Некоторые характеристики роста и качества диплоидных и полиплоидных видов среди представителей родов умеренного пояса

(по Дж. В. Райту, 1978)

Род	Уровень плоидности	Характеристики роста и использования различных видов
Alnus	4n	A. incana и А. rubra - высота 18 - 20 м, кустарники
	6n	A. cordata и A. subcordata - высота 18 м
	8 n	A. japonica и A. spaethii - высота 27 м
Betula	2 n	B. lentha, В. nigra и B. pendula - средняя высота, ценная древесина; многие виды - кустарники
	4 n и 6 n	Полиплоидные расы В. papyrifera, ценные деревья
	8 n	B. papyrifera var. occidentalis, B. grossa, B. allegheniensis,   B. davurica - ценная древесина; кустарниковых форм нет
Fraxinus	2n	Среди диплоидов много кустарников и крупных деревьев
	6 n	F. chinensis и F. tomentosa - крупные деревья, последнее дает плохую древесину; расы 2 n, 4 n, 6 n от F. americana отличаются немного
Tilia	2n	T. oliveri, T. neglecta, T. petiolaris, T. americana, T. europea, T. platyphyllos - деревья разной высоты, имеющие большое практическое значение
	4 n	T. tuan и T. maximowicziana - крупные ценные деревья
Acer	2n	A. pennsylvanicum, A. japonicum и A. palmatum - кустарники или невысокие деревья; A. negundo - крупные деревья с плохой древесиной; A. saccharum - крупные деревья (43 м) с ценной твердой древесиной
	4 n или 6 n	A. carpinifolium - небольшие деревья; A. pseudoplatanus,  A. rubrum и A. saccharinum - крупные деревья с хорошей легкой и средней по весу древесиной
Magnolia	2n	M. wilsoni и M. obovata - маленькие и крупные деревья, соответственно
	4 n	M. liliflora и M. acuminata  соответственно небольшие и высокие деревья
	6 n	M. dawsoniana и M. grandiflora - соответственно небольшие и высокие деревья
Morus	22n	M. nigra - деревья средних размеров

 

В целом, полиплоидия и анеуплоидия в значительной мере обогащают генофонд древесных видов и имеют большое значение в их эволюции и селекции.

 

 

Вопросы для самопроверки

       1. Что такое мутации? Приведите принципы и способы их классификации.

       2. Что такое генные или точковые мутации? Какие группы этих мутаций Вы можете назвать?

       3. Что такое хромосомные мутации? Покажите их классификацию и охарактеризуйте отдельные классы.

       4. Что такое мутации геномов, полиплоидия и анеуплоидия:? Приведите классификацию полиплоидов и анеуплоидов.

       5. Приведите примеры полиплоидов и анеуплоидов среди древесных растений.

           

 

Глава 9.

ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

 

Генетическая инженерия как новое направление науки и практики

Термин генетическая инженерия появился на рубеже 70-х годов двадцатого века. В то время впервые был выделен in vitro «чистый» ген (лактозный оперон кишечной палочки) и химическим путем был синтезирован ген аланиновой тРНК дрожжей.

       К этому времени эмбриологи достигли значительных успехов в манипулировании зародышевыми клетками животных. У лягушки удаляли ядро из яйцеклетки и вводили ядро кишечной стенки головастика. При этом получали нормальный взрослый организм. Так впервые неполовым путем было воспроизведено животное. Это достижение позволило клонировать особи, то есть получать их генетически идентичные копии.

       Все это позволило заменять определенные дефектные гены полноценными, то есть осуществлять генную терапию. Именно для этого процесса первоначально был введен термин «генетическая инженерия». Однако вскоре стало ясно, что с появлением «чистых» генов открывается перспектива конструирования бактерий с несвойственными им признаками, в том числе и высокоэффективных штаммов промышленных организмов. Поэтому генетической инженерией стали называть комплекс молекулярно-генетических методов, с помощью которых можно осуществлять целенаправленное конструирование организмов путем различных операций над информационными молекулами (В. Н. Рыбчин, 1999).

Генетическая инженерия состоит из двух разделов: генной и геномной инженерии (табл. 9.1).

Генная инженерия методами in vivo или in vitro решает задачи введения в геном реципиентной клетки одного или нескольких чужеродных генов либо создания в геноме новых типов регуляторных связей. В таких случаях видовая принадлежность реципиентных организмов не меняется, но появляются несвойственные им признаки.

Геномная инженерия осуществляет более глубокое вмешательство в геном, вплоть до создания новых организмов. Методы решения таких задач различны для вирусов и для про- и эукариотических клеток.

Таблица 9.1

Разделы генетической инженерии

(по В. Н. Рыбчину, 1999)

Генная инженерия
Содержание	Этапы	"Инструментарий"	Методы переноса генов
Конструирование организмов с несвойственными данному виду признаками	In vivo: Извлечение генов, их перенос и закрепление в новом генетическом окружении, экспрессия генов   In vitro: Синтез или выделение генов; модификация генов, замена промоторов и терминаторов, локализованный мутагенез; присоединение генов к векторным молекулам; введение генов в клетки, их клонирование и экспрессия	Вирусы, плазмиды и транспозоны   Рестриктазы и другие нуклеазы, ДНК-лигазы, обратная транскриптаза и другие ДНК- и РНК-полимеразы. Векторы, адаптеры, полинкеры, зонды и т. д.	Трансдукция, конъюгация, транспозиция, слияние протопластов   Трансформация (химическая, электропорация, ускоренными частицами, липосомами), микроинъекция в ядра эукариот
Генная инженерия
Содержание	Объект	Методы конструирования
Конструирование организмов новых видов	Вирусы   Клетки прокариот     Клетки эукариот	Рекомбинация in vivo и in vitro Межвидовая конъюгация и слияние протопластов   Слияние растительных протопластов и животных клеток, введение в клетки изолированных метафазных хромосом, микроинъекция хромосом в ядра, перенос изолированных митохондрий и хлоропластов

 

Особые успехи генетической инженерии связаны с так называемой векторной трансформацией. В основе этого подхода лежит использование векторных молекул, или векторов, в качестве которых применяли плазмиды. Векторы - это молекулы ДНК, способные переносить включенные в них гены в клетку, где эти молекулы реплицируются автономно или после интеграции с геномом. Плазмиды - это внехромосомные факторы наследственности, генетические элементы, способные стабильно существовать в клетке в автономном, не связанном с хромосомным состоянием. Термин “плазмиды” предложил Дж. Ледерберг и др. в 1952 году. Плазмиду, способную объединяться с хромососмой, называют эписомой. К плазмидам относят генетический аппарат клеточных органоидов (митохондрий, пластид), а также группы сцепления, не являющиеся жизненно важными для содержащих их клеток. Наиболее изучены бактериальные плазмиды (фактор фертильности - F-фактор), колициногенные (колицины-антибиотики) факторы (Col - факторы), факторы устойчивости к лекарственным веществам (R-фактор), профаги и многие другие.

Многие плазмиды представляют собой кольцевые двухцепочные молекулы ДНК. Они широко распространены в живых клетках (в том числе и высших организмов) и интенсивно используются в генной инженерии в качестве основных компонентов разнообразных молекулярных переносчиков чужеродной ДНК.

Сначала в качестве векторов применяли плазмиды бактериальных, а затем и эукариотических клеток. Практическое использование векторов в селекции растений относится к последним десятилетиям и связано с Ti - плазмидой Agrobacterium tumefaciens. - Агробактериум тумефациенс - это почвенная бактерия, которая вызывает опухолевое заболевание растений (корончатый галл), известное еще Аристотелю. В начале нашего века (1907) Е. Смит и Таундсен выделили чистую культуру A. tumefaciens и установили, что она способна вызывать опухоль у некоторых представителей голосеменных и большинства двудомных покрытосеменных растений. Клетки растительных опухолей интенсивно растут на искусственных средах и при этом не нуждаются в добавлении фитогормонов в отличие от клеток нормальных тканей. (С. Г. Инге-Вечтомов,1989).

В 70-годы выяснилось, что причиной опухолеобразования являются так называемые Ti-плазмиды (Ti - tumor inducing, англ.,- индуцирующая опухоль). Они были обнаружены в клетках некоторых штаммов A. tumefaciens. Ti -плазмиды - это кольцевые молекулы ДНК (размером 50-80 мкм с молекулярной массой около 1,3х10⁸ Дальтон и длиной от 140 до 250 тыс. пар нуклеотидов). Эти плазмиды проникают из бактерий в клетки растения, и часть ДНК Ti -плазмиды, так называемая Т-ДНК вызывает:

1) образование опухоли,

 2) гиперпродукцию фитогормонов: цитокининов и индолилуксусной кислоты (ауксина),

3) синтез ряда производных аминокислот, объединяемых под общим названием опины.

Oпухоль возникает вследствие нарушения баланса фитогормонов, от которого зависит нормальный морфогенез растения. Опины, выделяемые клетками опухоли, бактерия использует в качестве источников углерода и азота, причем только в том случае, когда A. tumefaciens. содержит Ti -плазмиду, заразившую клетки растения (Рис. 9.1 ).

Рис. 9.1. Схема генетической колонизации (С. Г. Инге-Вечтомов, 2009).

 

           Описанный здесь процесс взаимоотношений A. tumefaciens и высших растений Дж. Шелл назвал генетической колонизацией, которая представляет собой природный эксперимент по генной инженерии.

       В настоящее время выделены и проклонированы несколько десятков генов высших растений, в том числе гены, контролирующие запасные белки: сои, ячменя, гороха, кукурузы, а также некоторые гены, контролирующие активность ферментов. На базе Ti -плазмид были созданы векторы, способные интегрироваться в растительные хромосомы. Это дало возможность вводить в клетки растений чужеродные гены и получать из единственной клетки сформировавшееся растение. Такие организмы, в которых чужеродные гены обнаруживаются во всех его клетках, включая половые, называются трансгенными. Они обладают свойством передавать приданные им новые признаки своему потомству. В последние десятилетия трансгенные организмы были получены не только у растений, но и у животных организмов. Об этом более подробно изложено в следующем разделе.