Трансгенные растения, используемые в сельском хозяйстве
Наследование трансгенов у трансгенных растений
В терминах классической генетики проявление перенесенного гена у трансгенных растений соответствует доминантной мутации при полном доминировании, а его наследование в ряду поколений подчиняется классическим законам Менделя. Придерживаясь общепринятых обозначений, генотип трансгенного растения с одной вставке Т-ДНК на геном может быть записан как +/-, где «+» обозначает наличие вставки чужеродного гена и «-» — ее отсутствие в соответствующем локусе гомологичной пары хромосом. Соответственно, при встраивании маркерного гена nptII в составе одной Т-ДНК вставки на ядерный геном генотип исходного трансформанта можно записать как npt+/npt-. При самоопылении такого трансформанта перенесенный ген nptII будет комбинировать в составе гамет и среди потомков будут выявляться три генотипических класса в соотношении: 1npt+/npt+ : 2npt+/npt-: 1 npt-/npt-.
Антибиотик канамицин в растительной клетке нарушает процесс фотосинтеза и вызывает гибель растений. Перенос бактериального гена, кодирующего неомицинфосфотрансферазу II, обеспечивает устойчивость трансформантов к этому антибиотику, благодаря его инактивации. Проведение теста на устойчивость трансгенных растений к канамицину позволяет отобрать трансгенные растения из множества регенерантов. Если в геном растения встроилась одна копия переносимого гена, то в потомстве соотношение трансгенных и нетрансгенных растений будет 3:1, если две копии – 15:1. Однако следует учитывать, что в результате перестроек растительной ДНК, часть введенных генов может потеряться или модифицироваться.
Перенесенные в геном трансгенного растения гены проявляют разный уровень экспрессии, зависящий от числа вставок, интегрированных в одно место генома, от места встраивания трансгена и окружающих его собственных генов растения. Трансгены, организованные в виде кластеров нескольких тесно сцепленных Т-ДНК фрагментов, не только проявляют низкий уровень экспрессии, но и снижают уровень экспрессии других гомологичных генов при взаимодействии в геноме гибридного растения.
При создании трансгенных растений в коммерческих целях проблема вариабельности по экспрессии перенесенных генов преодолевается получением большого числа независимых трансформантов. Полученные растения оцениваются индивидуально и отбираются генотипы с высокой (требуемой) экспрессией перенесенных генов.
За последние годы кроме маркерных генов изолированы, клонированы и перенесены в геномы растений чужеродные гены, определяющие устойчивость к гербицидам, насекомым-вредителям, вирусам, а также гены, ответственные за синтез запасных белков. Большинство чужеродных генов в клетках растения экспрессируется нормально, стабильно наследуется и не влияет негативно на фенотип растения-хозяина и его потомства.
Первые трансгенные продукты появились в продаже в США в 1994 г., после прохождения всех необходимых тестов на токсичность, аллергенность, мутагенность и
т.д. Это были томаты Flavr Savr с замедленным созреванием, созданные фирмой «Calgen», а также гербицидустойчивая соя компании «Monsanto». Уже через 2 года биотехнологические фирмы поставили на рынок целый ряд генетически измененных растений: томатов, кукурузы, картофеля, табака, сои, рапса, кабачков, редиса,
хлопчатника. Наиболее остро стоит вопрос о получении растений, устойчивых к вредителям сельского хозяйства. Традиционно для этого используют ген bt, продуктом которого является бактериальный токсин Bacillus thuringiensis. Эта тюрингская бактерия продуцирует крупный белок (протоксин), контролируемый геном bt, который,
попадая в кишечник личинок насекомых, разрушается под действием ферментов, а его фрагмент (эндотоксин) приводит к их гибели. В настоящее время уже синтезирован искусственный ген bt, конструкция с которым более эффективна, а сами трансгенные растения обладают широким спектром устойчивости к насекомым. Трансгенные
растения картофеля, хлопка, кукурузы с геном bt уже производятся фирмами «Monsanto», «Ciba Seeds» и продаются на рынках мира, хотя дискуссии о безопасности их использовании еще не закончены.
Получение гербицидустойчивых культурных растений позволяет удешевить их производство. По новой технологии обработку полей неселективными гербицидами можно проводить весь сезон, что улучшает результаты их применения. Но это направление генной инженерии таит ряд экологических опасностей: накопление гербицидов (или продуктов их детоксикации) в сельскохозяйственных продуктах; возможность переноса генов устойчивости к гербицидам из культивируемых растений в сорняки.
Трансгенные растения как биофабрики для производства белков медицинского назначения.
Получение рекомбинантных белков для терапевтических целей — одно из наиболее приоритетных направлений современной биотехнологии. Традиционно для этих целей используются системы экспрессии рекомбинантных белков в E.coli, дрожжах и клетках млекопитающих. Успехи в области генетической инженерии и расшифровка последовательностей растительных геномов открыли новые возможности в использовании растений для получения рекомбинантных белков терапевтического назначения.
Растения для производства рекомбинантных белков для фармакологии имеют ряд преимуществ: экономичность, возможность широкомасштабного производства при сохранении умеренной стоимости продукта, способность синтезировать многие сложные белки человека и животных в правильно-свернутой и модифициро-ванной форме, отсутствие проблем, связанных с безопасностью заражения вирусами животных. В ряде случаев нет необходимости в очистке продуцируемого рекомбинантного полипептида, т.к. белки, накапливаемые в традиционно используемых в питании растений (морковь, салат, капуста и др.), могут вводиться в организм теплокровных и человека перорально в составе растительных тканей. Так как слизистая оболочка желудочно-кишечного тракта функционирует как часть иммунной системы организма, а функцию защитной капсулы, ограждающей белок от разрушительного действия желудочных ферментов, может выполнять клеточная стенка трансгенных растений, то такие растения могут быть использованы в качестве так называемых «съедобных» вакцин. Растительные клетки так же можно использовать для доставки терапевтических белков, оказывающих прямое регуляторное воздействие на клетки иммунной системы желудочно-кишечного тракта.