Чувствительность растений к стрессовым условиям

Засушливые и полузасушливые районы мира - там где мало продовольствия. С этой целью изучали растения в засушливых регионах и с засоленными почвами. Дикорастующие формы выживают потому, что накапливают в клетках низкомолекулярные вещества - осмопротекторы. У разных растений - разные осмопротекторы. У одних - сахара, спирты, четвертичные производные аммиака, у некоторых - пролин, или бетаин. На бетаин сделали упор поначалу - выяснили, что он образутеся в клетках растений из холина в результате двух реакций:

• Первая катализируется холинмонооксигеназой
• Вторая - бетаинальдегиддегидрогеназой

Гены ферментов были клонированы из шпината и перенесены в растения табака. Оказалось, что эти растения табака имеют повышенную устойчивость к засоленным почвам. И считается, что можно таким путем получить злаки, которые бы произрастали в некоторых районах африки. Выяснилось, что бетаин могут образовывать и бактрии. У бактетий один фермент - холиндегидрогеназа. Катализирует оба превращения. Оказалось, что в клетках растений тоже работает. Получили табак, у которых ген bet A экспрессировался с промотора 35S РНК ВМЦК. В экспериментах показали, что солеустойчивость - повысилась на 80% по отношению к исходным. Конструкция с прокариотическим геном более приемлима для этих целей.

В стрессовых условиях при повышенной температуре и избыточном освещении в клетках растений образуется больше пероксидных анионов, что приводит к нарушению обычногоо метаболизма, отсюда нарушение роста и развития органов. Как и у всех аэробов есть защита - супероксиддисмутаза. Существует несколько изоформ, различающихся по ионам металлов, входящих в кофермент - марганцевые, железные, и медь/цинковая. Железная - не у всех покрытосеменных, а две другие - у всех. Выяснилось, что медь/цинк супероксиддисмутаза больше всего проявляет себя в хлоропластах, но может работать и в цитоплазме. Марганцевая - в митохондриях. Гены, кодирующие 2 этих фермента были клонированы. Выяснилось, что они имеют экзонно-интронную структуру. Сначала получили мРНК, кДНК - эти варианты были введены в табак под 35S РНК промотором ВМЦК. Растение табака с суперэкспрессией гена медь/цинковой дисмутазы могли фотосинтезировать при высоком уровне освещения, у исходных - фотосинтез снижен на 2/3. экспрессия гена марганец-содержащей дисмутазы не давала повышенной устойчивости к избыточному освещению. Но фермент там был и работал: это оценили в эксперименте по чувствительности к обработке озоном. Авторы считают, что оба варианта дисмутаз важны для выживания, но работают в разных ситуациях. Для создания сельскохозяйственных вариантов придется вводить оба гена, чтобы достичь высокого уровня устойчивости.

Предполагается использовать гены для решения проблемы сохранности срезанных растений - транспортируемых на большие расстояния цветов. Показано, что именно появление свободных радикалов кислорода в срезанных растениях приводит к изменению состояния лепестков. Были сообщения, что ведутся работы по получению тюльпанов, которые будут иметь повышенное количество дисмутазы в клетках.

При транспортировке плодоовощной продукции, плоды некоторых растений после снятия их с растения быстро размягчаются и теряют товарное качество. Выяснили, что эту проблему создает этилен, который выделяется клетками в период созревания, и активирует целлюлазы и полигалактуроназы, которые в незрелых плодах неактивны. Ранее обрабатывали хим препаратами, предотвращающими выработку этилена (бананы, томаты). Попытались применить несколько генноинженерных подходов.

Один из них - получение кДНК на матрицах зрелых мРНК целлюлаз и полигалактуроназ. Затем - создание конструкций, дающих антисмысловую РНК. Оказалось, что в плодах томатов, куда вводили ген антисмысл РНК полигалактуроназы - количество фермента - 10% от исходного. Именно эти сорта получили широкое распространение по всему миру. В 1994 департамент по контролю за качеством пищевой продукции разрешил не использовать маркировку "трансгенные".

Следующий подход - получение растений, не продуцирующих этилен. Изучили биосинтез этилена. Предшественник - S-аденозил-метионин, который под воздействием ACC-синтетазы превращается в 1-амино-циклопропан-1-карбоновую кислоту. Дальше еще один фермент, который расщепляет ее на углекислый газ, аммиак, муравьиную кислоту и этилен. АЦЦ-оксидаза. Получили антисмысл конструкции к двум ферментам - синтетазе и оксидазе. Когда были получены такие растения, количество этилена было снижено на половину и он формировался гораздо медленнее. При обычных сроках транспортировки, томаты не размягчались. Обнаружили, что у бактерий есть фермент АЦЦ-дезаминаза, который превращает амино-ацил-пропан карбоновую кислоту в альфа-кетобутират. Ген ввели под промотором 35S РНК и получили такой же эффект - сорта с медленно созревающими плодами. Этот путь считается более перспективным, всего один ген, конструкция ясна, сообщалось о разработке бананов, экспрессирующих такой ген и мускусных дынь.

Помимо лежкости существенные факторы - вкус и вид плодов. Ведутся исследования по созданию трансгенов с более сладким вкусом плодов. Идут по пути использования генов из тропического растения Диаскариофиллум камменса. Семейство лунносемянниковые, порядок лютиковые. Продуцирует белок монилин, и он в 3000 раз слаще сахара и в 100000 слаще щистой сахарозы. Важно, что это белок, поскольку проблема углеводного обмена стоит в развитых странах. Сам этот белок не стоек термически, теряет четвертичную структуру в слабых растворах органических кислот - в соке, например. Добавлять его в сок не эффективно. Белок небольшой - 95 аминокислот, 2 цепи, как только они расходятся - сладкий вкус исчезает. Пришлось отклонировать оба гена, кодирующие разные цепи и в одном из вариантов гены ввели в томаты под промотором белка Е8. появляется при созревании плодов. В другом варианте эти гены вводили в салат под промотор 35S РНК.

Изменение цвета растительных тканей при механическом воздействии и последующем хранении, что резко снижает товарный вид. Самая большая проблема с картофелем: при уборке и обработке - потемнение клубней. Выяснилось, что потемнение происходит из-за превращение монофенолов и ортодифенолов в хиноны. Катализируется полифенолоксидазами. Гены ядерные, но ферменты - в митохондриальных и пластидных мембранах. Получили кДНК для картофельной полифенолоксидазы и сразу же было создано несколько генетических конструкций. Получили 6 вариантов, поскольку сразу испытывались 3 разных промотора и ДНК дающую смысловую и антисмысловую РНК. Промоторы: 35S РНК, промотор гена синтетазы гранулосвязанного крахмала, и третий - из гена патототина. 2 последних - активны только в тканях клубней. Успешными оказались конструкции с 2 первыми промоторами. Но в тех случаях, когда в клетках хпоявлялась антисмысловая РНК. Клубни меньше темнеют при разрезании.

Дата добавления: 2015-11-16