Растения с генами устойчивости к вирусным заболеваниям, гербицидам.

Вирусные болезни являются причиной весьма значительных потерь урожая для целого ряда культур, в первую очередь тех, которые размножаются вегетативно (клубнями, черенками, луковицами, прививкой), а также тыквенных, томатов и некоторых других. В связи с этим разработка принципиально новых подходов в борьбе с вирусными болезнями представляет большой практический интерес. Современные генно-инженерные технологии создания устойчивых к вирусам сортов растений базируются на использовании метода, получившего название перекрестной защиты (cross protection). Он основан на явлении повышенной устойчивости растений к агрессивным формам какого-либо вируса при условии, что оно было ранее заражено менее вредоносной формой того же самого вида вирусов. Механизм этого явления точно не выяснен, однако его достаточно широко используют в Японии для защиты томатов от поражения вирусами томатной и огуречной мозаики, в Бразилии для защиты цитрусовых (citrus tristera closterovirus), папайи (ringspot роtyvirus), кабачков цукини. 2 Устойчивость к вирусным заболеваниям

Генетическая инженерия рассматривается как перспективная технология в разработке стойких сортов растений. Самая распространённая стратегия косупрессия, то есть перенос в растение гена вируса, который кодирует белок его оболочки. Растение производит вирусный белок до того, как вирус в него проникнет, что стимулирует включение защитных механизмов, которые блокируют размножение вируса, в случае его проникновения в растение. Впервые эту стратегию использовали для спасения папиной индустрии на Гавайях от вируса кольцевой папиной пятнистости. Впервые вирус был идентифицирован в 1940 году, а в 1994 он быстро распространился, в результате чего индустрия оказалась на грани полного уничтожения. В 1990 году начались интенсивные работы по трансформации папайи, которые в 1991 году увенчались успехом. Первые плоды коммерческого сорта папайи «Rainbow» были собраны в 1999 году. 3

Устойчивость к вирусным заболеваниям 4 Табак Поражается вирусом табачной мозаики (опасен также для томатов) С помощью Agrobacterium ген вируса табачной мозаики (ВТМ), кодирующий оболочку вируса введен в растения табака - вакцинация

Трансформирование генома растений табака, турнепса, картофеля в геном человеческих интерферонов, введенных с помощью векторной конструкции, позволяет повысить устойчивость этих растений к вирусным заболеваниям (желтой мозаики и др.) 5

Сахарная свёкла Поражается вирусом ризомания(вирус некротического пожелтения жилок) Для повышения устойчивости из генома вируса-возбудителя ризомании выделяют ген белка капсида. 6

В настоящее время в сельском хозяйстве широко используют гербициды химические соединения, применяемые для уничтожения сорной растительности. Гербициды широкого спектра действия могут не только уничтожать сорняки, но и угнетать рост культурных растений. В связи с этим возникает необходимость в создании растений, устойчивых к этим веществам. Существует два подхода к решению этой проблемы: прямая селекция устойчивых к гербицидам мутантных форм растений, или мутантных клеточных штаммов (клеточная селекция), и генно-инженерный метод, который состоит во введении в растения генов гербицид-резистентности растительного или бактериального происхождения. 7 Устойчивость к гербицидам

Благодаря использованию методов генетической инженерии были созданы новые, устойчивые к различным гербицидам сельскохозяйственные культуры. В геном этих культур вводились мутантные гены, кодирующие синтез ферментов, на которые гербициды (атразин, биалофос, бромоксилин, имидазол) не оказывают негативного действия. 8 Например, растения лядвенца рогатого (Lotus comiculatus) были трансформированы с помощью штамма А281/рСВЕ21. Эта бактерия содержит плазмиду со встроенным геном bar, кодирующим фермент, придающий устойчивость к гербициду биалофосу. Трансгенные растения содержат ген bar и невосприимчивы к гербициду. Однако в тканях таких растений наблюдается накопление гербицидов, и использовать эти растения можно только в технических целях. Вместе с тем показано, что введение генов, кодирующих другие ферменты, позволяет проводить детоксикацию гербицидов, создавая, таким образом, растения, пригодные в пищу.

Изучая механизмы действия гербицидов, генетики выяснили, что чаще всего они действуют на какой либо один важный для растения фермент, прикрепляются к нему и тем самым ослабляют его работу. Это приводит к нарушению роста и развития растений, и они погибают. Установлено, что толерантность к гербицидам обусловлена мутацией одного гена. Основной механизм устойчивости связан с изменением последовательности аминокислот в той части молекулы фермента, в которой происходит его связывание с гербицидом. В результате гербицид не узнает свою «мишень» в структуре фермента, последний сохраняет свою функциональную активность, а организм становится толерантным к действию гербицида. Описанный механизм получил название «мутация мишени» и характерен для устойчивости к таким гербицидам, как Раундап (глифосат), сульфанилтиомочевина и др. 9

Гербицид глифосат относится к гербицидам общего действия. Его мишенью в растении является фермент EPSPS (енолпирувил-шикимат-3-фосфат синтеза), который играет важную роль в синтезе ароматических аминокислот. Под действием глифосата неустойчивые к нему растения из-за недостатка ароматических аминокислот погибают в течение двух недель. Глифосат относится к гербицидам нового поколения, для которых характерна относительная безопасность для здоровья человека и окружающей среды. Ведь его "мишень" имеется только у растений, грибов и бактерий и отсутствует у животных. 10

В результате генетических исследований были обнаружены бактерии, у которых из-за точковой мутации произошла замена одной аминокислоты в области фермента EPSPS, где происходит его связывание с гербицидом глифосатом. Поэтому гербицид не может дезактивировать такой мутантный фермент, и бактерии устойчивы к его действию. В настоящее время выделены гены EPSPS с мутацией мишени от бактерий рода Agrobacterium (ген cp4), Salmonella (ген sm1) и др. Например, в более чем 1000 полученных трансгенных сортах сои, устойчивых к глифосату, встроен мутантный ген cp4 от почвенной бактерии Agrobacterium tumefascens. Для доставки гена EPSPS к хлоропластам (месту синтеза ароматических аминокислот) к нему присоединен фрагмент ДНК от петунии, кодирующий небольшой транзитный пептид. Таким образом, генетически модифицированные сорта сои отличаются от обычных тем, что у них фермент EPSPS, привнесенный от гена бактерии, не связывается с гербицидом, что делает эти сорта устойчивыми к глифосату. Хлоропластный транзитный пептид от петунии быстро разрушается в процессе переваривания и также не несет опасности для организма животных и человека. 11