Клеточная и генная инженерия растений

Направления генно-инженерных работ с растениями очень разнообразны. Клеточная инженерия растений основывается на их замечательном свойстве — многие растительные клетки обладают тотипотентностъю (т. е. одна соматическая клетка способна сформировать целое растение) и на способности образовывать протопласты.

Протопластами называют растительные клетки, лишенные целлюлозной оболочки. Эту оболочку клеток растворяют специальными веществами, сохраняя находящуюся под ней нежную белково-липидную мембрану. Протопласты способны размножаться. Из одной такой клетки можно получить клон однородных клеток — каллус. Из каллуса затем формируется целое растение, способное к размножению половым путем. Клоны отдельных клеток-продуцентов ценных растительных продуктов используются в промышленных масштабах; из клеток воробейника получают шиконин, который применяется при лечении ран, ожогов, тонизирующие препараты — из клеток женьшеня.

Метод селективных сред

Для получения солеустойчивых, морозоустойчивых, жароустойчивых растений используются так называемые селективные среды. Каждая такая среда включает повышенное количество определенной соли или содержится при соответствующих температурах. На среду в чашках Петри высевают тысячи растительных клеток и отбирают единичные клетки, устоявшие против воздействия неблагоприятных факторов. Затем из каждой отдельной клетки через протопласт воспроизводится целое растение, обладающее нужным свойством.

Метод гаплоидов

На питательную среду (иногда и селективную) высевают пыльцу гибридных растений, которая имеет гаплоидный набор хромосом. Из отдельных клеток пыльцы получают гаплоидные растения, после чего вызывают эндомитоз, т. е. автополиплоидию и тем самым удваивают число хромосом. Диплоидное растение оказывается гомозиготным по всем генам. Желаемые признаки таких растений не будут в дальнейшем расщепляться. Этот метод дает возможность сократить сроки получения новых сортов в два раза.

Такие растения можно использовать в гибридизации клеток, т. е. в слиянии на питательной среде клеток разных сортов или даже разных видов растений.

Протопласты применяются для получения большого числа потомков от одного экземпляра ценного растения. Этот метод широко распространен в цветоводстве.

Протопласты используются для производства ценных препаратов. Клон отдельных клеток, продуцирующих нужное вещество, заменяет целое растение.

У растений возможна замена отдельных хромосом или добавление новых хромосом. Такие манипуляции дают возможность замещать (заменять) одну или обе гомологичные хромосомы одного сорта или одного вида растений на хромосомы близкого ему вида (например, в клетке пшеницы удаляется пара хромосом и вместо нее вносится аналогичная пара из клетки ржи). Такие растения называют замещенными линиями.

Введение

в клетку дополнительных хромосом другого сорта или другого вида приводит к образованию дополненных линий (с новыми свойствами).

Генно-инженерные работы с растениями очень разнообразны. Их классифицируют на две основные группы — методы прямого переноса генов в растения и методы переноса генов в растения с помощью векторных систем.

Первая группа методов основана на введении генов в протопласты.

Введение

гена при этом осуществляется путем трансформации: много генов инкубируют с большой популяцией растительных клеток. Добавление специальных химических препаратов облегчает перенос их в протопласт; используют также метод микроинъекций, который применяется к животным: гены через микроиглу вводят в цитоплазму или в ядро протопласта, зафиксированного специальным устройством. Есть и другие вариации прямого переноса.

Однако не от всех растений можно получать протопласты и не из всех протопластов можно получать полноценные растения. Поэтому используют способы второй группы, которые базируются на применении векторов. Векторы строятся на основе:

• — Ti — плазмиды микроорганизмов агробактерий;
• — ДНК органелл растительной клетки — хлоропластов, митохондрий;
• — транспозонов;
• — поражающих растения вирусов (гены патогенного значения у них удаляются).

Векторы используются в работе как с каллусными клетками, так и с целыми растениями.

Введенные из библиотек гены экспрессируются при подключении их к соответствующим промоторам растений и передаются потомству так же, как и их собственные гены.

В борьбе с сорняками в современном сельском хозяйстве применяют множество различных химических веществ — гербицидов, которые способны действовать и на культурные растения. В борьбе с вредителями растений применяют множество пестицидов, которые попадают в почву, в атмосферу, в воду и являются источниками токсических веществ.

Одна из основных задач генетической инженерии — создание культурных растений, устойчивых к гербицидам, пестицидам, а также к вредителям и другим патогенам.

К настоящему времени получено очень много трансгенных растений, несущих гены устойчивости к вирусам: слиянием протопластов дикого вида томата, устойчивого к двум вирусам, с протопластами коммерческого сорта получен гибридный сорт, обладающий ценными качествами обоих родителей.

Таким же методом выведен сорт томатов, устойчивый к высоким температурам. Устойчивость к гусеницам бабочек, к колорадскому жуку получена у многих растений путем введения в них бактериальных генов, контролирующих синтез соответствующих токсинов.

Внесенные в растения гены контролируют синтез в листьях растений токсинов, которые действуют только на соответствующих вредителей и безвредны для человека и животных.

Получены трансгенные томаты, картофель, табак, рапс, тополь, груша, устойчивые к разным сельскохозяйственным вредителям.

Ведутся работы по созданию растений, способных фиксировать атмосферный азот, тогда его не нужно будет вносить в почву в виде удобрений. Ген азотфиксации выделен из клубеньковых бактерий, которые существуют в симбиозе с растениями семейства бобовых.

Важное значение ученые придают работам по улучшению фотосинтетических способностей растений — агрономически важного признака растений. Поскольку фотосинтез контролируется очень большим числом генов, работы эти связаны с немалыми сложностями.

Трансгенные растения уже сейчас занимают значительное место в сельскохозяйственных культурах разных стран.

Ряд ученых и население относятся настороженно к такой продукции, так как не исключено ее отрицательное отдаленное действие на организм человека и животных. В некоторых странах при реализации сельскохозяйственной продукции делается специальная отметка о ее происхождении.