16.16: Трансгенные растения

Технология рекомбинантной ДНК, называемая трансгенезом, часто используется для добавления чужеродного гена или удаления вредного гена из организма. Такие генетически модифицированные организмы называются трансгенными организмами.

Первым в истории трансгенным растением было растение табака, выведенное в 1983 году и проявившее устойчивость к вирусу табачной мозаики. С тех пор было разработано и коммерциализировано множество трансгенных растений для повышения сельскохозяйственной, декоративной и садоводческой ценности сельскохозяйственных растений. Трансгенные растения также можно использовать в качестве биореактора для производства экономически важных метаболитов или белков.

Физические методы переноса генов растениям

Для переноса чужеродного гена в протопласт растения можно использовать многие методы, такие как электропорация и бомбардировка микроснарядами. Во время электропорации устройство подает импульсы высокого напряжения на суспензию протопластов. Это увеличивает проницаемость протопласта, позволяя чужеродной ДНК проникать в клетку и интегрироваться в геном растения.

Напротив, во время бомбардировки микроснарядами или биолистического метода сферические частицы из вольфрама или золота (микроснаряды) покрываются плазмидой, несущей интересующий ген. Частицы с покрытием затем ускоряются до скорости от 300 до 600 м/с с помощью инструмента, называемого пистолетом для частиц. В приборе используется газообразный гелий под высоким давлением, обеспечивающий движущую силу, которая помогает частицам, покрытым плазмидой, проникать через стенку растительной клетки. Попав внутрь клетки, интересующий ген интегрируется в геном растения. Этот метод может быть использован для введения ДНК в каллусные культуры, меристематические ткани, незрелые эмбрионы, суспензии растительных клеток и т. д.

Применение трансгенных растений

Технология рекомбинантной ДНК широко используется при выведении растений, устойчивых к вредителям и вирусам. Этот метод также полезен для изменения содержания липидов, крахмала и белка в семенах.

Например, золотой рис — это генетически модифицированное рисовое растение с повышенной пищевой ценностью. Этот трансгенный сорт риса производит β-каротин — предшественник витамина А, который придает ему золотистый цвет. Его получают путем трансформации ДНК, опосредованной Agrobacterium, при которой рекомбинантная ДНК, несущая три гена, кодирующие ферменты - фитоенсинтазу, фитоендесатуразу и ликопин-β-циклазу, вставляется в геном целевых зародышей риса. Затем эмбрионы развиваются в растения, которые производят β-каротин. Золотой рис был разработан для решения проблемы дефицита витамина А в развивающихся странах.

Некоторые другие трансгенные растения, такие как Bt-хлопок, были модифицированы путем вставки гена, выделенного из бактерий Bacillus thuringiensis — грамположительных бактерий, обнаруженных в почве. Такие трансгенные растения производят кристаллический белок «Cry», который убивает вредных насекомых, делая растение устойчивым к насекомым.

Трансгенные растения образуются путем введения чужеродного гена в геном растения. Эти растения могут быть выведены по разным причинам, включая устойчивость к вирусам или вредителям, более высокую урожайность или производство терапевтического белка.

Чтобы получить трансгенное растение, представляющий интерес ген и его промотор вводят в растительный протопласт, растительную клетку без клеточной стенки, путем инкубации обоих в среде, содержащей полиэтиленгликоль.

Рекомбинантный протопласт культивируют на стерильной среде в присутствии регуляторов роста и питательных веществ.

Клетки протопласта растут бесконечно, производя массу недифференцированных клеток, называемых каллусом. Некоторые клетки каллуса, называемые тотипотентными клетками, дают начало новым побегам и корням, которые могут развиться в совершенно новое растение.

Трансгенные растения также могут быть созданы с помощью бактерии Agrobacterium tumefaciens, грамотрицательной бактерии, обнаруженной в почве. Эта бактерия является патогеном, который обычно вызывает заболевание у растений и содержит Ti-плазмиду, которая может интегрироваться в геном растительной клетки.

Плазмида Ti имеет две области, представляющие интерес - Т-ДНК или область транспортной ДНК, которая может быть вставлена в геном клетки-хозяина, и область вирулентности, чтобы способствовать переносу Т-ДНК в клетку-хозяина.

Эта плазмида модифицируется путем вставки желаемого гена в область Т-ДНК и гена устойчивости к антибиотикам, чтобы обеспечить селективный рост плазмид-содержащих организмов. Затем рекомбинантная плазмида вводится в бактерии с помощью электрического импульса для увеличения проницаемости клеток и обеспечения поглощения плазмиды бактериями.

Agrobacterium tumefaciens, несущая рекомбинантную плазмиду, выращивают в питательной среде, содержащей антибиотики.

Части растений, такие как семядолевые узлы томата, разрезаются и инкубируются в среде, содержащей бактерии.

Поврежденные растительные клетки на краю стволового узла выделяют соединения, которые привлекают бактерии. Бактерия заражает растение и высвобождает рекомбинантную плазмиду, которая затем переносит чужеродный ген в геном растительной клетки.

В среде, содержащей антибиотики, выживают только трансформированные клетки с рекомбинантной ДНК и генами, устойчивыми к антибиотикам.

Трансформированные клетки теперь образуют каллус и развиваются в новое трансгенное растение, несущее трансген.