Клеточная селекция растений - получение растений, устойчивых к засухе, засолению и к температурным условиям

Клеточная инженерия растений, основные направления исследований. Наиболее успешно развивается клеточная инженерия растений. Используя методы генетики, ученые создают линии клеток, продуцирующих ценные вещества. Такие клетки способны расти на простых питательных средах, синтезируя при этом большое количество необходимого продукта. Их культивирование уже используется в промышленных масштабах для получения ряда биологически активных веществ. Например, налажено производство биомассы женьшеня для нужд медицинской и парфюмерной промышленности. Другое важное направление клеточной инженерии — размножение растений на основе культуры тканей (рис. 121). Это стало возможным благодаря способности растительных клеток формировать целое растение из единичных клеток в результате регенерации. Культуру растительных тканей выгодно использовать для быстрого размножения медленно растущих растений — масличной пальмы, персика и др. Так, при обычном разведении куст малины может дать не более 50 дочерних растений в год, в то время как с помощью культуры тканей их можно получить более 50 ООО.

Методы клеточной инженерии позволяют значительно ускорить селекционный процесс при выведении новых сортов злаков и других важных сельскохозяйственных культур. Срок их получения сокращается до 3—4 лет вместо 10—12, необходимых при использовании обычных методов селекции.

Перспективным способом выведения новых сортов сельско -хозяйственных культур является применение такого метода клеточной инженерии, как соматическая гибридизация.Соматическая гибридизация — это слияние разных типов соматических клеток одного организма или клеток организмов, принадлежащих к разным видам (рис. 122). С помощью этого метода, например, были созданы гибриды, которые невозможно получить путем скрещивания особей — гибриды табака и картофеля, моркови и петрушки, томата, и картофеля и т. п. Соматическая гибридизация между культурными и дикими формами картофеля позволила получить сорта, устойчивые к некоторым заболеваниям и вредителям.

Клонирование и вектора для клонирования: Клонирование фрагмента ДНК: 1. Выделение ДНК клонируемого фрагмента; 2. Выделение плазмидной ДНК; 3. Рестрикция (рестриктазы); 4. Лигирование (ДНК-лигазы); 5. Трансформация бактерии; 6. Селекция и выбор «правильного» клона. Для разных этапов получения трансгенного организма используют вектора. Вектор – самореплицирующаяся (автономная) молекула ДНК, используемая в генетической инженерии для клонирования генома (вектора для клонирования), экспрессии генов (вектора для экспрессии) и для переноса генов и других последовательностей от организма донора в организм реципиента (вектора для трансформации). Основной этап получения рекомбинантных ДНК - это этап клонирования. Клонирование- совокупность методов, приводящих к получению генетически идентичных популяций организмов. Требования, предъявляемые к векторам: 1) вектор должен содержать уникальные сайты рестрикции для нескольких рестриктаз, что делает возможным встроить в него фрагмент чужеродной ДНК; 2) вектор должен обладать определенной емкостью и не абортировать встроенный фрагмент; 3) вектор должен реплицироваться в определенных клетках за счет имеющейся последовательности точки начала репликации (ориджина); 4) вектор должен содержать последовательность маркерного гена, облегчающего селекцию клеток, несущих векторную конструкцию. Факторы, влияющие на регенерационную способность трансформированных клеток. Регенерация растений из трансформированных клеток зависит от тотипотентности клеток определенных тканей и поэтому регенерационная способность различных тканей значительно различается. Тотипотентность хорошо выражена у клеток двудольных растений, таких как табак, картофель, свекла, соя, рапс, люцерна, томаты, морковь, капуста, некоторых плодовых. У однодольных, особенно злаков, свойство тотипотентности клеток выражено гораздо слабее, в связи с чем процесс регенерации клеток в целое растение затруднен. В настоящее время разработаны методики регенерации трансформированных клеток некоторых основных зерновых культур, таких как кукуруза, рис, пшеница, ячмень. Введение чужеродных генов в растительную клетку с помощью агробактериальных векторов. Известно, что некоторые виды почвенных агробактерий (например, Agrobacterium tumefaciens) могут заражать двудольные растения и вызывать при этом образование специфических опухолей - корончатых галлов. Бактерии прикрепляются к клеткам растения в местах повреждений. Агробактерии связываются с рецепторами клеток растений, в состав которого входят белка и пектины. При этом следует особо отметить, что точки прикрепления бактерий к мембране и рецепторы мембраны растений являются констуитивными, и обе стороны - и растение, и агробактерия уже имеют их еще до момента взаимодействия. Первый шаг взаимодействия агробактерии с растением – это узнавание, то есть специфическая адгезия растений. При прикреплении агробактерии к поверхности клеточной стенки растения образуются целлюлозные фибриллы. Фибриллы служат более прочному закреплению бактерий на поверхности хозяина. За целлюлозные фибриллы могут зацепиться свободно плавающие клетки бактерий. Фиксируя их у поверхности растения, фибриллы увеличивают множественность заражения. В результате скопления бактерий на поверхности растения клеточная стенка растения повреждается и обеспечивается плотный контакт бактерий с цитоплазматической мембраной растительной клетки. Передача ДНК происходит без нарушения целостности мембраны растительной клетки, но требует определенного её состояния - компетентности. Присутствие агробактерии необходимо только для индуцирования образования опухоли. Помимо повышенного синтеза фитогормонов, опухолевые клетки корончатых галлов начинают синтезировать необычные для растения соединения - опины (производные аминокислоты аргинина), которые используются агробактериями в качестве источника азота и углерода. Агробактерии синтезировать опины не могут, так как промежуточные продукты синтеза ингибируют рост бактериальной клетки, и используют растительные клетки как «фабрики» по производству опинов. При заражении растения агробактерией происходит перестройка метаболизма трансформированных растительных клеток, и они начинают синтезировать соединения, необходимые только для бактерий. Опины не могут утилизироваться растительной клеткой и выделяются в межклетники, где и поглощаются агробактерией. Ткани корончатых галлов содержат более высокие уровни ауксина и цитокининов. Выявлено еще одно наследуемое изменение в клетках корончатых галлов — это синтез опинов. Необычное для растений соединение, производное аргинина, обнаруженное лишь в определенных опухолевых линиях, было названо октопином. Синтезируется еще одно соединение — нопалин, также производное аргинина. В зависимости от типа индуцируемого в опухоли опина штаммы A. tumefaciens и находящиеся в них Ti-плазмиды получили соответствующее обозначение — октопиновые или нопалиновые. A. tumefaciens имеет очень широкий круг растений-хозяев и может инфицировать практически все двудольные растения. Однодольные растения не чувствительны к агробактериальной инфекции. Однако в настоящее время известно, что после обработки ацетосирингономагробактерии могут инфицировать однодольные растения. (Brettschneider et al., 1990; Hensgens et al., 1991).

Метод биобаллистики –преимущества и недостатки. Примеры трасгенных растений.