6.8.1.6.Применение методов генетической инженерии для улучшения аминокислотного состава запасных белков растений

Решение проблемы создания новых форм растений подразуме­вает в первую очередь повышение качества синтезируемых расте­нием продуктов, которые определяют его питательную и техни­ческую ценность. В основном это касается запасных белков.

В большинстве случаев запасные белки растений имеют несба­лансированный для питания человека и животных аминокислот­ный состав. Так, запасные белки злаков — проламины — бедны лизином, триптофаном и треонином, что снижает их питатель­ную и кормовую ценность. Улучшение аминокислотного состава белка путем традиционной селекции не дает желательных резуль­татов, поскольку необходимые гены часто сцеплены с нежела­тельными признаками и наследуются вместе. Например, у мутан­тов кукурузы и ячменя повышение содержания лизина коррели­ровало с уменьшением синтеза основных запасных белков — зеи-на и гордеина, а также с уменьшением урожайности.

Генно-инженерные методы более перспективны для создания улучшенных сортов, так как позволяют избирательно вводить в геном растения-реципиента гены искомого признака. Операции по получению трансгенных растений с улучшенным аминокислотным составом белка разделены на ряд этапов: 1) клонирование генов запасных белков; 2) изучение механизмов тканеспецифичной и временной экспрессии белков и выявление последовательностей ДНК, определяющих данный механизм; 3) целенаправленное из­менение последовательностей генов запасных белков для улучше­ния аминокислотного состава; 4) создание векторов, содержащих измененный ген; 5) введение модифицированных генов в растения.

В настоящее время клонированы 10 генов гордеинов ячменя, гены а- и (3-глиадинов и глютенина пшеницы, зеинов кукурузы, легумина бобовых, пататина картофеля и ряд других. Имеются практические результаты трансформации растений. Так, введение в геном пшеницы модифицированного гена проламина привело к активному синтезу модифицированного белка, а также повлияло на состав и уровень соответствующих запасных белков. В итоге улуч­шилось хлебопекарное качество пшеничной муки.

6.8.1.7.Повышение эффективности процесса фотосинтеза

Один из возможных способов увеличения фотосинтеза и, следо­вательно, продуктивности растений состоит в клонировании хлоро-пластных генов в клетках бактерий и их переносе в растения. Изве­стно, что хлоропласты и прокариотические клетки сходны по ряду признаков. На основании этого возникла симбиотическая гипоте­за происхождения хлоропластов, впервые выдвинутая А. С. Фамин-циным (1886). Согласно этой гипотезе, клетки прокариот и хло­ропласты сходны. В них присутствуют кольцевые ДНК, 70S-pH6o-сомы; синтез белков начинается с одной и той же аминокислоты — N-формилметионина, а синтез белка подавляется хлорамфенико-лом, а не циклогексимидом, как у эукариот. Позже было показа­но, что ДНК-зависимая РНК-полимераза Е. coli связывается с определенными участками ДНК хлоропластов шпината.

В клетках Е. coli инициация белкового синтеза частично регу­лируется доступностью участка связывания рибосом (УСР). Его структура до конца еще не выяснена, но расшифрован участок, известный под названием «последовательность Шайн-Дальгарно» (ШД). Она комплементарна З'-концу 165-рибосомальной РНК, и инициация белкового синтеза начинается с образования компле­ментарной пары между этой последовательностью и З'-концом 16S-рибосомальной РНК. Анализ последовательности ДНК хлороплас-тного гена большой субъединицы основного фермента фотосин­теза — рибулозодифосфаткарбоксилазы (РДФкарбоксилазы) ку­курузы — выявил значительные гомологии с известными промото­рами и последовательностями ШД клеток Е. coli. Все это привело к попытке клонирования генов хлоропластов в клетках Е. coli, наи­более часто используемой в генно-инженерных исследованиях.

Транскрипционные конструкции могут создаваться двумя пу­тями: во-первых, это установка промотора рядом с УСР, кото­рый узнается полимеразой Е. coli, во-вторых, это формирование гибридного УСР, состоящего из прокариотической последовательности ШД и эукариотического или синтетического инициирую­щего кодона. Первый путь широко применяется для увеличения экспрессии генов Е. coli и хлоропластных генов в клетках Е. coli.

В настоящее время уже клонировано несколько хлоропластных генов: гены синтеза субъединиц РДФкарбоксилазы, белка хлоро­филл-белкового комплекса, АТФсинтетазы, цитохрома и др.