Полная версия

Главная arrow Медицина arrow Век генетики и век биотехнологии на пути к редактированию генома человека

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

ГМО-растения, устойчивые к болезням

При атаке различных патогенов в растениях включается целый набор различных механизмов, результатом работы которых могут быть: полное невосприятие патогена (иммунитет); быстрая программируемая гибель клеток в фокусах прямой атаки патогена (сверхчувствительная реакция) и различные степени поражения, вплоть до полной гибели растения.

В обеспечении защиты растений от заболеваний, вызываемых грибами, бактериями и вирусами, участвует ряд ключевых механизмов, модификация которых в настоящее время уже используется для получения устойчивых растений. Перечень таких ключевых этапов защиты растений от заболеваний, индуцируемых патогенными агентами, и примеры их модификаций представлен ниже.

Усиление сигнальных систем, участвующих в формировании иммунного ответа. Растения узнают патоген по сигнальным молекулам — элиситорам. У многих видов растений в ответ на атаку патогенов возникает системно индуцированная устойчивость (SAR), эффект которой может продолжаться неделями и месяцами [Глазко, 2006]. Идентифицирован ряд генов SAR. Растения, в которых экспрессировалась ДНК этих генов, характеризовались высоким уровнем толерантности к патогенам. Одной из первых реакций для индукции SAR становится синтез салициловой кислоты.

Одним из самых ранних ответов на атаку патогена является накопление Н202 и других активных форм кислорода. В дополнение к его окислительному потенциалу для гибели или ингибирования клеток патогена Н202 вовлечен также в ряд защитных механизмов. Обнаружен быстрый синтез перекиси водорода при несовместимой реакции не только как локальный пусковой сигнал (триггер) индукции сверхчувствительной гибели клеток, но также как диффузный сигнал для активации генов защиты, например, глютатионтрансфераз в окружающих клетках.

Реакция растений на патогены определяется «совместимостью», когда патоген преодолевает механизмы защиты растения и проявляются симптомы поражения, или «несовместимостью», когда механизмы устойчивости исключают или существенно тормозят развитие патогена. Еще в 1971 г. Флор выдвинул гипотезу, согласно которой реакция «несовместимости» может контролироваться одной парой генов: геном R устойчивости растения и геном Avr авирулентности патогена.

Эти 7?-гены часто объединены в комплексы. Они могут претерпевать рекомбинации, дупликации, делеции и другие перестройки генетического материала хромосом, что и приводит к эволюции новых вариантов специфической устойчивости. На проявление устойчивости могут также влиять эффекты дозы генов, неаллельные взаимодействия и эпистаз, а также их эффект может модифицироваться генетическим окружением растения-хозяина. Эти гены-модификаторы не всегда способны сами влиять на реакцию устойчивости, однако возможно, что они образуют систему генов от детерминантов специфического узнавания до генов, кодирующих соединения, которые и вызывают гибель клеток при несовместимых комбинациях.

В последние годы для получения трансгенных растений, устойчивых к болезням, разрабатывали такие подходы: синтез значительных количеств антигрибных протеинов, таких как хитиназы, глюканазы, и белков, инактивирующих рибосомы; синтез низкомолекулярных фунгитоксиче- ских соединений, таких как фитоалексины и дефензины. Возможно также получение трансгенных растений, синтезирующих новые фитоалексины или фитоалексины измененной структуры.

Проведены опыты по повышению устойчивости табака к фитофторе (.Phytophthora parasitica) путем встройки гена, кодирующего бета-крипто- геин под конститутивным промотором вируса 35S мозаики цветной капусты. Трансгенные растения показали повышенную устойчивость к ряду рас даного гриба [Tepfer et al., 1998].

Усиление синтеза веществ, токсичных для патогенов. В томаты встроены два гена ферментов, катализирующих синтез веществ, повышающих устойчивость к фитофторозу, что привело к повышению на 65% их устойчивости по сравнению с контролем [Thomzik et al., 1997]. Другие исследователи [Tabei Y. et al., 1998] трансформировали огурцы геном хитиназы риса, повысившим резистентность к серой плесени.

Управление программируемой гибелью клеток (апоптозом). Апоптоз — контролируемая гибель клеток, которая является одним из защитных механизмов растений, когда в ответ на атаку патогена происходит синтез цитотоксичных соединений в пораженных клетках и локальная гибель клеток — так называемая сверхчувствительность. В процессе развития растений программированная гибель клеток (ПГК или апоптоза) наблюдается при старении органов, созревании плодов, ксилогенезе, старении створок бобов и т.д. В клетках, претерпевающих ПГК, отмечается активность протеаз и нуклеаз, деградирующих белки и нуклеиновые кислоты. Эти протеазы включают цистеиновые, металло-, сериновые и протеазы аспарагиновой кислоты.

В настоящее время еще не ясны детали ПГК клеток растений, однако уже ясно, что основные этапы ПГК клеток животных и растений одинаковы. Морфологически это наблюдается в виде сморщивания цитоплазмы, конденсации ядра, образования везикул мембран. Биохимические изменения включают приток ионов кальция, высвобождение фосфати- дилсерина, активацию специфических протеаз, фрагментацию ДНК.

Проникающий в клетку инфекционный агент использует клетки растения-хозяина как субстрат для своего роста, развития и размножения. Одним из путей защиты растений является гибель инфицированных клеток. В то же время субстратом некоторых грибов являются именно мертвые клетки. Поэтому предотвращение гибели клеток в некоторых случаях делает невозможным рост и развитие патогена, что препятствует его распространению у растения. В этой связи разрабатываются методы контроля апоптоза.

Разработка приемов управления апоптозом путем использования ДНК-технологий — один из путей повышения иммунитета растений к инфекциям. Это достигается путем введения генов, которые управляют апоптозом. Приведем несколько примеров таких работ.

Предотвращение гибели клеток в некоторых случаях делает невозможным рост и развитие паразита, чем препятствует его распространению в растении. Гриб Sclerotinia sclerotiorum выделяет токсин, летальный для клеток растений-хозяев, и использует вещества мертвых клеток для питания. Растения табака были трансформированы геном нематоды CED-9, который ингибировал апоптоз [Collazo et al., 2006]. Трансгенные растения имели повышенную резистентность к данному возбудителю и останавливали его распространение из точки инокуляции. Данная работа интересна не только тем, что предлагает новую стратегию усиления механизмов защиты растений, но и тем, что демонстрирует общность путей контроля апоптоза у растений и животных (Dickman). Трансгенные томаты, несшие ген бакуловируса р35, ингибирующий апоптоз, также имели усиленную резистентность к возбудителям грибкових и бактериальных инфекций. К подобным выводам пришел Дэвид Гилчрист (Калифорнийский университет), выполняя работу по изучению действия микотоксинов на клетки животных и растений. Он сообщил, что один из токсинов (сфинганин), который вызывает лизис тканей мозга лошадей, также вызывает апоптоз у инфицированных растений. Был также сделан вывод о том, что путем стимулирования апоптоза грибы создают себе субстрат, поэтому его ингибирование может предотвращать развитие грибной инфекции.

Подход, обратный описанному выше и заключающийся в стимулировании апоптоза, также может быть использован для защиты растений от инфекций.

Компанией «Монсанто» разработан способ получения трансгенных растений, устойчивых как к бактериальной, так и грибной инфекции.

В картофель вводят грибной ген, кодирующий синтез фермента, окисляющего глюкозу с образованием пероксида водорода. Полученные растения устойчивы и к мягкой гнили, и к фитофторе.

Относительно недавно открыты короткие пептиды, богатые остатками цистеина, обладающие антимикробными свойствами. Они названы де- фензинами [Wilson et al., 2016].

В настоящее время создаются трансгенные растения томатов, картофеля, рапса, моркови, яблони и груши с геном дефензинов редьки. Аналогичная работа проводится по созданию трансгенной капусты и малины [Глазко, Чешко, 2007].

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>