Трансгенные растения

Трансгенные растения.

, ,

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Филиал института биоорганической химии им. и РАН, Пущино

Вторая половина двадцатого века была временем бурного развития биохимии, молекулярной гене-тики и молекулярной биологии. Достижения этих трёх областей биологии стали предпосылкой создания трансгенных растений, о которых в 80 – 90-е годы прошлого столетия было известно только учёным в научно–исследовательских ин-ститутах США, Англии, и т. д. Сегодня исследования трансгенных растений проводятся не только в Европе и США, но также и в России. Так что же такое трансгенные растения? И для чего их получают?

Рис.1. Стерильная культура трансгенных растений картофеля и табака in vitro.

Молекулярные механизмы.

Созданием трансгенных растений и их культивированием в лабораториях научно-исследовательских институтов занимаются целые группы учёных. Для этой непростой и долгой работы необходимы знания о строении клеток растений, их химическом составе, потоках, циклах и превращениях веществ в растительной клетке… Но самое главное, чем должен располагать любой учёный, получающий трансгенные растения – знаниями о строении и работе ДНК и её структурно - функциональных единиц (генов) растительной клетки.

Каждый живой организм обладает определённым набором генов, полученным от своего (при бесполом размножении) предшественника или родителей (при половом размножении). Этот набор генов, который в каждой клетке организма абсолютно одинаков (за исключением гамет), не располагается в клетке хаотично, а упакован в специальные структуры – хромосомы. Гены располагаются в определённых местах хромосомы (локусах), их порядок, количество, а также соседство генов друг с другом строго определено. В этой строгости заключается правильная регуляция работы генов, а, следовательно, нормальное развитие всего организма в целом.

Трансгенными растениями называют те растения, в геном которых был перенесён ген постороннего организма (бактерии, гриба, растения или животного).

Впервые человек создал трансгенные растения (а это были растения табака) в 1983 году. Но самые важные заслуги в этом деле следует приписать бактериям, а не человеку. Бактерию Agrobacterium tumefaciens иногда называют природным генным инженером за ее способность переносить свою ДНК в клетки зараженных растений, которые мы называем трансформантами. Кроме того, эта бактерия способна интегрировать ее в геном организма-хозяина и вызывать стабильную трансформацию (т. е. нахождение внесённого гена именно в хромосомах клетки организма хозяина).

Но какие структуры в бактериальнной клетке осуществляют функцию переноса чужеродного гена в растительный организм? Для этого существуют плазмиды – небольшие по размеру и с малым числом генов участки ДНК, которые находятся вне основного генетического материала, т. е. большой нуклеосомы. Генные инженеры используют плазмиды в качестве векторов, т. е. агентов, отвественных за перенос и внедрение гена в ДНК организма – реципиента. Внедрение чужеродного гена в организм растения происходит за счёт специальной последовательности, которая есть в плазмидном векторе – Т-ДНК (от англ. transferre - переносить).

Рис. 2. Схема агробактериальной трансформации растений.

С помощью агробактериального метода удаётся трансформировать двудольные растения с частотой 60 – 70%, а в случае, когда вектор и вносимый ген хорошо разработаны и подогнаны друг к другу, частота трансформации растений бывает свыше 80%.

Труднее трансформировать однодольные растения, среди которых очень важное сельскохозяйственное значение имеют злаки. В таком случае генные инженеры используют специальный прибор, который называется «генная пушка». Для перемещения генов в клетки растений необходимо подготовить частицы из золота или вольфрама величиной меньше одного микрона. Затем генетическая конструкция наносится на эти частички. Для переноса генов выбранные части растений помещают в «генную пушку», которая уже заряжена подготовленными частицами. При включении прибора эти частицы с помощью импульсов при определённой частоте бомбардируют клетки растений. При попадании в ядро клетки растения частица движется, оставляя при этом чужеродный ген в хромосоме клетки – хозяина. К сожалению, частота трансформации при таком методе не очень высока.

Важно понимать, что и при агробактериальном методе трансформации, и при бомбардировке микрочастицами, ген встраивается в ДНК растения случайно. Поэтому растения – трансформанты, содержащие один и тот же чужеродный ген могут отличаться по некоторым фенотипическим (т. е. внешним) и/или биохимическим признакам.

Зачем их получают и как их используют?

Областей использования трансгенных растений очень много, уступают они в этом лишь использованию генно-инженерных бактериальных штаммов.

Пищевые ресурсы. Как и несколько веков назад, ныне перед человечеством стоит проблема обеспечения себя и сельскохозяйственно важных животных полноценной пищей. Это подразумевает, что в пище должны содержаться необходимые и полезные вещества (белки, жиры, углеводы, витамины, и. т.д) в определённом количестве, достаточном для обеспечения роста и жизнедеятельности организма.

В связи с этим учёные в России, США и др. стран пытаются получать сорта растений с повышенной урожайностью и/или повышенным содержанием полезных веществ. Сорта с высокой урожайностью ценны тем, что при их возделывании требуется меньше посевных площадей, а значит – и почв (как известно, с каждым годом почв пригодных для выращивания растений становится всё меньше по всему миру). Чаще всего для таких целей использутся такие культурные растения как кукуруза, картофель, томаты, соя.

При внедрении в геном растений генов, кодирующих ценные белки (например, с повышенным содержанием аминокислоты лизин) есть возможность получения более питательного и высокого по пищевой ценности растительного сырья. Особенно часто проводятся опыты над различными сортами сои с целью получения растений богатых полноценным белком (т. е. таким где есть редкие аминокислоты).

В других случаях, удаётся усилить синтез определённых веществ. Примером являются сорта трансгенной моркови с повышенным содержанием бета-каротина – предшественника витамина А в организме млекопитающих, участвующего в процессах зрительной рецепции. Кроме сортов моркови с высоким содержанием витамина А получены сорта риса, обладающие подобным свойством (их часто называют золотым рисом). Другим примером является рапс с изменённым составом ненасыщенных жирных кислот, которые необходимы животным, но не могут синтезироваться в их организмах.

Рис. 3. Витаминизированные трансгенное Рис. 4. Трансгенная морковь (в ней вдвое больше

растение кукурузы. бета - каротина.

Очищение окружающей среды. Другой сферой применения трансгенных растений может быть восстановление равновесия на антропогенных ландшафтах. Известно, что отходы нефтедобывающей промышленности, добычи и переработки полезных ископаемых загрязняют почвы и воды, что делает их непригодными и опасными для использования в сельском хозяйстве. Выходом в такой ситуации является получение растений – биодеградаторов, способных с помощью специальных ферментов разлагать опасные производные нефти (среди них есть мутагены и канцерогенные вещества) до менее опасных веществ, которые растения могли бы даже исользовать в своих внутриорганизменных биохимических процессах. Примером являются трансгенные растения табака, разлагающие нафталинподобные соединения из ряда полициклических ароматических углеводородов до салициловой кислоты и сукцината, которые используются ими для получения энергии.

Также для очистки почв и вод можно использовать жизнестойкие растения, способные поглощать из окружающей среды и накапливать в организме большое количество вредных веществ, чаще всего тяжелых металлов. Накопление металлов объясняется повышенным содержанием белков – металлопротеинов, т. е. специальных белков, способных связывать атомы металлов и не позволяющих повреждать клеточные органеллы. В таких опытах чаще всего выступает объектом табак. На настоящий момент успешно доказано, что с помощью таких растений можно извлекать из субстрата свинец, кадмий, цезий, цинк, а также полуметалл – мышьяк.

Для извлечения вредных веществ достаточно высадить растения в загрязнённые почвы, а по прошествии определённого времени убрать и засадить новыми растениями (если количество загрязнений велико). Для очистки воды следует использовать сооружения наподобие гидропоники, т. е. когда растения выращивают не в почвенном грунте, а при погружении корневой системы в водный раствор.

Рис. 5. Трансгенные растения, способные расти на почвах, содержащих высокие, 
концентрации металлов цезия.

Устойчивость к ядам. В сельском хозяйстве, кроме того, очень ценятся растения устойчивые к определённым гербецидам. Устойчивость достигается за счёт синтеза в организме растений несвойственных ему ферментов, разлагающих опасные вещества. Это необходимо, чтобы растения могли расти на почвах, в которые вносятся значительные количества гербецидов, уничтожающих сорняки, но при этом сельскохозяйственная культура, возделываемая человеком не страдает, а хорошо растёт и плодоносит. Это могло бы позволить снизить нагрузку гербицидами на почвы полей. Больше всего таких опытов проводится с картофелем и кукурузой.

Медицина. В мире создаётся всё больше трансгенных растений (томатов, моркови, каланхое и др.), синтезирующих лекарственные вещества. Самым распротранённым примером являются антимикробные пептиды, используемые как средство обезвреживания некоторых групп микроорганизмов. В Пущино (Московская область) были получены растения каланхоэ, синтезирующие большое количество пептида цекропина.

Многие люди в наше врмя наслышаны о «зелёных вакцинах». По сути своей это вещество (антиген) – аналог тому, которое находясь в составе вируса или бактерии попадает к нам в организм. Если антиген вируса или бактерии успешно был выщеплен из своего хозяина, узнан и переработан клетками нашего организма в крови, то в нашем организме синтезируются антитела, благодаря которым чужеродный агент удаляется из организма. Для профилактики некоторых болезней существуют вакцины, в составе которых присутствуют эти вещества, которые необходимы, чтобы у человека был сформирован иммунный ответ организма против определенных болезней. Теперь стало возможным создавать растения, которые синтезируют антигены возбудителей болезней. Эти антигены можно выделить, очистить, а затем ввести в организм человека. Этот метод имеет преимущества перед традиционными иммунологическими методами, т. к. есть возможность получения очень чистых фракций антигенов, что снижает вероятность аллергий. Кроме того, болезни растений не передаются человеку и животным, т. е. этот метод представляется очень чистым и безопасным, и экономически выгодным.

Промышленность. Темпы потребления и переработки природных ресурсов чрезвычайно высоки в наше время. Вместе с тем увеличивается загрязнение окружающей среды. Для решения двух проблем сразу – большого количества требуемого сырья и уменьшения загрязнения окружающей среды – создаются растения с специальными свойствами. Примером являются растения осины или тополей с пониженным содержанием лигнинов. Лигнины – группа полимеров растительного происхождения. Они участвуют в формировании стенок клеток ксилемы, осуществляют механическую функцию в побегах растений. К сожалению для целлюлозо-бумажной промышленности (ЦБП) они представляют побочные вещества, которые требуется долго отмывать от целевого продука – целлюлозы (при этом используются большие количества натриевой щелочи, кислот, горячей воды). При этом весь лигнин после процедуры отмывки отрпавляется в отходы, которые трудно поддаются разложению (это могут осуществлять только грибы белой гнили в течение долгого времени). Выходом из такой ситуации могут быть растения с пониженным содержанием лигнинов. При этом можно уменьшить количества химических реактивов и отходов от ЦБП.

Снижение количества лигнинов достигается при подавлении генов, отвественных за ферменты, которые участвуют в синтезе лигнинов. Таким образом уменьшается количество предшественников для звеньев полимеров. Другой способ – внедрение гена, кодирующего грибной фермент, способный к разрушению готовых лигниновых цепей.

Рис.6 Древесина трансгенных тополей с пониженным содержанием лигнинов.

А не опасно ли?

До внедрения в практику любого вида трансгенных растений необходим целый ряд тестов на безопасность. Такие тесты проводтся для всех продуктов и лекарственных препаратов. Первые успешные полевые испытания трансгенных растений (устойчивые к вирусной инфекции растения табака) были проведены в США уже в 1986 г.

Чего же опасаются люди?

Генетическая безопасность. Существует мнение, что употребление генно-модифицированных растений (ГМР) в пищу может пагубно сказаться на здоровьи и человека, и животных. Некоторые люди опасаются внедрения чужеродных генов из пищи, содержащей ГМР, в организм человека. Учёные считают, что этот процесс маловероятен: иначе сколько родных генов той же моркови и того же самого картофеля было бы в нас сейчас?! Для разрушения ДНК чужих организмов, которую мы потребляем с пищей, существуют специальные ферменты – нуклеазы, которые разрушают ДНК до отдельных нуклеотидов.

Отсутствие аллергий и других болезней. К ГМР предявляются очень строгие критериии оценки того, насколько продукты из них аллергенны. Другой важной оценкой является прохождение тестов, показывающих безопасность для репродуктивной системы человека. Должно быть доказано, что употребление ГМР и полученных из них веществ не приведёт к бесплодию, онкологии, и. т.д. В ГМР происходит несколько изменений под действием внедрённого гена, поэтому важно знать, какие биохимические процессы синтеза веществ, накопления метаболитов преобладали в конкретном сорте. Эти знания и тесты на безопасность дадут полное представление о полученном продукте.

Микрофлора. Для создания трансгенных растений, используются, помимо целевых, гены устойчивости к антибиотикам. Они встраиваются вместе с целевым геном в геноом растения. Делают это для облегчения первичного отбора трансформантов из большого количества растений. Те растения, что регенерируют на среде, содержащей антибиотик, вероятнее всего несут в себе и целевой ген, поскольку бывает, что при трансформации растений происходит обрыв цепочки ДНК и плазмидный вектор не может перенести всю информацию, которую требуется. Однако в качесве селективных антибиотиков никогда не используют препараты, используемые в медицине и сельском хозяйстве.

Известно, что любые бактерии очень восприимчивы к генам, которые они могут получить из окружающей среды (например, при горизонтальном переносе, т. е. когда из одной клетки бактрии ген передаётся по специальным каналам в другую клетку). Поэтому необходимо тщательные переработка ГМР и оценка вероятности горизонтального переноса геннов устойчивости к антибиотикам в бактериальные клетки, населяющие слизистые облочки человека, поскольку приобретение устойчивости к антибиотикам может вызывать бесконтрольное развитие и чрезмерное увеличение популяции отдельных видов бактерий, а нарушения бактериального равновесия может нести вред здоровью.

Опыление и опылители. Чужеродный ген способен передаваться по наследству другим растениям того же вида (кроме случаев, когда трансгенное растение оказывается бесплодным) при половом размножении, если он попадает в генетический материал гамет. Опасность в таком случае представляет пыльца, которая может переноситься ветром или с помощью насекомых-опылителей на дальние расстояния. Возникает риск неконтролируемого перемещения чужеродного гена к диким особям того же вида или родственным. Это может сказаться негативно на диких растениях, насекомых, и. т.д. Получая и экспрессируя те или иные гены дикие растения изменятся и будут вносить определённые изменения в окружающую среду. Они могут получить преимущество в развитии на какой-либо территории, быть токсичными для каких-либо животных, и. т.д. Поэтому перенос пыльцы от трансгенных видов к нетрансгенным должен быть контролируемым. Для этого выращивать ГМР нужно на ограниченных тем или иным образом площадках, на дальних расстояниях от видов, с которыми может произойи удачное опыление с развиттие нового растительного организма.

Выходов из данной ситуации может быть несколько, например, трансформация ДНК хлоропластов (чужеродный ген будет встраиваться лишь в ДНК хлоропластов). Поскольку хлоропласты вместе с пыльцой не передаются, то эти растения не будут представлять угрозу для диких типов растений. Так же можно трансформировать фертильные растения – не способные к образованию пыльцы и размножать их вегетативным способом. Такие растения могут быть как природного происхождения (триплоидные формы), так и полученные с помощью методов генетической инженерии.

Сохранение разнообразия биосферы. Неконтролируемый перенос генов от бактерий к растениям и обратно, и. т.д. может привести к генетическому изменнеию многих видов растений и бактерий в биосфере. При получении новых свойств от этих генов, могут присходить бурное развитие одних видов, угнетение ими других, пресечение пищевых цепочек, которое неизбежно приведёт к вымиранию отдельных видов организмов, происходит ускорение темпов эволюции и. т.д.

Все вышеуказанные риски требуют аккуратного отношения с ГМР и тщательному их тестированию на безопасность.

Номера фотографий

1.  http://*****/faq/9221 от 01.01.2001

2.  http://rudocs. /docs/index-220072 от 01.01.2001

3.  http://www. *****/articles/2010/gmo-bez-variantov от 01.01.2001

4.  http://www. *****/articles/2010/gmo-bez-variantov от 01.01.2001

5.  http://rudocs. /docs/index-267131.html? page=6 от 01.01.2001

6.  Литвинов лигнина // Химия и жизнь. – 2006. №2.

Список литературы

1.  Патрушев генетические системы. - М.: Наука, 20с.

2.  Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки. ТМ.: Мир, 1994.

3.  Романов инженерия растении и пути решения проблемы биобезопасности // Физиология растений, 2000. Том 47, № 3. С. 343-353.

4.  Глеба растений // Соросовский образовательный журнал. №С. 3 – 8.

5.  Лебедев о трансгенной угрозе // Наука и жизнь. – 2003. № 12.

6.  Клещенко трансгенной пыльцы // Химия и жизнь. – 2012. №9.

7.  Барановов терапия – медицина XXI века // Соросовский образовательный журнал. №С. 3 – 68.

8.  Литвинов лигнина // Химия и жизнь. – 2006. №2.

9.  Д. Н. Мирошниченко, М. В. Филиппов, С. В. Долгов. Анализ вертикального переноса генов от трансгенных к нетрансгенным растениям пшеницы (Triticum aestivum L.) // Сельскохозяйственная биология – 2012. №3.

10.  Патент РФ № 000 – «Способ получения генетически модифицированных растений каланхоэ, экспрессирующих ген цекропина P1» (, ,