химические вещества, выделяемые поврежденными клетками растения, стимулируют и клетки Agrobacterium, которые заражают рану и вызывают образование галла. Этот процесс контролируется бактериальной плазмидой (Ti-плазмида; от англ. tumor-inducing). Она проникает в растительную клетку и встраивается в ДНК растения. Это приводит к нерегулируемому росту. Сама бактерия не попадает в клетки, но может жить между ними, используя питательные вещества, которые производят растительные клетки под контролем плазмидной ДНК. Клетки растений, содержащие встроенную в их геном Ti-плазмиду с чужеродным геном, называются трансформированными.

К сожалению этот метод долгое время был неприменим к однодольным растениям, к которым относятся такие важные сельскохозяйственные культуры, как кукуруза и пшеница. Однако сейчас эта проблема решена. Метод трансформации используется для улучшения сортов томатов, картофеля и многих древесных растений.

С помощью техники клонирования, описанной в разд. 21.3, из одной трансформированной клетки можно получить целое растение. Для этого клетки сначала выращивают в жидкой культуре, затем образовавшуюся недифференцированную массу, называемую каллусом, помещают на питательный агар. При правильном соотношении гормонов формируются побеги, корни и вырастает новое растение. Другой способ получения трансформированных растений подразумевает использование Agrobacterium. Диски, нарезанные из листьев, заражают бактерией и раскладывают на питательном агаре. В процессе роста трансформированные клетки формируют корни и побеги.

Рис. 25.13. А. Введение нового гена в растительную клетку с помощью Agrobacterium. Б. Корончатый галл, образующийся при заражении раны бактерией Agrobacterium.

Использование вирусов

В генной инженерии бактерий роль векторов обычно играют бактериофаги (вирусы бактерий); вероятно, для трансформации растений можно использовать растительные вирусы.

Использование «ружья»

Неожиданно эффективным оказалось введение чужеродной ДНК в клетки растений с помощью специального ружья. Нужная ДНК упаковывается в золотые или вольфрамовые бусинки диаметром 1 мм. Их размещают на кончике пластиковой пули, которую вставляют в ствол специально сконструированного ружья. В первоначальном варианте пуля выстреливалась обычным способом, т. е. с помощью взрывного заряда, однако сейчас для выстрела используют сжатый газ. Пуля разрывается в камере на поверхности, имеющей микроскопические отверстия. Некоторые из частичек упакованной ДНК попадают через эти отверстия в мишень, которой являются растительные клетки или ткани. Выстрел производится в вакууме, поэтому частички ДНК не оседают. Они обнаруживаются в цитоплазме трансформированных клеток.

25.4.2. Устойчивость к вредителям — инсектициды

Насекомые наносят огромный вред сельскохозяйственным растениям и животным. С середины XX века для борьбы с насекомыми-вредителями стали использовать различные химические вещества, в том числе ДДТ. Влияние этих веществ на окружающую среду в то время было неизвестно. Лишь осознав масштабы экологических разрушений от применения инсектицидов, люди стали задумываться об альтернативных стратегиях. Одна из них - биологические способы борьбы с насекомыми-вредителями.

Почвенная бактерия Bacillus thuringiensis, которую некоторые биологи сокращенно называют Вt образует белковый токсин, эффективный против многих вредных насекомых. Он в 80 000 раз мощнее, чем фосфорорганические инсектициды, которые обычно распыляют на сельскохозяйственные культуры, и при этом весьма специфичен — убивает только насекомых определенных видов. Различные штаммы В (действуют на разных насекомых (главным образом на их личинок): бабочек, равнокрылых и двукрылых. Некоторые штаммы Bt убивают даже круглых червей, также являющихся вредителями. Токсин специфически связывается с внутренней поверхностью кишечника насекомых и повреждает эпителий; в результате переваренная пища не всасывается и личинка гибнет от голода (рис. 25.14). Распылять на растения можно сами бактерии, их споры и даже токсин; правда, для этого его необходимо отделить от спор и стабилизировать с помощью белковой инженерии. Однако более хитроумный подход заключается в том, чтобы ген, ответственный за образование токсина, ввести с помощью генной инженерии в клетки растения, обеспечив таким образом его постоянную защиту. Метод был успешно опробован на некоторых растениях, в частности на кукурузе, В полевых испытаниях обычные растения и растения, несущие ген токсина, были заражены личинками зернового точильщика. Результаты регистрировались через 6 нед. Средняя длина туннелей, проделанных вредителем, у трансгенных растений составляла 6,3 см, а у обычных растений — 40,7 см. В настоящее время ген бактериального токсина удалось ввести в клетки картофеля, томатов, хлопчатника, риса и других сельскохозяйственных культур.

Рис. 25.14. Личинка белок рынки через шесть дней после поедания растения, обработанного токсином Bt. Личинка мертва и разлагается.

Еще один подход, не основанный на использовании бактерий, также оказался успешным. Некоторые растения из семейства бобовых образуют полипептиды, которые ингибируют протеиназы в кишечнике определенных насекомых-вредителей. При этом насекомые теряют способность переваривать белок и гибнут. Соответствующие гены были перенесены в клетки сельскохозяйственных растений, у которых семена обычно поражаются этими вредителями. Полевые испытания прошли успешно.

В настоящее время методами генной инженерии пытаются защитить растения и от других вредителей, таких как грибы, бактерии и вирусы. Использование трансгенных растений, устойчивых к вредителям, имеет три главных преимущества по сравнению с другими формами борьбы:

1) пестициды стоят дорого и их применение требует времени; 2) пестициды убивают как вредных, так и полезных насекомых (например, опылителей); 3) некоторые пестициды накапливаются в окружающей среде и способны оказывать мутагенный эффект на животных нескольких поколений.

25.4.3. Устойчивость к вредителям - вирусы

Вирусы растений наносят существенный вред сельскому хозяйству. Первые попытки получить с помощью генной инженерии устойчивые к вирусам сорта были сделаны на растениях табака. Табак поражается РНК-содержащим вирусом, называемым вирусом табачной мозаики (ВТМ — рис. 2.18). Этот вирус опасен и для томатов; ежегодные потери от него в США превышают 50 млн. долл. С помощью Agrobacterium ген из ВТМ, кодирующий белок оболочки этого вируса, был введен в растения табака. Испытания показали, что трансгенные растения гораздо более устойчивы к ВТМ, нежели растения из контрольной группы. В данном случае имеет место своего рода вакцинация (рис. 25.15). Позднее аналогичные эксперименты были проведены на картофеле, томатах и люцерне с целью их зашиты от поражения вирусом.

Рис. 25.15. Вирус табачной мозаики вызывает образование мозаичных пятен на листьях зараженных растений.

25.4.4. Культуры, устойчивые к гербицидам

Еще одно перспективное направление генной инженерии сельскохозяйственных растений — введение в их геном аллелей, контролирующих устойчивость к гербицидам. Если поля, засеянные такими культурами, обработать гербицидом, погибнут только сорняки. Между тем даже в развитых странах, где используются современные методы агротехники, сорняки снижают урожай сельскохозяйственных культур почти на 10%. Подсчитано, что применение устойчивых к гербицидам сортов в некоторых районах Африки, где имеются серьезные проблемы с сорняками, а люди страдают от недостатка пищи, повысит урожайность кукурузы, пшеницы, сорго, подсолнечника и бобовых в 2—4 раза. В развитых странах уже используются генетически модифицированные сорта кукурузы, пшеницы, сахарной свеклы и рапса, устойчивые к гербицидам.

25.4.5. Азотфиксация

Перспективная задача сельского хозяйства — введение в культурные растения генов, контролирующих азотфиксацию. Азотфиксация — это процесс, в ходе которого атмосферный азот восстанавливается в клетках до аммония и затем используется для синтеза белка и других органических веществ. Эти химические преобразования осуществляются особыми, азотфикеирующими бактериями, которые живут в корневых клубеньках бобовых растений, таких как горох, бобы, люцерна и клевер. Эти растения находятся в выгодном положении. В отличие от других культур, не способных усваивать азот из атмосферы, они не нуждаются в подкормке азотными удобрениями. В 1987 г. в мировом масштабе было использовано более 60 млн. т таких удобрений. Если бы растения несли свои собственные гены азотфиксации, можно было бы сберечь огромное количество времени, денег и энергии, которые тратятся на изготовление, транспортировку и внесение удобрений. Однако получение растений, способных усваивать атмосферны й азот — задача очень трудная, поскольку азотфиксация — это сложный процесс, контролируемый большим числом (около 15) генов (nif-гены). Несмотря на то, что генетики уже проделали огромную работу, до сих пор они еще не добились правильного функционирования «nif-генов в клетках растений.

25.4.6. Трансгенные томаты

Мягкие плоды, такие как томаты, бананы и красный перец, обычно собирают зелеными и уже в хранилищах с помощью газа этилена искусственно доводят до созревания (разд. 16.2.9). Плоды собирают еще твердыми, чтобы они меньше повреждались при механизированном сборе урожая и загрузке в контейнеры. Применение этой технологии обеспечивает максимально привлекательный вид товара, однако вкус и аромат у плодов практически отсутствуют. С помощью генной инженерии американские и английские генетики создали томаты с замедленным процессом созревания. Такие плоды могут дольше оставаться на растении; при этом повышается урожай и улучшаются вкусовые качества, В выгодном положении оказываются как фермеры, так и покупатели. В США такие томаты впервые поступили в продажу в 1995 г., а в Великобритании в 1996 г. Они дороже, но существенно лучше на вкус. Проблемы безопасности использования пищевых продуктов, полученных с помощью генной инженерии, мы обсудим в разд. 25.6.

25.4.7. Другие направления генной инженерии растений

1. Создание новых окрасок, узоров и форм цветков. Проводятся, например, эксперименты по выведению голубых роз.

2. Использование генетически модифицированных растений для производства лекарственных препаратов. Такие препараты будут дешевле их аналогов, получаемых с помощью клеток животных. В клетках растений уже экспрессирован ген энкефалина человека.

3. Использование растений для получения мышиных моноклональных антител.

4. Улучшение хлебопекарных свойств пшеницы за счет повышения качества зерна.

5. Повышение пищевой ценности растительных продуктов за счет увеличения содержания незаменимых аминокислот, например, многим бобовым не хватает серусодержащих аминокислот. Исправить этот недостаток можно с помощью генов из американского ореха.