Первые трасгенные продукты и растения, разрешенные к применению

Получение растений-регенерантов, устойчивых к абиотическим и биотическим стрессовым факторам методами клеточной инженерии. Солевыносливость растений удается также повысить в результате се­лекции к одному фактору засоления осмотическому стрессу. Например, клетки томата, адаптированные к водному стрессу, индуцированному полиэтиленгликолем, обладали повышенной устойчивостью к NaС1. Повы­шенная толерантность к соли обнаружена у клеточных линий моркови, отобранных на среде, содержащей в качестве осмотика маннитол в высо­кой концентрации (99—870 мМ). Из этих результатов следует, что адап­тация клеток к осмотическому стрессу применима для отбора солевынос­ливых вариантов, а исследования подобного рода представляют интерес для изучения как во взаимодействии, так и независимо друг от друга. Металлы. Присутствие в почве в большом количестве ионов ме­таллов, токсически влияющих на растения, или недостаток ионов, ис­пользуемых растениями в качестве питательных веществ, могут быть причиной ионного (минерального) стресса у растений. Особое внимание ученых привлекает изучение стрессов, обусловленных наличием в почве ионов тяжелых металлов, многие из которых токсически влияют как на растительные, так и на животные организмы. Стрессовое состояние у рас­тений может быть индуцировано ионами таких тяжелых металлов, как цинк, кадмий, медь, ртуть; они также довольно часто встречаются и в почвах, механизмы устойчивости к токсическим ионам могут исключать уменьшение проницаемости плазмалеммы, детоксикацию ионов в ре­зультате связывания с органическими веществами, компартментализацию в вакуолях, а также изменения структуры ферментов, которые явля­ются их мишенями. Работы по клеточной селекции растений на устойчивость к ионным стрессам начаты недавно, но уже имеют положительный результат. Во всех экспериментах используется метод прямой селекции, при котором в качестве селективного агента применяли токсические концентрации со­лей. Однако создание стрессовых селективных условий invitro, идентич­ных таковым в природе, крайне затруднительно. В природных условиях помимо токсического действия ионов накладываются другие факторы, в частности наличие различных веществ, кислотность почвы и т. д. Для се­лекции на клеточном уровне используют питательные среды, которые хотя не полностью соответствовали естественным стрессовым условиям, все же обеспечивали экспрессию признака устойчивости и давали воз­можность отбирать нужные варианты. Путем прямой селекции invitro отобраны клеточные линии петунии, устойчивые к ртути, сорго—к алюминию, моркови — к алюминию и марганцу одновременно; суспензионные клеточные культуры дурма­на — к кадмию. На кафедре сельскохозяйственной биотехнологии МСХА также проводились работы по получению клеточных линий и рас­тений-регенерантов льна-долгунца, устойчивых к соли нитрата кадмия и изучалось действие этой соли на интактные растения. Экспериментально показано, что присутствие ионов кадмия в почве приводит к торможению роста стеблевой и корневой частей растения, к сокращению на 7—9 дней онтогенетических фаз развития, следующих за фазой «елочки» по сравне­нию с контролем, культурные виды накапливают ионы кадмия в вегета­тивной массе, в то время как дикие — нет. Мезо- и ультраструктурный анализ стеблей льна-долгунца показал, что присутствие кадмия в суб­страте приводило к уменьшению количества клеток элементарных воло­конец в пучке, к некомпактному расположению клеток элементарных во­локонец в лубяных пучках, а также к формированию клеток элементар­ных волоконец неодинаковых размеров в пределах одного пучка и к раз­личным срокам формирования вторичной клеточной стенки. В результате клеточной селекции были получены растения-регенеранты, обладающие устойчивостью к соли кадмия.

Получение трансгенных растений устойчивых к различным биотическим и абиотическим факторам. Культура растительных клеток и тканей представляет собой биологическую систему, в которой отсутствуют регуляторные механизмы, действующие на уровне целого организма. Исследования, проведенные на однородном клеточном материале, наряду с пониманием иерархии систем регуляции физиологических процессов позволяют получить более определенные результаты по анализу действия абиотических и биотических стрессовых факторов на растительную клетку. Это отвечает требованиям современного селекционного процесса, где неотъемлемым элементом является повышение устойчивости растений к неблагоприятным условиям среды.
Традиционная селекция ведется на уровне организмов, но процесс эффективно ускоряется при использовании тканевых и клеточных культур.
В условиях in vitro можно задавать различные параметры, адекватные тем, в каких позже придется жить взрослым растениям, в том числе и экстремальные условия выращивания. В культивируемых in vitro клеточных популяциях обнаружена тенденция к высокой наследственной изменчивости качественных и количественных свойств клеток.
Особый интерес у исследователей вызывают работы по получению растений-регенерантов из каллусных и суспензионных культур, прошедших отбор в стрессовых условиях.
Отбор на селективных средах может быть прямой и непрямой. Прямая селекция заключается в том, что в питательную среду добавляют в качестве селективных агентов факторы, к которым необходимо получить устойчивые линии, - повышенное содержание солей - NaCl, Na2SO4, AlCl3, K2SO4; водный стресс, отсутствие O2; продукты метаболизма фитопатогенов и т.д. Непрямая селекция заключается в получении растений, синтезирующих защитные соединения при этих стрессовых факторах.
Предложена следующая схема получения устойчивых линий клеточных культур: воздействие стрессора на культуру клеток будет приводить к частичной гибели популяции, но часть клеток может выжить, причем тем меньшая часть, чем сильнее стрессовое действие. Выжившие клетки переносят на свежую питательную среду, и культура будет толерантной к этому стрессору.

Практическое применение суспензионной культуры. Суспензионные культуры широко используются в качестве модельных систем для изучения путей вторичного метаболизма, индукции ферментов и экспрессии генов, деградации чужеродных соединений, цитологических исследований и др. Признаком "хорошей" линии служит способность клеток к перестройке метаболизма и и высокая скорость размножения в конкретных условиях культивирования. Морфологические характеристики такой линии: - высокая степень дезагрегации (5-10 клеток в группе); - морфологическая выравненность клеток (небольшие размеры, сферическая или овальная форма, плотная цитоплазма); - отсутствие трахеидоподобных элементов. К основным классам вторичных метаболитов растений относятся алкалоиды, изопреноиды и фенольные соединения, в том числе флавоноиды. В растениях синтезируются также цианогенные гликозиды, поликетиды, витамины. Из 30 известных витаминов около 20 поступает в организм человека или животных с растительной пищей. Растения являются не только ценным, но и предпочтительным источником витаминов для человека, поскольку в этом случае практически исключается возможность передозировки и возникновения гипервитаминозов, что подчас происходит при употреблении синтетических витаминных препаратов. В современной медицине применяют жирные кислоты и масла, а также полисахариды растительного происхождения, не относящиеся к вторичным метаболитам. В качестве примера можно упомянуть касторовое масло из семян клещевины, масло облепихи, обладающее ранозаживляющим действием.

Преимущества получения вторичных метаболитов с помощью иммобилизованных ферментов и клеток. технологии получения вторичных метаболитов с помощью иммобилизованных клеток каллусной культуры. Их помещают (встраивают) в определенные носители: альгинат кальция; агарозные шарики; трехмерные сетчатые структуры из нейлона, порошкового металла, полиуретана (в частности, такие системы используются для иммобилизации каллусной культуры клеток Digitalis lanata) или адсорбируют в них. Носитель с клетками помещают в питательную среду, клетки при этом остаются живыми. Они прекращают рост, но продолжают синтез метаболитов, выделяя их в среду. Основные условия иммобилизации — выделение метаболитов в питательную среду и свободное извлечение метаболитов, например алкалоидов из питательной среды. Иммобилизованные клетки по сравнению с суспензионными культурами имеют следующие преимущества: - многократное использование; - четкое отделение биомассы от продуктов метаболизма; - увеличение продолжительности культивирования на стадии активного биосинтеза; - получение большего количества вторичных метаболитов; - сокращение времени ферментации; - увеличение срока работы клеток (иммобилизованные клетки с низкой скоростью роста способны к интенсивной выработке метаболитов).

Приведите примеры практического использования гаплоидных растений в селекции.

Приведите примеры растений – источника веществ вторичного метаболизма.