Публікація:Моргун Б.В. и др. (2014) Молекулярные биотехнологии по повышению устойчивости культурных злаков к осмотическим стрессам

Матеріал з ІКБГІ
(відмінності між версіями)
Перейти до: навігація, пошук
(Створена сторінка: fsdfasag aergaegerg erg e ==Див. також== Категорія:Моргун Б.В. 2014 [[Категор...)
 
 
(Одна проміжна версія одного користувача не показана)
Рядок 1: Рядок 1:
fsdfasag aergaegerg erg e
+
[[Моргун Богдан Володимирович|Моргун Б.В.]], Тищенко Е.Н. Молекулярные биотехнологии по повышению устойчивости культурных злаков к осмотическим стрессам : [монографія] – К.: Логос, 2014. – 221 с. – Бібліогр.: с. 188–220. ISBN 978-966-171-887-5;<br>
 +
УДК 577:606:633.11; ББК 28.070+28.54; М79
 +
 
 +
[[Image:24v1 book expo 2021.jpg|Моргун&nbsp;Б.В., Тищенко&nbsp;Е.Н. Молекулярные биотехнологии по повышению устойчивости культурных злаков к осмотическим стрессам|320x320px|right|border]]
 +
 
 +
В монографии рассмотрено современное состояние молекулярных биотехнологий, направленных на повышение уровня устойчивости культурных злаков к осмотическим стрессам. Проанализирована перспективность использования генов транскрипционных факторов и структурных генов, связанных со стресс-устойчивостью. Значительное внимание уделено теоретическим и практическим вопросам генетической трансформации растений ''in vitro'' и ''in planta''. Обсуждены эпигенетические вопросы трансгенеза, в том числе касающиеся разработки siPHK-технологий. Представлены результаты физиолого-биохимических аспектов молекулярных биотехнологий, связанных с синтезом запасных веществ.
 +
 
 +
Для генетиков, биотехнологов, молекулярных биологов, физиологов растений, студентов, преподавателей ВУЗов.
 +
 
 +
В монографії розглянуто сучасний стан молекулярних біотехнологій, спрямованих на підвищення рівня стійкості культурних злаків до осмотичних стресів. Проаналізована перспективність використання генів транскрипційних факторів та структурних генів, пов’язаних із стрес-стійкістю. Значна увага приділена теоретичним і практичним питанням генетичної трансформації рослин ''in vitro'' і ''in planta''. Обговорені епігенетичні питання трансгенеза, в тому числі ті, що стосуються розробки нових siPHK-технологій. Надані результати фізіолого-біохімічних аспектів молекулярних біотехнологій, пов’язаних із синтезом запасних речовин.
 +
 
 +
Рецензенты: Доктор биологических наук, профессор, член-корреспондент НАН Украины В.А.&nbsp;Кунах и доктор биологических наук, профессор Т.В.&nbsp;Чугункова.
 +
 
 +
Утверждено к печати ученым советом Института физиологии растений и генетики НАН Украины.
 +
 
 +
== СОДЕРЖАНИЕ ==
 +
 
 +
Список сокращений&nbsp;...&nbsp;5<br>
 +
Предисловие&nbsp;...&nbsp;8<br>
 +
 
 +
Глава 1. Перспективность применения транскрипционных факторов для повышения уровня устойчивости культурных растений к абиотическим стрессам&nbsp;...&nbsp;13<br>
 +
1.1. DREB-субсемейство&nbsp;...&nbsp;15<br>
 +
1.2. AREB/ABF-субсемейство&nbsp;...&nbsp;34<br>
 +
1.3. NAC-субсемейство&nbsp;...&nbsp;48<br>
 +
1.4. MYB-субсемейство&nbsp;...&nbsp;58<br>
 +
1.5. WRKY-субсемейство&nbsp;...&nbsp;65<br>
 +
1.6. Субсемейства NF-Y, ERF, Zn-фингер, Cys2/His2-типа&nbsp;...&nbsp;69<br>
 +
 
 +
Глава 2. Структурные гены, связанные с процессами адаптации/устойчивости культурных злаков к водному дефициту и засолению&nbsp;...&nbsp;77<br>
 +
 
 +
Глава 3. ''Agrobacterium''-опосредованная трансформация культурных растений&nbsp;...&nbsp;111<br>
 +
3.1. Молекулярно-генетические аспекты взаимодействия агробактерий с клетками растений&nbsp;...&nbsp;113<br>
 +
3.2. Интеграция рекомбинантных молекул ДНК и уровень изменчивости генома растений&nbsp;...&nbsp;117<br>
 +
3.3. Гомолого-зависимое молчание трансгенов&nbsp;...&nbsp;126<br>
 +
 
 +
Глава 4. ''Agrobacterium''-опосредоанная трансформация кукурузы ''in vitro''&nbsp;...&nbsp;135<br>
 +
4.1. ''Agrobacterium''-опосредованная трансформация кукурузы с использованием в качестве эксплантов незрелых зародышей&nbsp;...&nbsp;136<br>
 +
4.2. ''Agrobacterium''-опосредованная трансформация инбредных линий кукурузы с использованием в качестве эксплантов сегментов побегов, содержащих апикальные меристемы&nbsp;...&nbsp;141<br>
 +
4.3. Биолистическая трансформация кукурузы&nbsp;...&nbsp;147<br>
 +
 
 +
Глава 5. ''Agrobacterium''-опосредованная трансформация кукурузы ''in planta''&nbsp;...&nbsp;151<br>
 +
5.1. Способы ''Agrobacterium''-опосредованной трансформации растений ''in planta''&nbsp;...&nbsp;151<br>
 +
5.2. ''Agrobacterium''-опосредованная трансформация кукурузы ''in planta''&nbsp;...&nbsp;152<br>
 +
5.3. Идентификация трансгенных растений кукурузы с комплексной устойчивостью к гербицидам и насекомым&nbsp;...&nbsp;158<br>
 +
 
 +
Глава 6. Физиолого-биохимические аспекты ''Agrobacterium''-опосредованной трансформации кукурузы ''in planta''&nbsp;...&nbsp;164<br>
 +
6.1. Спектры полипептидов белков и содержание углеводов в зерновках трансгенных растений кукурузы&nbsp;...&nbsp;164<br>
 +
6.2. Метаболизм сахарозы при ''Agrobacterium''-опосредованной трансформации кукурузы&nbsp;...&nbsp;167<br>
 +
6.2.1. Изменения в функционировании энзимов метаболизма сахарозы в гетеротрофных тканях растений кукурузы, трансформированной ''in planta'' штаммами LBA4404 (pBi2E) и GV2260 (рСВ002)&nbsp;...&nbsp;169<br>
 +
6.2.2. Изменения в функционировании энзимов метаболизма сахарозы в эндосперме последующего поколения растений кукурузы, трансформированной ''in planta'' штаммами LBA4404 (pBi2E) и GV2260 (рСВ002)&nbsp;...&nbsp;173<br>
 +
6.3. Гени, детерминирующие качественные характеристики зерна кукурузы&nbsp;...&nbsp;178<br>
 +
 
 +
Заключение&nbsp;...&nbsp;182<br>
 +
Conclusion&nbsp;...&nbsp;187<br>
 +
Список литературы&nbsp;...&nbsp;188
 +
 
 +
== ПРЕДИСЛОВИЕ ==
 +
Основой современного сельскохозяйственного производства является создание высокопродуктивных сортов и гибридов культурных злаков с повышенным уровнем устойчивости к неблагоприятным факторам окружающей среды, среди которых осмотические стрессы оказывают наибольший негативный эффект на их рост, развитие, и в конечном итоге на продуктивность.
 +
 
 +
Наряду с традиционными методами селекции в последние десятилетия интенсивно стали разрабатываться молекулярные биотехнологии, направленные на получение новых форм путём интеграции в геном культурных злаков рекомбинантных молекул ДНК, способных на генетическом уровне контролировать процессы адаптации/устойчивости. Успешному технологическому решению этих вопросов способствует прогресс, достигнутый в последнее десятилетие в области фундаментальных исследований структурно-функциональной геномики, теоретических и практических аспектов ''Agrobacterium''-опосредованной и биолистической трансформации кукурузы, пшеницы, риса, ячменя.
 +
 
 +
Молекулярно-генетические исследования показали, что в ответ на осмотические стрессы реализуются генетические программы, которые сопровождаются дифференциальной экспрессией генов разнообразных функций, в том числе связанных с устойчивостью к водному дефициту, засолению, экстремальным температурам. В целом, эти гены классифицируют на две основные группы. Одна из них представляет гены, продукты которых принимают непосредственное участие в физиолого-биохимических процессах, связанных с повышением уровня стрессоустойчивости. Другая группа имеет отношение к генам транскрипционных факторов, регулирующих экспрессию первых. Более того, в перекрестных путях передачи сигналов в ответной реакции растений на разные типы абиотических стрессов могут принимать участие регуляторные и структурные гены аналогичных функций, что позволяет растениям оптимально реагировать на изменяющиеся условия окружающей среды и поддерживать свою жизнеспособность.
 +
 
 +
Ключевое положение при разработке молекулярных биотехнологий занимает идентификация регуляторных или структурных генов, которые могут эффективно контролировать процессы адаптации/устойчивости культурных злаков на разных этапах их развития. Перспективность их использования определяется всесторонним анализом трансгенных растений и их семенного поколения по генетическим, физиолого-биохимическим, морфологическим показателям, по показателям урожайности/продуктивности как в контролируемых вегетационных исследованиях под влиянием различных стрессовых факторов, так и в естественных условиях культивирования ''in vivo''.
 +
 
 +
Гены, рассматриваемые в качестве возможных кандидатов, способных приводить к повышению уровня адаптации/устойчивости растений к неблагоприятным факторам окружающей среды, классифицируют на несколько основных категорий. Значительный интерес вызывают гены стресс-реагируемых транскрипционных факторов, которые принадлежат к разнообразным семействам и субсемействам: AP2/ERF, NAC, MYB, MYC, bZIP, NF-Y, Cys2His2 zinc-finger, WRKY (гл. 1). Анализируются возможности широкого ряда структурных генов, связанных, в частности, с метаболизмом осмотических веществ, биосинтезом молекулярных шаперонов, белков позднего эмбриогенеза, протеинкиназ, фитогормонов (гл. 2). На этом пути достигнут значительный прогресс.
 +
 
 +
Другая сторона молекулярных биотехнологий культурных злаков связана с разработкой эффективных методов переноса рекомбинантных молекул ДНК в клетки, их интеграции в ядерный геном и стабильной экспрессии в последующих поколениях. Среди них ''Agrobacterium''-опосредованная и биолистическая трансформация – два основных способа, которые используются для получения коммерческих биотехнологических растений (гл. 3). Особый интерес вызывает первый из них в связи с преимущественной интеграцией трансгенов в транскрипционно-активные области ядерного генома и возможностью интеграции рекомбинантных молекул ДНК, несущих информацию о генах, кодирующих несколько признаков.
 +
 
 +
Вместе с тем, использование обеих этих способов интеграции экзогенной ДНК может приводить к трудно прогнозируемым последствиям, связанным с изменениями в структурно-функциональной организации генома растений в процессах их роста и развития. В связи с этим продолжаются исследования многих аспектов фундаментальных вопросов трансгенеза, углублённое понимание которых способствует решению практических задач по получению биотехнологических растений с заданными признаками (гл. 3, 4). В последние годы наряду с генетической трансформацией в системе ''in vitro'' всё больший интерес вызывает разработка экономически выгодных и надёжных способов ''in planta'' (гл. 5).
 +
 
 +
С использованием разных способов генетической трансформации растений возможно встраивание единичных и множественных копий рекомбинантных молекул. При получении линий трансгенных растений предпочтение отдаётся генетически модифицированным вариантам, в геном которых интегрированы единичные гомологичные копии трансгенов в связи с большей вероятностью стабильного их наследования и экспрессии в последующих поколениях. Ситуация осложняется тем, что через несколько поколений может происходить сайленсинг даже единичных рекомбинантных молекул, однако частота таких изменений является существенно меньшей по сравнению с трансгенами, представленными множественными копиями. Считается, что стабильность и уровень экспрессии трансгенов зависит от многих факторов, в том числе структуры трансгенного локуса, позиции интеграции, числа интегрированных копий трансгена.
 +
 
 +
Важный аспект нестабильного функционирования рекомбинантных молекул ДНК связан с эпигенетической регуляцией через репрессию генов – фундаментальным процессом, в результате которого селективно изменяется их экспрессия. Одно из ключевых направлений трансгенеза связано с гомолого-зависимым сайленсингом генов (HDGS), реализуемом на транскрипционном (TGS) и посттранскрипционном (PTGS) уровнях. При TGS промоторы трансгенов теряют способность запускать транскрипцию трансгенов, тогда как при PTGS осуществляется транскрипция, однако в цитоплазме мРНК подвергаются деградации. TGS наследуется митотически и мейотически, тогда как эффект PTGS может сниматься при мейозе. Трансгены могут становиться эпигенетически молчащими сразу, или же спустя короткий или даже длительный период экспрессии в ряду поколений. Такое явление имеет отношение не только к интродуцируемым трансгенам, но и к гомологичным им растительным генам. TGS и PTGS, направленные на один и тот же конечный результат – инактивацию чужеродной генетической информации, могут проходить через взаимосвязанные этапы посредством коротких двуцепочечных РНК (siRNA).
 +
 
 +
Понимание молекулярных основ биогенеза коротких РНК размером 21-25 п.н., их функции как возможных регуляторных молекул в генетическом уровне контроля адаптации/устойчивости растений привело к разработке нового направления генетической инженерии – siRNA-технологиям. При этом осуществляется целенаправленное изменение экспрессии эндогенных генов, принимающих участие в молекулярно-генетических механизмах ответной реакции на осмотический стресс, и в конечном итоге к повышению уровня устойчивости трансгенных растений к водному дефициту и засолению. Экспериментальные обоснования эффективности siRNA-технологий для растений, в том числе и культурных злаков ограничены. В исследованиях, проводимых в Институте физиологии растений и генетики НАН Украины с использованием двухцепочечного РНК-супрессора гена пролиндегидрогеназы, любезно предоставленного коллегами из Института цитологии и генетики СО РАН, разрабатываются технологии метаболической инженерии для повышения уровня осмотолерантности кукурузы, пшеницы, подсолнечника. Эффективность такого направления исследований обоснована для трансгенных растений кукурузы, повышенный уровень устойчивости которых к водному дефициту и засолению сопряжён со значительной аккумуляцией осмолита – свободного L-пролина (гл. 2).
 +
 
 +
Один из важных фундаментальных и прикладных вопросов трансгенеза касается особенностей физиолого-биохимических процессов биотехнологических растений. Основное наше внимание было обращено на экспрессию генов запасных белков и метаболизм углеводов кукурузы, относящейся к крахмалсодержащим растениям, что предопределяет целесообразность разработки этих вопросов при получении её трансгенных растений (гл. 6).
 +
 
 +
В данной монографии рассмотрено современное состояние вопросов, связанных с теоретическими и прикладными аспектами молекулярных биотехнологий, касающихся перспективности использования ряда регуляторных и структурных генов для получения культурных злаков с повышенным уровнем устойчивости к осмотическим стрессам. Авторы отчетливо понимают сложность написания монографии на указанную тему в связи с многогранностью теоретических вопросов, многие из которых далеки от полного понимания, разнообразием технологических решений по получению трансгенных растений хозяйственно-ценных культурных злаков. В монографии представлены результаты исследований, проводимых в отделе генетической инженерии Института физиологии растений и генетики НАН Украины и в отделе молекулярной генетики Института клеточной биологии и генетической инженерии НАН Украины. Надеемся, что она будет полезна для понимания фундаментальных основ трансгенеза, для оптимизации условий генетической трансформации и отбора биотехнологических растений с улучшенными физиолого-биохимическими показателями.
  
 
==Див. також==
 
==Див. також==

Поточна версія на 11:20, 10 серпня 2021

Моргун Б.В., Тищенко Е.Н. Молекулярные биотехнологии по повышению устойчивости культурных злаков к осмотическим стрессам : [монографія] – К.: Логос, 2014. – 221 с. – Бібліогр.: с. 188–220. ISBN 978-966-171-887-5;
УДК 577:606:633.11; ББК 28.070+28.54; М79

Моргун Б.В., Тищенко Е.Н. Молекулярные биотехнологии по повышению устойчивости культурных злаков к осмотическим стрессам

В монографии рассмотрено современное состояние молекулярных биотехнологий, направленных на повышение уровня устойчивости культурных злаков к осмотическим стрессам. Проанализирована перспективность использования генов транскрипционных факторов и структурных генов, связанных со стресс-устойчивостью. Значительное внимание уделено теоретическим и практическим вопросам генетической трансформации растений in vitro и in planta. Обсуждены эпигенетические вопросы трансгенеза, в том числе касающиеся разработки siPHK-технологий. Представлены результаты физиолого-биохимических аспектов молекулярных биотехнологий, связанных с синтезом запасных веществ.

Для генетиков, биотехнологов, молекулярных биологов, физиологов растений, студентов, преподавателей ВУЗов.

В монографії розглянуто сучасний стан молекулярних біотехнологій, спрямованих на підвищення рівня стійкості культурних злаків до осмотичних стресів. Проаналізована перспективність використання генів транскрипційних факторів та структурних генів, пов’язаних із стрес-стійкістю. Значна увага приділена теоретичним і практичним питанням генетичної трансформації рослин in vitro і in planta. Обговорені епігенетичні питання трансгенеза, в тому числі ті, що стосуються розробки нових siPHK-технологій. Надані результати фізіолого-біохімічних аспектів молекулярних біотехнологій, пов’язаних із синтезом запасних речовин.

Рецензенты: Доктор биологических наук, профессор, член-корреспондент НАН Украины В.А. Кунах и доктор биологических наук, профессор Т.В. Чугункова.

Утверждено к печати ученым советом Института физиологии растений и генетики НАН Украины.

[ред.] СОДЕРЖАНИЕ

Список сокращений ... 5
Предисловие ... 8

Глава 1. Перспективность применения транскрипционных факторов для повышения уровня устойчивости культурных растений к абиотическим стрессам ... 13
1.1. DREB-субсемейство ... 15
1.2. AREB/ABF-субсемейство ... 34
1.3. NAC-субсемейство ... 48
1.4. MYB-субсемейство ... 58
1.5. WRKY-субсемейство ... 65
1.6. Субсемейства NF-Y, ERF, Zn-фингер, Cys2/His2-типа ... 69

Глава 2. Структурные гены, связанные с процессами адаптации/устойчивости культурных злаков к водному дефициту и засолению ... 77

Глава 3. Agrobacterium-опосредованная трансформация культурных растений ... 111
3.1. Молекулярно-генетические аспекты взаимодействия агробактерий с клетками растений ... 113
3.2. Интеграция рекомбинантных молекул ДНК и уровень изменчивости генома растений ... 117
3.3. Гомолого-зависимое молчание трансгенов ... 126

Глава 4. Agrobacterium-опосредоанная трансформация кукурузы in vitro ... 135
4.1. Agrobacterium-опосредованная трансформация кукурузы с использованием в качестве эксплантов незрелых зародышей ... 136
4.2. Agrobacterium-опосредованная трансформация инбредных линий кукурузы с использованием в качестве эксплантов сегментов побегов, содержащих апикальные меристемы ... 141
4.3. Биолистическая трансформация кукурузы ... 147

Глава 5. Agrobacterium-опосредованная трансформация кукурузы in planta ... 151
5.1. Способы Agrobacterium-опосредованной трансформации растений in planta ... 151
5.2. Agrobacterium-опосредованная трансформация кукурузы in planta ... 152
5.3. Идентификация трансгенных растений кукурузы с комплексной устойчивостью к гербицидам и насекомым ... 158

Глава 6. Физиолого-биохимические аспекты Agrobacterium-опосредованной трансформации кукурузы in planta ... 164
6.1. Спектры полипептидов белков и содержание углеводов в зерновках трансгенных растений кукурузы ... 164
6.2. Метаболизм сахарозы при Agrobacterium-опосредованной трансформации кукурузы ... 167
6.2.1. Изменения в функционировании энзимов метаболизма сахарозы в гетеротрофных тканях растений кукурузы, трансформированной in planta штаммами LBA4404 (pBi2E) и GV2260 (рСВ002) ... 169
6.2.2. Изменения в функционировании энзимов метаболизма сахарозы в эндосперме последующего поколения растений кукурузы, трансформированной in planta штаммами LBA4404 (pBi2E) и GV2260 (рСВ002) ... 173
6.3. Гени, детерминирующие качественные характеристики зерна кукурузы ... 178

Заключение ... 182
Conclusion ... 187
Список литературы ... 188

[ред.] ПРЕДИСЛОВИЕ

Основой современного сельскохозяйственного производства является создание высокопродуктивных сортов и гибридов культурных злаков с повышенным уровнем устойчивости к неблагоприятным факторам окружающей среды, среди которых осмотические стрессы оказывают наибольший негативный эффект на их рост, развитие, и в конечном итоге на продуктивность.

Наряду с традиционными методами селекции в последние десятилетия интенсивно стали разрабатываться молекулярные биотехнологии, направленные на получение новых форм путём интеграции в геном культурных злаков рекомбинантных молекул ДНК, способных на генетическом уровне контролировать процессы адаптации/устойчивости. Успешному технологическому решению этих вопросов способствует прогресс, достигнутый в последнее десятилетие в области фундаментальных исследований структурно-функциональной геномики, теоретических и практических аспектов Agrobacterium-опосредованной и биолистической трансформации кукурузы, пшеницы, риса, ячменя.

Молекулярно-генетические исследования показали, что в ответ на осмотические стрессы реализуются генетические программы, которые сопровождаются дифференциальной экспрессией генов разнообразных функций, в том числе связанных с устойчивостью к водному дефициту, засолению, экстремальным температурам. В целом, эти гены классифицируют на две основные группы. Одна из них представляет гены, продукты которых принимают непосредственное участие в физиолого-биохимических процессах, связанных с повышением уровня стрессоустойчивости. Другая группа имеет отношение к генам транскрипционных факторов, регулирующих экспрессию первых. Более того, в перекрестных путях передачи сигналов в ответной реакции растений на разные типы абиотических стрессов могут принимать участие регуляторные и структурные гены аналогичных функций, что позволяет растениям оптимально реагировать на изменяющиеся условия окружающей среды и поддерживать свою жизнеспособность.

Ключевое положение при разработке молекулярных биотехнологий занимает идентификация регуляторных или структурных генов, которые могут эффективно контролировать процессы адаптации/устойчивости культурных злаков на разных этапах их развития. Перспективность их использования определяется всесторонним анализом трансгенных растений и их семенного поколения по генетическим, физиолого-биохимическим, морфологическим показателям, по показателям урожайности/продуктивности как в контролируемых вегетационных исследованиях под влиянием различных стрессовых факторов, так и в естественных условиях культивирования in vivo.

Гены, рассматриваемые в качестве возможных кандидатов, способных приводить к повышению уровня адаптации/устойчивости растений к неблагоприятным факторам окружающей среды, классифицируют на несколько основных категорий. Значительный интерес вызывают гены стресс-реагируемых транскрипционных факторов, которые принадлежат к разнообразным семействам и субсемействам: AP2/ERF, NAC, MYB, MYC, bZIP, NF-Y, Cys2His2 zinc-finger, WRKY (гл. 1). Анализируются возможности широкого ряда структурных генов, связанных, в частности, с метаболизмом осмотических веществ, биосинтезом молекулярных шаперонов, белков позднего эмбриогенеза, протеинкиназ, фитогормонов (гл. 2). На этом пути достигнут значительный прогресс.

Другая сторона молекулярных биотехнологий культурных злаков связана с разработкой эффективных методов переноса рекомбинантных молекул ДНК в клетки, их интеграции в ядерный геном и стабильной экспрессии в последующих поколениях. Среди них Agrobacterium-опосредованная и биолистическая трансформация – два основных способа, которые используются для получения коммерческих биотехнологических растений (гл. 3). Особый интерес вызывает первый из них в связи с преимущественной интеграцией трансгенов в транскрипционно-активные области ядерного генома и возможностью интеграции рекомбинантных молекул ДНК, несущих информацию о генах, кодирующих несколько признаков.

Вместе с тем, использование обеих этих способов интеграции экзогенной ДНК может приводить к трудно прогнозируемым последствиям, связанным с изменениями в структурно-функциональной организации генома растений в процессах их роста и развития. В связи с этим продолжаются исследования многих аспектов фундаментальных вопросов трансгенеза, углублённое понимание которых способствует решению практических задач по получению биотехнологических растений с заданными признаками (гл. 3, 4). В последние годы наряду с генетической трансформацией в системе in vitro всё больший интерес вызывает разработка экономически выгодных и надёжных способов in planta (гл. 5).

С использованием разных способов генетической трансформации растений возможно встраивание единичных и множественных копий рекомбинантных молекул. При получении линий трансгенных растений предпочтение отдаётся генетически модифицированным вариантам, в геном которых интегрированы единичные гомологичные копии трансгенов в связи с большей вероятностью стабильного их наследования и экспрессии в последующих поколениях. Ситуация осложняется тем, что через несколько поколений может происходить сайленсинг даже единичных рекомбинантных молекул, однако частота таких изменений является существенно меньшей по сравнению с трансгенами, представленными множественными копиями. Считается, что стабильность и уровень экспрессии трансгенов зависит от многих факторов, в том числе структуры трансгенного локуса, позиции интеграции, числа интегрированных копий трансгена.

Важный аспект нестабильного функционирования рекомбинантных молекул ДНК связан с эпигенетической регуляцией через репрессию генов – фундаментальным процессом, в результате которого селективно изменяется их экспрессия. Одно из ключевых направлений трансгенеза связано с гомолого-зависимым сайленсингом генов (HDGS), реализуемом на транскрипционном (TGS) и посттранскрипционном (PTGS) уровнях. При TGS промоторы трансгенов теряют способность запускать транскрипцию трансгенов, тогда как при PTGS осуществляется транскрипция, однако в цитоплазме мРНК подвергаются деградации. TGS наследуется митотически и мейотически, тогда как эффект PTGS может сниматься при мейозе. Трансгены могут становиться эпигенетически молчащими сразу, или же спустя короткий или даже длительный период экспрессии в ряду поколений. Такое явление имеет отношение не только к интродуцируемым трансгенам, но и к гомологичным им растительным генам. TGS и PTGS, направленные на один и тот же конечный результат – инактивацию чужеродной генетической информации, могут проходить через взаимосвязанные этапы посредством коротких двуцепочечных РНК (siRNA).

Понимание молекулярных основ биогенеза коротких РНК размером 21-25 п.н., их функции как возможных регуляторных молекул в генетическом уровне контроля адаптации/устойчивости растений привело к разработке нового направления генетической инженерии – siRNA-технологиям. При этом осуществляется целенаправленное изменение экспрессии эндогенных генов, принимающих участие в молекулярно-генетических механизмах ответной реакции на осмотический стресс, и в конечном итоге к повышению уровня устойчивости трансгенных растений к водному дефициту и засолению. Экспериментальные обоснования эффективности siRNA-технологий для растений, в том числе и культурных злаков ограничены. В исследованиях, проводимых в Институте физиологии растений и генетики НАН Украины с использованием двухцепочечного РНК-супрессора гена пролиндегидрогеназы, любезно предоставленного коллегами из Института цитологии и генетики СО РАН, разрабатываются технологии метаболической инженерии для повышения уровня осмотолерантности кукурузы, пшеницы, подсолнечника. Эффективность такого направления исследований обоснована для трансгенных растений кукурузы, повышенный уровень устойчивости которых к водному дефициту и засолению сопряжён со значительной аккумуляцией осмолита – свободного L-пролина (гл. 2).

Один из важных фундаментальных и прикладных вопросов трансгенеза касается особенностей физиолого-биохимических процессов биотехнологических растений. Основное наше внимание было обращено на экспрессию генов запасных белков и метаболизм углеводов кукурузы, относящейся к крахмалсодержащим растениям, что предопределяет целесообразность разработки этих вопросов при получении её трансгенных растений (гл. 6).

В данной монографии рассмотрено современное состояние вопросов, связанных с теоретическими и прикладными аспектами молекулярных биотехнологий, касающихся перспективности использования ряда регуляторных и структурных генов для получения культурных злаков с повышенным уровнем устойчивости к осмотическим стрессам. Авторы отчетливо понимают сложность написания монографии на указанную тему в связи с многогранностью теоретических вопросов, многие из которых далеки от полного понимания, разнообразием технологических решений по получению трансгенных растений хозяйственно-ценных культурных злаков. В монографии представлены результаты исследований, проводимых в отделе генетической инженерии Института физиологии растений и генетики НАН Украины и в отделе молекулярной генетики Института клеточной биологии и генетической инженерии НАН Украины. Надеемся, что она будет полезна для понимания фундаментальных основ трансгенеза, для оптимизации условий генетической трансформации и отбора биотехнологических растений с улучшенными физиолого-биохимическими показателями.

[ред.] Див. також

Категорія:Моргун Б.В.

Особисті інструменти
Простори назв

Варіанти
Дії
 
   
Інструменти