Лекция 12.
advertisement
T Направления использования сортов генноинженерных растений Рост посевных площадей, занятых в мире под трансгенными культурами (http://www.isaaa.org) Страны, в которых выращивают трансгенные культуры (2012 г, http://www.isaa.org) • • • • • • • • • • • США – 69,5 млн га Бразилия – 36,6 Аргентина – 23,9 Канада – 11,6 Индия – 10,8 Китай – 4,0 Парагвай – 3,4 ЮАР – 2,9 Пакистан – 2,8 Уругвай – 1,4 Боливия – 1,0 • • • • • • • • • • • • • • • • • Филиппины Австралия Буркина Фасо Мьянма Мексика Испания Чили Колумбия Гондурас Судан Португалия Чехия Куба Египет Коста Рика Румыния Словакия Сельскохозяйственные культуры, трансгенные сорта которых допущены к использованию: • • • • • • • • • • • Соя Кукуруза Рапс Хлопчатник Томаты Картофель Рис Сахарная свекла Лен Турнепс Кабачки • • • • • • • • • Дыни Табак Цикорий Папайя Гвоздика Пшеница Люцерна Полевица Слива Основные «трансгенные» признаки: 1. Толерантность к гербицидам 2. Устойчивость к насекомым 3. Устойчивость к вирусам 4. Устойчивость к засухе 5. Улучшенные качественные характеристики: - улучшенный состав жирных кислот растительного масла (соевого, рапсового); - пониженное содержание никотина в табаке; - безамилозный картофельный крахмал; - удлиненные сроки созревания/хранения плодов. 6. Система получения гетерозисных гибридов на основе мужской стерильности/восстановления фертильности Площади, занятые под основными трансгенными культурами, 2010 г. (http://www.isaa.org) • Соя: 73,3 млн га – 50% площадей под ГМкультурами • Кукуруза: 46,8 млн га – 31% площадей • Хлопчатник: 21 млн га – 14% площадей • Рапс: 7 млн га – 5% площадей Основные трансгенные признаки • Толерантность к гербицидам – 89,3 млн га (61%) • Устойчивость к насекомым-вредителям – 26,3 млн га (17 %) • Комбинация признаков – 32,3 млн га (22%) ГМО, толерантные к гербицидам Толерантность к гербицидам обусловлена, как правило, мутацией одного определенного гена. Известно два основных механизма устойчивости: • «Мутация мишени» • Выработка ферментов, способных дезактивировать гербицид ГМО, толерантные к гербицидам («мутация мишени») • Толерантность к глифосату (Раундапу) «Мишень» - фермент 5-енолпирувил-шикимат-3-фосфат синтаза (EPSPS), который играет важную роль в синтезе ароматических аминокислот (тирозина, фенилаланина и триптофана). Трансгены: cp4 (модифицированный epsps) от Agrobacterium aro A от бактерий рода Aerobacter smI от Salmonella • Толерантность к сульфонилмочевинным гербицидам (сульфонилмочевина, имдозолинон, триазопиримидины, пиримидилоксобензоаты) «Мишень» – фермент ацетолактатсинтаза, вовлеченный в биосинтез разветвленных незаменимых аминокислот (валин, лейцин, изолейцин) Трансгены: модифицированные гены als ацетолактат синтазы растений (кукурузы, арабидопсиса , табака и др.) ГМО, толерантные к гербицидам (дезактивация гербицида) • Толерантность к глюфосинату аммония (фосфинотрицину) (коммерческие препараты: Basta, Liberty, Finale) Мишень - фермент глютамин синтаза катализирует включение аммония в глютамин Трансгены: bar от Streptomices hygroscopicus pat от Streptomices viridichromogenes, которые кодируют синтез фермента фосфинотрицин ацетилтрансферазы • Толерантность к оксиниловым гербицидам (бромоксинил и иоксинил) • Трансгены: • ген нитрилазы от Klebsiella pneumoniae var. ozanae ГМО, толерантные к гербицидам Устойчивость к насекомым-вредителям • В основе образование Bt-токсина (синонимы: Btпротеин, кристаллический протеин, дельтаэндотоксин), характерного для почвенных бактерий – Bacillus thuringiensis. • Биопрепараты на основе Bt-протеина: Битоксибациллин, Лепидоцид, Колептерин, Бацитурин, Дендролин и др. • Трансгены: cry IA, cry Iab, cry 9C, cry IF от B. thuringiensis v. kurstaki • Cry 3A, cry 34Ab1, cry 35Ab1, cry 3Bb1 от B. thuringiensis v. tenebrionis и др. Устойчивость к насекомым-вредителям ГМО, устойчивые к вирусам • В основе перенос в растения гена белка оболочки вируса (сoat protein -СР). Аналогичный и даже иногда лучший результат достигаются при использовании не CP трансгенов, а генов, кодирующих другие протеины вирусов (гены ферментов репликазы, РНКазы и др.). • Культуры: Папайя, устойчивая к вирусу пятнистости, две формы цуккини, устойчивые к нескольким вирусам, и сорта картофеля с комплексной устойчивостью к колорадскому жуку (Bt-ген) и к одному из вирусов картофеля: игрек вирусу (PVY) или вирусу скручивания листьев (PLRV), а также вирусоустойчивая слива Создание ГМО, устойчивых к болезням и вредителям • За счет инсерции генов, обеспечивающих стимуляцию естественного (неспецифического) иммунитета Гены: ферментов амилаз, хитиназ, полифенолоксидаз, пероксидаз, а также фитоалексинов и лизозимов, лектинов и др. • За счет переноса в геном растений генов устойчивости к болезням от диких видов. Получены ГМ-растения картофеля, устойчивые к самому опасному заболеванию этой культуры – фитофторозу, благодаря переносу к неустойчивым сортам генов устойчивости от диких видов картофеля Solanum bulbocastanum, S. verrucosum и др. ГМО, устойчивые к засухе • Повышенная устойчивость к засухе достигается благодаря инсерции гена csp протеина холодового шока Bacillus subtilis. • Этот протеин является РНК-шапероном, который обеспечивает повышенную устойчивостью бактерий и растений к абиотическим стрессам, минимизируя нарушения укладки РНК (ее вторичной структуры) при воздействии стресса. • В результате клетки сохраняют функциональную активность в стрессовых условиях • Идет работа над выделением, клонированием и переносом в растения трансгенов, кодирующих образование различных осмопротекторов (ионов, протеинов, аминокислот, сахаров, полиаминов), генов, регулирующих содержание ненасыщенных жирных кислот в мембранах клеток и т.д. ГМО с улучшенными качественными характеристиками (состав жирных кислот в масле) Масло Ненасыщенные жирные кислоты Олеиновая (1) % Линолевая (2) % Линоленовая (3) % Подсолнечное 24-40 46-62 1 Соевое 23-39 51-57 3-6 Кедровое 15 57-72 21-28 Рапсовое В основном мало мало Оливковое 60-80 10 1 Льняное 13-29 15-30 44-61 ГМО с улучшенными качественными характеристиками (состав жирных кислот в масле) • Рапс с модифицированным содержанием жирных кислот в семенах, особенно высокие уровни лаурата (25-40%) и миристиновой кислоты благодаря инсерции гена тиоэстеразы калифорнийского лаврового дерева • Соя с модификацированным содержанием жирных кислот в семенах: особенно высокая экспрессия олеиновой кислоты (повышение с 23 до 80%) благодаря инсерции дополнительной копии гена десатуразы сои (из-за снижения уровня полиненасыщенных линолевой и линоленовой кислот) ГМО с улучшенными качественными характеристиками • Картофель с улучшенным составом крахмала: повышенное содержание ветвистых форм (амилопектина) и снижение уровня неветвистых форм (амилозы) благодаря инсерции дополнительной копии гена амилозы картофеля (в антисмысловой ориентации) • Табак с пониженным уровнем никотина благодаря инсерции дополнительной копии гена фосфорибозилтрансферазы табака (в антисмысловой ориентации) ГМО с улучшенными качественными характеристиками • Кукуруза с улучшенными кормовыми характеристиками : повышенное содержание аминокислоты лизина в белке зерна благодаря инсерции гена cordapA дигидродипиколинат синтазы от Corynabacterium glutamicum • Кукуруза для производства биотоплива с геном термостабильной альфа-амилазы от Thermococcales spp ГМО с улучшенными качественными характеристиками • Швейцарским ученым удалось перенести в растения риса генетическую конструкцию, содержащую сразу три гена от разных организмов, необходимых для биосинтеза каротина (провитамина А): фитоендесатуразы и ликопин β-циклазы от нарцисса и ген каротиндесатуразы от бактерий. • В результате растения риса стали способными синтезировать каротин, концентрация которого в зерне достигала 1,6-2 микрограмм на грамм сырой массы. ГМО с улучшенными качественными характеристиками • • Швейцарским ученым удалось перенести в растения риса генетическую конструкцию, содержащую сразу три гена от разных организмов, необходимых для биосинтеза каротина (провитамина А): фитоендесатуразы и ликопин β-циклазы от нарцисса и ген каротиндесатуразы от бактерий. В результате растения риса стали способными синтезировать каротин, концентрация которого в зерне достигала 1,6-2 микрограмм на грамм сырой массы. ГМО с удлиненными сроками созревания • Томаты FLAVRSAVR с удлиненным периодом хранения плодов благодаря инсерции дополнительной копии гена полигалактуроназы томатов (в антисмысловой ориентации) • Томаты с удлиненным периодом созревания плодов благодаря инсерции генов: фермента S-аденозилметионин гидролазы от бактериофага T3 E.coli, деаминазы 1-аминоциклопропан-1-карбоновой кислоты от Pseudomonas chlororaphis, дополнительной копии гена томатов синтазы 1-амино-циклопропан-1-карбоновой кислоты, что приводит к снижению аккумуляции растительного гормона этилена ГМО с системой мужской стерильностивосстановления фертильности для получения гетерозисных гибридов • Для создания мужски стерильных трансгенных линий растений было предложено использовать ген barnase от Bacillus amylоliquefaciens, который кодирует образование фермента РНКазы, участвующего в расщеплении молекул РНК. Благодаря тканеспецифическому промотору РТА29 от табака этот фермент образуется у трансгенного растения только в одном месте (пыльнике) и только в одно время (во время цветения) • Для восстановления фертильности у гибридов F1 при их получении в качестве опылителя используют линии, несущие трансген barstar от Bacillus amylоliquefaciens. Этот ген кодирует образование фермента-ингибитора РНКаз, благодаря чему у гибридов восстанавливается фертильность пыльцы. • Рапс, кукуруза, цикорий • Гвоздика с модификацией окраски цветка (фиолетовый/розоватолиловый) благодаря инсерции двух генов биосинтеза антоциана от Petunia hybrida Перспективные направления исследований по созданию ГМО • • • • • • • • • Признаки, косвенно связанные с урожайностью и качеством продукции растений: устойчивость к болезням; устойчивость к вредителям; толерантность к гербицидам. Признаки продуктивности и качества продукции растений: урожайность; качественные характеристики (содержание белка и отдельных аминокислот, содержание масла и отдельных жирных кислот, содержание и качественные характеристики крахмала, других углеводов, содержание витаминов и других физиологически активных веществ, минеральных веществ, аллергенов, токсинов и пр.); синтез веществ специального назначения, прежде всего, протеинов, предназначенных для использования в фармакопее. Перспективные направления исследований по созданию ГМО • Агрономические характеристики растений: • морфология растения и отдельных органов (карликовость, апикальное доминирование или кустистость, характер корнеобразования; размер и цвет зерен, плодов, измененная форма листа и пр.); • мужская стерильность / восстановление фертильности; • холодостойкость; • жаростойкость; • устойчивость к водным стрессам; • устойчивость к засолению; • скорость развития растений, скороспелость; • удлиненный период созревания плодов; • Создание ГМО – биореакторов для производства рекомбинантных протеинов, например, для фармакопеи (интерферон альфа, интерлейкином 10, токоферол и др.) • Создание ГМО для производства съедобных вакцин (бананы с антигенами вируса папилломы) • ГМО для очистки территорий от загрязнения нефтью и тяжелыми металлами • Терминальные технологии (производство стерильных семян)
