Трансгенные растения как источник устойчивости к стрессовым факторам

В течение 150 лет селекция растений довольствовалась методами отбора естественных мутаций и воздействия на растения такими мутагенными факторами, как радиоизлучение и химические соединения (например, колхицин), для получения новых сортов сельскохозяйственных культур. С развитием биотехнологических методов и методов молекулярной биологии появилась возможность получения на новой основе и растительных объектов. Так, уже в 1981 году Шелл с сотрудниками создал первое трансгенное растение с помощью генной инженерии – сорт табака с генами устойчивости к вредителям. С тех пор направление селекции по созданию трансгенных растений основной задачей ставит создание растений, устойчивых как к возбудителям болезней и вредителям, так и к другим стрессовым факторам (засухой, засолением, заморозками) [5, 6].
Создание трансгенных организмов позволяет решать многочисленные проблемы, существующие в отрасли производства не только продуктов питания, но и в декоративном садоводстве, в косметической отрасли, в текстильной промышленности и в других направлениях деятельности человека. Создание зерновых культур с повышенным содержанием глютенов (глиадином и глютелином) позволяет получать особенно высококачественную муку с высоким содержанием клейковины, что позволяет получать макаронные изделия и хлебные изделия с высокой способностью к пышности. Получение «золотого риса» с повышенным содержанием каротина за счет генов, внедренных от нарцисса, позволяет снять проблему недостатка витамина А у жителей Азии, питающихся преимущественно рисом. Выведенные благодаря тренсгенным методикам овощи семейства пасленовых (томаты, баклажаны, перец) обладают повышенной лежкостью за счет снижения интенсивности образования этилена, стимулирующего образование пектиназ, и увеличения за счет этого сроков хранения плодов. Многочисленные виды косметической продукции, включающие детергенты (шампуни, зубная паста, средства для ухода за кожей, для мыться посуды или одежды) не могут быть произведены без производных лавровой кислоты или лаурилсульфат (додецилсульфат) натрия. Основным источником лавровой кислоты является масло гвинейской масличной пальмы, но сейчас создан рапс с геном калифорнийского лавра, который станет источником лавровой кислоты для косметической отрасли в умеренной климатической зоне. Особенно важными направлениями в создании трансгенных растений являются получение форм с повышенной холодостойкостью и определенные успехи достигнуты в получении таких форм у теплолюбивых культур (томатов, огурца, табака). Ученые создали синие розы за счет внедрения соответствующих генов антоцианов от анютиных глазок. Огромное разнообразие цветовых решений у декоративных травянистых культур тоже является результатом трансгенных технологий. Трансгенному изменению подвергают и животные организмы. Например, осуществлено создание сверхпрочных тканей за счет внедрения генов паука в состав генома бактерий [35].
Особое внимание уделяется в современной селекции созданию трансгенных растений с устойчивостью к болезням. Так, благодаря переносу в растения табака гена, кодирующего 54kDa фрагмент репликазы вируса табачной мозаики (TMV), были получены линии СР-трансгенных растений с признаками устойчивости не только к вирусу табачной мозаики, но и к другим родственным вирусам. Перенос в горох гена, кодирующего 54kDa фрагмент репликазы вируса раннего покоричневения гороха (PEBV), также позволил получить трансгенные линии гороха с устойчивостью к вирусам, которые содержат копии трансгенов в двух локусах, хотя только один из них необходим для индукции устойчивости. Уровень устойчивости обратно пропорционален уровню трансгенного транскрипта и в действительности полученная устойчивость основана на механизме посттранскрипционного генетического сайленсинга. Таким же образом были получены трансгенные линии табака с модифицированными генами репликазы CMV и PVX. Очень интересным направлением в генной инженерии является создание растений-биодеградаторов, которые способны поглощать тяжелые металлы и другие ксенобиотики из окружающей среды, очищать почву от нефтепродуктов. Именно табак является культурой, чаще всего используемой для получения трансгенных линий с такими свойствами. Кроме того, генная инженерия позволяет получать растения с животными белками, например, в Китае выведена форма табака, способная синтезировать белок лактоферрин. Постепенно генетические исследования в направлении создания трансгенных растений распространяются по всему миру. В России пока не производятся в промышленном масштабе трансгенные формы в силу законодательного запрета, но уже в условиях эксперимента создана форма трансгенного картофеля, устойчивого к картофельным листоедам [5]

.
Растения, реагируя на инфицирование возбудителями болезней, способны индуцировать специфические РR-белки (pathogenesis related proteins), из которых наиболее изучены хитиназы и β-1,3-глюканазы, особенно эффективно ингибирующие рост грибов и отдельных видов бактерий. Были получены трансгенные растения табака, хлопка, кукурузы, рапса, томата, риса, картофеля, люцерны, турнепса и других, экспрессирующих ген хитиназы под контролем промотора 358 СаМV. У этих растений наблюдалась устойчивость к грибной инфекции. В настоящее время получены трансгенные сорта табака, рапса, томатов, картофеля с повышенной устойчивостью к Rhizoctoniа, растения табака — к Cercospora nicotiana. Еще одна группа низкомолекулярных белков (цистеиновые белки, ингибиторы галактуроназ, растительные дефензины, MF-белки) являются факторами неспецифической устойчивости растений к микозам, бактериозам и вирозам. У трансгенных растений, способных к экспрессии этих белков, отмечается устойчивость к заболеваниям. Такие трансгенные растения получают методом введения с помощью генно-инженерной технологии трансформированного генома белка оболочки вируса, что является основой способности таких линий табака и картофеля к ингибированию размножения вируса табачной мозаики. Современные достижения селекции включают линии табака, которые, помимо устойчивости к ВТМ, резистентны к вирусу тыквенной мозаики, а также формы картофеля и кукурузы, устойчивые к вирусам скручивания листьев, линии ячменя, резистентные к вирусу карликовости, сорт тыквы, обладающий устойчивостью сразу к трем вирусам. Гены, обеспечивающие синтез фитоалексинов, обладающих фунгицидным и бактерицидным действием, такжзе способствуют трансформации растительных клеток. Именно с помощью внедрения этих генов в томат и картофель удалось получить устойчивые к фитофторозу и фузариозу линии этих культур, а внесение их в табак дало трансгенные линии этой культуры, устойчивые к серой гнили. Результат технологии внедрения генов, инициирующих синтез фитоалексинов, позволил получить четыре трансгенных коммерческих сорта картофеля, устойчивые к Y вирусу (РVY) и вирусам скручивания листьев (РLRV), сорт тыквы, устойчивый одновременно к трем различным вирусам, сорт папайи, устойчивый к круговому вирусу папайи (РRV). На примере гербицида Атразина было показано, что устойчивость к гербициду связана с возникновением точечной мутации в гене рbсА, что приводит к замене в белке аминокислотного остатка серина на глицин. Такие замены в белке Qb приводят к резкому уменьшению связывания гербицида с ферментом-мишенью. В результате возникает устойчивость к гербициду. Мутантный ген рbс А был встроен в векторные конструкции для трансформации растений. Полученные трансгенные растения были устойчивы к атразину. Аналогично показано, что замена аланина на аргинин в белке EPSP-синтетазы, который кодируется геном аrоА бактерии Еscherichia соli, приводит к возникновению устойчивости к действию гербицида глифосата. Это было использовано для трансформации клеток табака, томатов, сахарной свеклы и картофеля мутантным геном аrо А и получения трансгенных растений, устойчивых к гербициду. Введение в геном растений бактериального гена bar приводит к появлению устойчивости к гербициду ВАSТА. Было показано, что белок, кодируемый bar-геном, фосфинотрицинацетилтрансфераза - ацетилирует активный компонент гербицида фосфинотрицин, что приводит к его инактивации. В последнее время bar-ген стал использоваться и в качестве селективного маркера в генно-инженерных векторах. Введение в геном риса гена, кодирующего фермент протопорфирино-генсинтетазу (Protox, выделенного из бактерий В. subtillis), привело к повышению устойчивости трансгенных растений к гербицидам дифенилэфирового ряда. При этом был показан механизм антигербицидного действия: повышенная экспрессия этого белка Ргоtох нейтрализует действие гербицида, чем и обусловлено повышение устойчивости к нему. При этом была показана прямая зависимость между числом встроенных копий гена и уровнем устойчивости. Всего в мире трансгенными сортами и гибридами, устойчивыми к гербицидам, засеяно около 34 млн. гектаров, или 80% от всех посевов трансгенных сортов [5].
N. Sade с соавторами [32] показали, что активированный стрессом ген AQPNtAQP1 вовлечен в повышение эффективности транспирации растений, подвергшихся стрессу, путем сочетания трех независимых, но взаимодополняющих свойств: первое включает повышение проницаемости CO2 для мезофилла, что приводит к увеличению скорости фотосинтеза; второе включает в себя увеличение устьичного отверстия; третье включает поддержание постоянного осмотического давления в корне, таким образом предотвращая гидравлический отказ при более высоких напряжениях ксилемы