Лекция 12.

реклама
T
Направления использования сортов генноинженерных растений
Рост посевных площадей, занятых в мире под
трансгенными культурами (http://www.isaaa.org)
Страны, в которых выращивают трансгенные
культуры (2012 г, http://www.isaa.org)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
США – 69,5 млн га
Бразилия – 36,6
Аргентина – 23,9
Канада – 11,6
Индия – 10,8
Китай – 4,0
Парагвай – 3,4
ЮАР – 2,9
Пакистан – 2,8
Уругвай – 1,4
Боливия – 1,0
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Филиппины
Австралия
Буркина Фасо
Мьянма
Мексика
Испания
Чили
Колумбия
Гондурас
Судан
Португалия
Чехия
Куба
Египет
Коста Рика
Румыния
Словакия
Сельскохозяйственные культуры, трансгенные
сорта которых допущены к использованию:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Соя
Кукуруза
Рапс
Хлопчатник
Томаты
Картофель
Рис
Сахарная свекла
Лен
Турнепс
Кабачки
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Дыни
Табак
Цикорий
Папайя
Гвоздика
Пшеница
Люцерна
Полевица
Слива
Основные «трансгенные» признаки:
1. Толерантность к гербицидам
2. Устойчивость к насекомым
3. Устойчивость к вирусам
4. Устойчивость к засухе
5. Улучшенные качественные характеристики:
- улучшенный состав жирных кислот
растительного масла (соевого, рапсового);
- пониженное содержание никотина в табаке;
- безамилозный картофельный крахмал;
- удлиненные сроки созревания/хранения
плодов.
6. Система получения гетерозисных гибридов на
основе мужской стерильности/восстановления
фертильности
Площади, занятые под основными
трансгенными культурами, 2010 г.
(http://www.isaa.org)
• Соя: 73,3 млн га – 50% площадей под ГМкультурами
• Кукуруза: 46,8 млн га – 31% площадей
• Хлопчатник: 21 млн га – 14% площадей
• Рапс: 7 млн га – 5% площадей
Основные трансгенные признаки
• Толерантность к гербицидам – 89,3 млн га
(61%)
• Устойчивость к насекомым-вредителям –
26,3 млн га (17 %)
• Комбинация признаков – 32,3 млн га (22%)
ГМО, толерантные к гербицидам
Толерантность к гербицидам обусловлена,
как правило, мутацией одного определенного
гена. Известно два основных механизма
устойчивости:
• «Мутация мишени»
• Выработка ферментов, способных
дезактивировать гербицид
ГМО, толерантные к гербицидам («мутация
мишени»)
• Толерантность к глифосату (Раундапу)
«Мишень» - фермент 5-енолпирувил-шикимат-3-фосфат
синтаза (EPSPS), который играет важную роль в синтезе
ароматических аминокислот (тирозина, фенилаланина и
триптофана). Трансгены:
cp4 (модифицированный epsps) от Agrobacterium
aro A от бактерий рода Aerobacter
smI от Salmonella
• Толерантность к сульфонилмочевинным гербицидам
(сульфонилмочевина, имдозолинон, триазопиримидины,
пиримидилоксобензоаты)
«Мишень» – фермент ацетолактатсинтаза, вовлеченный в
биосинтез разветвленных незаменимых аминокислот
(валин, лейцин, изолейцин)
Трансгены: модифицированные гены als ацетолактат
синтазы растений (кукурузы, арабидопсиса , табака и др.)
ГМО, толерантные к гербицидам
(дезактивация гербицида)
• Толерантность к глюфосинату аммония (фосфинотрицину)
(коммерческие препараты: Basta, Liberty, Finale)
Мишень - фермент глютамин синтаза катализирует
включение аммония в глютамин
Трансгены:
bar от Streptomices hygroscopicus
pat от Streptomices viridichromogenes, которые кодируют
синтез фермента фосфинотрицин ацетилтрансферазы
• Толерантность к оксиниловым гербицидам (бромоксинил и
иоксинил)
• Трансгены:
• ген нитрилазы от Klebsiella pneumoniae var. ozanae
ГМО, толерантные к гербицидам
Устойчивость к насекомым-вредителям
• В основе образование Bt-токсина (синонимы: Btпротеин, кристаллический протеин, дельтаэндотоксин), характерного для почвенных
бактерий – Bacillus thuringiensis.
• Биопрепараты на основе Bt-протеина:
Битоксибациллин, Лепидоцид, Колептерин,
Бацитурин, Дендролин и др.
• Трансгены: cry IA, cry Iab, cry 9C, cry IF от B.
thuringiensis v. kurstaki
• Cry 3A, cry 34Ab1, cry 35Ab1, cry 3Bb1 от B.
thuringiensis v. tenebrionis и др.
Устойчивость к насекомым-вредителям
ГМО, устойчивые к вирусам
• В основе перенос в растения гена белка оболочки вируса
(сoat protein -СР). Аналогичный и даже иногда лучший
результат достигаются при использовании не CP
трансгенов, а генов, кодирующих другие протеины вирусов
(гены ферментов репликазы, РНКазы и др.).
• Культуры: Папайя, устойчивая к вирусу пятнистости, две
формы цуккини, устойчивые к нескольким вирусам, и сорта
картофеля с комплексной устойчивостью к колорадскому
жуку (Bt-ген) и к одному из вирусов картофеля: игрек
вирусу (PVY) или вирусу скручивания листьев (PLRV), а
также вирусоустойчивая слива
Создание ГМО, устойчивых к болезням и
вредителям
• За счет инсерции генов, обеспечивающих стимуляцию
естественного (неспецифического) иммунитета
Гены: ферментов амилаз, хитиназ, полифенолоксидаз,
пероксидаз, а также фитоалексинов и лизозимов, лектинов
и др.
•
За счет переноса в геном растений генов устойчивости к
болезням от диких видов.
Получены ГМ-растения картофеля, устойчивые к
самому опасному заболеванию этой культуры –
фитофторозу, благодаря переносу к неустойчивым сортам
генов устойчивости от диких видов картофеля Solanum
bulbocastanum, S. verrucosum и др.
ГМО, устойчивые к засухе
• Повышенная устойчивость к засухе достигается благодаря
инсерции гена csp протеина холодового шока Bacillus
subtilis.
• Этот протеин является РНК-шапероном, который
обеспечивает повышенную устойчивостью бактерий и
растений к абиотическим стрессам, минимизируя
нарушения укладки РНК (ее вторичной структуры) при
воздействии стресса.
• В результате клетки сохраняют функциональную
активность в стрессовых условиях
• Идет работа над выделением, клонированием и переносом в
растения трансгенов, кодирующих образование различных
осмопротекторов (ионов, протеинов, аминокислот, сахаров,
полиаминов), генов, регулирующих содержание ненасыщенных
жирных кислот в мембранах клеток и т.д.
ГМО с улучшенными качественными
характеристиками (состав жирных кислот в
масле)
Масло
Ненасыщенные жирные кислоты
Олеиновая (1)
%
Линолевая (2)
%
Линоленовая (3)
%
Подсолнечное
24-40
46-62
1
Соевое
23-39
51-57
3-6
Кедровое
15
57-72
21-28
Рапсовое
В основном
мало
мало
Оливковое
60-80
10
1
Льняное
13-29
15-30
44-61
ГМО с улучшенными качественными
характеристиками (состав жирных кислот в
масле)
• Рапс с модифицированным содержанием жирных кислот в
семенах, особенно высокие уровни лаурата (25-40%) и
миристиновой кислоты благодаря инсерции гена
тиоэстеразы калифорнийского лаврового дерева
• Соя с модификацированным содержанием жирных кислот
в семенах: особенно высокая экспрессия олеиновой
кислоты (повышение с 23 до 80%) благодаря инсерции
дополнительной копии гена десатуразы сои (из-за
снижения уровня полиненасыщенных линолевой и
линоленовой кислот)
ГМО с улучшенными качественными
характеристиками
• Картофель с улучшенным составом крахмала:
повышенное содержание ветвистых форм
(амилопектина) и снижение уровня неветвистых
форм (амилозы) благодаря инсерции
дополнительной копии гена амилозы картофеля
(в антисмысловой ориентации)
• Табак с пониженным уровнем никотина
благодаря инсерции дополнительной копии гена
фосфорибозилтрансферазы табака
(в антисмысловой ориентации)
ГМО с улучшенными качественными
характеристиками
• Кукуруза с улучшенными
кормовыми характеристиками :
повышенное содержание
аминокислоты лизина в белке зерна
благодаря инсерции гена cordapA
дигидродипиколинат синтазы от
Corynabacterium glutamicum
• Кукуруза для производства
биотоплива с геном
термостабильной альфа-амилазы
от Thermococcales spp
ГМО с улучшенными качественными
характеристиками
• Швейцарским ученым удалось перенести в растения риса
генетическую конструкцию, содержащую сразу три гена от
разных организмов, необходимых для биосинтеза каротина
(провитамина А): фитоендесатуразы и ликопин β-циклазы
от нарцисса и ген каротиндесатуразы от бактерий.
• В результате растения риса стали способными
синтезировать каротин, концентрация которого в зерне
достигала 1,6-2 микрограмм на грамм сырой массы.
ГМО с улучшенными качественными
характеристиками
•
•
Швейцарским ученым удалось
перенести в растения риса
генетическую конструкцию,
содержащую сразу три гена от
разных организмов,
необходимых для биосинтеза
каротина (провитамина А):
фитоендесатуразы и ликопин
β-циклазы от нарцисса и
ген каротиндесатуразы от
бактерий.
В результате растения риса
стали способными
синтезировать каротин,
концентрация которого в зерне
достигала 1,6-2 микрограмм на
грамм сырой массы.
ГМО с удлиненными сроками созревания
• Томаты FLAVRSAVR с удлиненным периодом хранения
плодов благодаря инсерции дополнительной копии гена
полигалактуроназы томатов (в антисмысловой
ориентации)
• Томаты с удлиненным периодом созревания плодов
благодаря инсерции генов: фермента S-аденозилметионин
гидролазы от бактериофага T3 E.coli, деаминазы 1-аминоциклопропан-1-карбоновой кислоты от Pseudomonas
chlororaphis, дополнительной копии гена томатов синтазы
1-амино-циклопропан-1-карбоновой кислоты, что приводит
к снижению аккумуляции растительного гормона этилена
ГМО с системой мужской стерильностивосстановления фертильности для
получения гетерозисных гибридов
• Для создания мужски стерильных трансгенных линий
растений было предложено использовать ген barnase от
Bacillus amylоliquefaciens, который кодирует образование
фермента РНКазы, участвующего в расщеплении молекул
РНК. Благодаря тканеспецифическому промотору РТА29 от
табака этот фермент образуется у трансгенного растения
только в одном месте (пыльнике) и только в одно время
(во время цветения)
• Для восстановления фертильности у гибридов F1 при их
получении в качестве опылителя используют линии,
несущие трансген barstar от Bacillus amylоliquefaciens. Этот
ген кодирует образование фермента-ингибитора РНКаз,
благодаря чему у гибридов восстанавливается
фертильность пыльцы.
• Рапс, кукуруза, цикорий
• Гвоздика с модификацией окраски
цветка (фиолетовый/розоватолиловый) благодаря инсерции двух
генов биосинтеза антоциана от
Petunia hybrida
Перспективные направления исследований
по созданию ГМО
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Признаки, косвенно связанные с урожайностью и качеством
продукции растений:
устойчивость к болезням;
устойчивость к вредителям;
толерантность к гербицидам.
Признаки продуктивности и качества продукции растений:
урожайность;
качественные характеристики (содержание белка и отдельных
аминокислот, содержание масла и отдельных жирных кислот,
содержание и качественные характеристики крахмала, других
углеводов, содержание витаминов и других физиологически
активных веществ, минеральных веществ, аллергенов, токсинов
и пр.);
синтез веществ специального назначения, прежде всего,
протеинов, предназначенных для использования в фармакопее.
Перспективные направления исследований
по созданию ГМО
• Агрономические характеристики растений:
• морфология растения и отдельных органов (карликовость,
апикальное доминирование или кустистость, характер
корнеобразования; размер и цвет зерен, плодов,
измененная форма листа и пр.);
• мужская стерильность / восстановление фертильности;
• холодостойкость;
• жаростойкость;
• устойчивость к водным стрессам;
• устойчивость к засолению;
• скорость развития растений, скороспелость;
• удлиненный период созревания плодов;
• Создание ГМО – биореакторов для производства
рекомбинантных протеинов, например, для фармакопеи
(интерферон альфа, интерлейкином 10, токоферол и др.)
• Создание ГМО для производства съедобных вакцин
(бананы с антигенами вируса папилломы)
• ГМО для очистки территорий от загрязнения нефтью и
тяжелыми металлами
• Терминальные технологии (производство стерильных
семян)
Скачать