Гендік инженерияның мүмкіндіктері мен даму болашағы

Өсімдіктер клеткаларына бөтен генетикалық информацияны енгізу мүмкіндігі тәжірибе жүзінде дәлелденді. Осы әдістерді пайдалану негізінде бағалы қасиеттері бар өсімдіктерді шығару үшін болашақта көп үміт күтерлік жол ашылды.

Өсімдіктерге бөтен гендерді тасымалдау жөніндегі деректер 1981 жылдан бері белгілі. Бактериялар, жануарлар және өсімдіктер гендері плазмидалық Т-ДНҚ-ның рестрикциялық бөліктеріне тігіліп, өсімдік геномына нәтижелі тасымалданған. Соның арқасында гендік инженерия әдістерімен құрастырылған алғашкы өсімдіктер алына бастады. Өсімдіктерге бөтен генді Ті-плазмиданың көмегімен енгізу әрекеттері ең алдымен бактерия гендерін тасымалдаумен байланысты болды. Ол үшін көбінесе антибиотиктерге төзімділікті белгілейтін Е. соlі гендері қолданылды. Бұл гендерді пайдаланудың себебі, олардың өсімдік геномына тіркесуін оңай тексеруге болатындығынан. Бірақ бұл антибиотиктерге төзімділік белгісінің өсімдік үшін ешбір пайдасы жоқ. Турасын айтқанда, бұл бөтен ген нақтылы тасымалданды ма, жоқ па, тек қана соның куәсі ретінде және де, егер тасымалданса, онда өзіне тән қызметін атқарып жатқанын көрсету үшін керек. Бұндай селективті маркерлік гендер өсімдіктерге туыстығы жоқ бөтен гендерді тасымалдау кезінде қолданылады.

Өсімдіктер геномын гендік инженерия әдістерімен өзгертіп қайта құру мақсаты екі мәселені шешуге бағытталған. Біріншісі, трансгенозға байланысты негізгі теориялық мәселелерді шешу, ал түбінде өсімдіктердің алдын ала көзделген белгілі қасиеттері бар жаңа варианттарын шығару үшін практикалық селекцияда гендік инженерия әдістерін қолдану.

Өсімдіктердің ауыл шаруашылығында бағаланатын негізгі белгілері, атап айтқанда: түсімділік, тез жетілу, сабақпен масақтың ұзындығы, дәндегі белок мөлшері, түрлі стресс факторларға төзімділік. Осындай құнды қасиеттер көпгендік (полигендік) жүйелердің бақылаумен қалыптасады, яғни гендердің күрделі комплекстерінің өзара әр қилы әрекеттесуі арқылы пайда болады. Өкінішке орай, бұндай полигендік белгілерді гендік инженерия әдістерімен бір организмнен басқа организмге көшіріп дарыту әзірше мүмкін емес. Өсімдіктерді жақсартудың ең жарамды амалдары ежелден организмде бар гендерді өзгерту (модификациялау) және гендік инженерия әдістерімен нақтылы бір белгіні кодтайтын жеке бір генді тасымалдау.

Белоктардың сапасын жақсарту

Екпе өсімдіктер дәнінде қор ретінде жинақталатын белоктарды құрамы жағынан бір-біріне жақын гендер кодтайды. Дәннің қор белоктарының түзіліп жинақталуы күрделі де, дәл реттелетін агрономия және экономика тұрғысынан өте маңызды биосинтетикалық процесс.

Бір өсімдіктің қор белогының сапасын жақсарту үшін оған басқа өсімдіктің қор белогының генін енгізу жөнінде алғашқы әрекетті 1983 жылы АҚШ-та Д. Кемп пен Т. Холл істеген. Олар бұршақтың басты қор белогы фазеолин генін Ті-плазмида көмегімен күнбағыстың геномына енгізген еді. Бұл тәжірибенің нәтижесінде «санбин» деген трансгендік өсімдік алынды. «Санбин» әзірше ешқандай іске жарамсыз, ауыл шаруашылығында пайдаланылмайды, бірақ, сонда да, бұл тәжірибенің маңызы өте зор, себебі ол гендік инженерия әдістерін өсімдіктерге қолдануға болатындығына сенім білдіріп, биотехнологияның осы бағытының басталуын жария етті. Күнбағыс клеткаларында фазеолиндік полипептидтер түзілетіндігі иммунологиялық жолмен анықталды. Өте маңызы зор бұл факт әр түрлі тұқымдастарға жататын өсімдіктер арасында гендерді тасымалдауға болатындығын дәлелдеді.

Одан кейін бұршақтың фазеолин гені темекі клеткаларына тасымалданып, регенерант өсімдіктердің барлық ұлпаларында ол геннің экспрессиясы өткен. Бұршақтың пісіп жетілген тұқым жарнағында фазеолин үлесіне жалпы белоктың 25-50 % келеді. Бөтен өсімдіктерде осындай жоғары мөлшерде фазеолин генінің экспрессиясы өтуі үшін онын өзіне тән реттеуіш сигналдары генмен қоса тасымалдануы қажет және онтогенез процесінде экспрессияның бақылануы маңызды екені білінді.

Жүгерінің зеин деген қор белогының гені Т-ДНҚ-ға тігіліп күнбағыс геномына енгізілген. Ол үшін зеин гендері тігілген Ті-плазмидалары бар агробактериялар штамдарын жұқтырып күнбағыстың сабағында ісікті қоздырған. Кейбір ісіктерде зеиндік мРНҚ түзілетіндігі анықталған. Бұл тәжірибе даражарнақты өсімдік генінің қосжарнақты өсімдікте транскрипциясы өтетіндігін дәлелдейді. Бірақ транскрипция өтіп, РНҚ түзілгенмен ген экспрессиясы толығымен жүрмей, трансляция процесі болмаған, яғни жүгерінің зеин белогы күнбағыс ұлпаларында түзілмеген. Сондықтан қор белоктарын кодтайтын гендерді тасымалдау өте күрделі де көбінесе сәтсіз аяқталатын процесс болып тұр.

Гендік инженерияның жеңілірек іске асатын мақсаты, ол бөтен белок гендерін тасымалдамай-ақ, әр өсімдікке тән белоктың амин қышқыл құрамын жақсарту. Көптеген астық тұқымдастарының қор белогында лизин, треонин, триптофан, ал бұршақ тұқымдастарында метионин мен цистеин жетіспейтіндігі мәлім. Белоктың құрамына жетіспейтін амин қышқылдарын қосымша енгізу арқылы белоктың сапасын жақсартуға болады. Дағдылы селекцияның әдістерімен астық тұқымдастарының қор белоктарында лизин мөлшері едәуір көтерілген. Ол үшін проламиндердің (спиртке еритін астық тұқымдастарының қор белоктары) бір бөлігі лизині көп басқа белоктарға ауыстырылды. Бірақ соның салдарында бұл өсімдіктерде дән уақ болып кеткен және жалпы түсімі кеміген. Шамасы, проламиндер дәннің толық болып қалыптасуына қажет шығар, сондықтан оларды басқа белоктармен ауыстыру түсімді төмендетеді. Осы жағдайды ескеріп, өнімділікті төмендетпейтін, бірақ құрамында лизин мен треонин көп белокты дәнді дақылдарда қалыптастыру қажет.

Астық тұқымдас өсімдіктерде лизинді көбейту мәселесін шешудің тағы бір жолы, ол дәнде бос лизиннің (белок құрамына кірмейтін) мөлшерін арттыру. Бұл тәсіл аспартат-киназа (тармақты амин қышқылдарының синтезі жолындағы бірінші фермент) гені бойынша мутанттарды алуға негізделген. Астық тұқымдастардың аспартат-киназа ферменті бос лизин мен метионин әсерімен кері байланыс механизмі арқылы тежеледі, соның салдарынан лизин синтезі бәсендейтін стадия. Сөйтіп, сол тежеулі стадияның әсерін басу үшін аспартат-киназа құрылысын мутация арқылы біраз өзгертіп, ол ферменттің қарқындылығын төмендету керек.

Кез келген өсімдік белогының амин қышқыл құрамын жақсарту үшін, тек ауыстырылмайтын амин қышқылдарынан (мысалы, лизин, треонин, метионин) тұратын бұрын-соңды болмаған, қолдан жасалған табиғатта кездеспейтін полипептидтерді кодтайтын жаңа гендерді пайдалануға болады. Табиғатта болмаған құрамының 80 %-ті ауыстырылмайтын бес амин қышқылынан тұратын полипептидті кодтайтын осындай генді 1986 жылы Джейнс қызметтестерімен химиялық синтез арқылы жасап шығарды. Ті-плазмиданы және Кі-плазмиданы пайдаланып, олар осы жасанды генді темекі клеткаларына енгізіп, химералық регенеранттарды алды. Сол трансгендік өсімдікте жасанды геннің экспрессиясы жүріп, мүлдем жаңа белок түзілетіні анықталды. Соңғы кезде гендік инженерияның метаболиттік инженерия деп аталатын бағыты қарқынды дамып келеді. Бүл бағыттың міндеті - өсімдіктерде оларға тән емес белоктарды синтездеу арқасында түрлі антиденелерді, вакциналарды, интерферондарды т.с.с. пайдалы заттарды өндіру. Метаболиттік инженерия белоктармен қатар өсімдіктегі көмірсулар мен майлардың да құрамына және мөлшеріне әсер ете алады.

Гербицидтерге төзімді өсімдіктерді жасау

Жаңа қарқынды технологиялар бойынша ауыл шаруашылығында гербицидтер кеңінен қолданылады. қазіргі кезде бұрын

қолданылған экологияға қауіпті, сүтқоректілерге улы гербицидтердің орнына жаңа, қауіпсіз гербицидтер пайдаланылады. Бірақ олардың да кемшіліктері бар. Олар арам шөптерді жоюмен қатар екпе өсімдіктердін де өсуін біраз тежейді.

Глифосат, атразиндер, сульфонилмочевина туындылары сияқты тиімділігі жоғары гербицидтерге кейбір арам шөптер төзімді келеді. Мысалы, атразин қолданылатын егістік жерлерде, көптеген өсімдік түрлерінің төзімді биотиптері пайда болады. Қазір осындай төзімділік механизмдері мұқият зерттелуде. Сондағы мақсат - гербицидке төзімділік белгісін гендік инженерия әдісін қолданып екпе өсімдіктерге енгізу. Бұл жұмыстың атқарылу кезеңдері мынадай: 1) өсімдік клеткасында гербицидтер әсер ететін биохимиялық нысанасын анықтау; 2) гербицидтерге төзімді организмдерді сұрыптап, олардың төзімділікті кодтайтын генін бөліп алу; 3) сол гендерді клондап көбейту; 4) төзімділік гендерін екпе өсімдіктерге тасымалдап енгізіп, олардың трансформацияланған өсімдіктердегі қызметін зерттеу.

Әр түрлі химиялық қосылыстарға, соның ішінде гербицидтерге де, төзімділікті қамтамасыз ететін төрт механизм бар: 1) тасымалдаушы (транспорттық); 2) жоюшы (элиминациялау); 3) реттеуші (регуляциялау); 4) жанасушы (контактық). Транспорттық төзімділік механизмі гербицидтің клеткаға кіруін тежейді. Жоюшы механизмі - клетканың ішіне кірген заттар клетка индукциялайтын факторлар әсерімен жойылады, көбінесе ол ыдыратушы ферменттер, немесе улы заттар модификациялану арқасында зиянсыз заттарға айналады. Реттеу механизм - гербицид әсерімен инактивтенетін белок немесе фермент қайтадан қарқынды синтезделе бастайды, соның арқасында қажет метаболиттің орны толады. Контактық механизм - гербицид әсер ететін нысананың (белок немесе фермент) құрылымы өзгертіледі де, гербицид зиян әсер көрсете алмайды.

Гербицидке төзімділік жалғыз бір ғана генмен белгіленеді, яғни моногендік болады. Бұл жағдай осы белгіні басқа өсімдікке рекомбинанттық ДНҚ-ны қолданып енгізу жұмысын жеңілдетеді. Сонымен бірге, гендік инженерия әдістері гербицидтерді ыдыратуын немесе модификациялауын қамтамасыз ететін ферменттердің гендерін де тасымалдау арқасында төзімді өсімдіктерді шығара алады. Ал дағдылы селекцияның әдістері ұзаққа созылады және де тиімділігі өте төмен.

Кең пайдаланылатын глифосат гербициды маңызды ароматикалық амин қышқылдарының синтезін тежейді. Ол 5-енолпирувилшикимат-3-фосфосинтетаза (ЕПШФ-синтетаза) ферментіне әсер етеді. Төзімді өсімдіктерде бұл ферменттің синтезі арта түседі (реттеу механизм) немесе глифосат әсер ете алмайтын мутанттық фермент пайда болады (контактық механизм). Глифосатқа төзімді өсімдіктен ЕПШФ-синтетазаның гені бөлініп алынып, ТҚТВ промоторына жалғастырылып тігілді. Ті-плазмида көмегімен бұл генетикалық құрылым шырайгүл клеткаларына енгізілді. Трансформацияланған клеткалардан шыққан регенеранттарда геннің бірақ көшірмесі болса да, олар бастапқы өсімдіктерден 20-40 есе артық ферментті синтездеген. Соның нәтижесінде глифосатқа төзімділік 10 есе артқан. ЕПШФ-синтетаза ферментінің құрамындағы 101-ші болып орналасқан бір пролин серинге алмастырылған. Төзімділікті белгілейтін ЕПШФ-синтетазаның сондай мутанты сальмонелла бактериясынан алынған. Одан кейін осы ферменттің гені алынып, Ті-плазмида арқылы темекі клеткаларына енгізілген. Кейін олардан глифосатқа төзімді регенеранттар пайда болған. ЕПШФ-синтетаза ферментінің гені ядролық ДНҚ-да орналасқан. Синтезделген белок (фермент) өз қызметін хлоропластарда жүргізеді.

Дәнді дақылдар егістігінде кеңінен қолданылатын гербицидтерге атразин жатады. Ол II фотожүйенің бір белогымен байланысып, электрондардың тасымалдануын тоқтатады, яғни фотосинтезді тежейді. Сол құрамында пластахиноны бар белокта нүктелі мутация (серин глицинге алмастырылады) өткенде, ол гербицидпен әрекеттесу қабілетінен айырылады да, өсімдік атразинге төзімділік көрсетеді. Мутанттық белоктың гені Ті-плазмиданың көмегімен атразинге сезімтал өсімдіктерге тасымалданады. Бұл белоктың хлоропластарға өтуге мүмкіндігі болу үшін генде арнайы сигналдың тізбегі болған. Химералық өсімдіктер атразиннің жоғары концентрацияларына төзімділік көрсеткен, ал белоктың жабайы түрін (мутацияға шалдықпаған) гені бар бақылау тобындағы өсімдіктер атразиннің әсерімен құрып кеткен.

Кейбір өсімдіктер глутатион-8-трансфераза ферментінің әрекетімен атразиннің хлор қалдығын бөліп алып, гербицидтің активтігін тежейді. Осы фермент арқылы триазин қатарының басқа туыс гербицидтері де (пропазин, симазин т.б.) өз күштерін жояды.

Сульфонилмочевина туындылары өте күшті әсер ететін гербицидтер. Олардың арасында ең кең тарағандары - сулырометуроп метил және хлорсульфурон. Бұл гербицидтер ацетолактат-сиптаза ферментіне кері әсер етеді. Соның нәтижесінде валин мен лейцим амин қышқылдарының синтезі шектеледі. Бұл гербицидтерге төзімділік ацетолактат-синтазаның құрамындағы кейбір амин қышқылдарының ауысуына байланысты. Гендік инженерия әдістерімен сол гербицидтерге төзімділігі 20-30 есе өскен темекі мен соя өсімдіктері алынған.

Кейбір өсімдіктердің төзімділігі олардың гербицидтердің улы әсерін жою (детоксикация) қабілетіне байланысты. Мысалы, хлорсульфуронға төзімділік бұл гербицид молекуласын гидроксилдеу (ОН тобын қосу), келесі гидроксил тобын гликозилдеу (қант қалдығын қосу) нәтижесінде пайда болады.

Сонымен, өсімдіктердің гербицидтерге төзімділігі әр түрлі принциптерге негізделгендіктен, оларға төзімділік белгісін енгізу жолдары да әр қилы болады.

Патогендер мен зиянкестерге төзімді өсімдіктерді жасау

Ауыл шаруашылығына микроб, саңырауқұлақ, вирустық патогендер мен әр түрлі жәндіктердің тигізетін зияны орасан зор. Сондықтан түрлі аурулар мен зиянкестерге төзімді өсімдік сорттарын шығару ауыл шаруашылық биотехнологияның ең бір өзекті міндеті және де гендік инженерияны практикада қолдану жолындағы үздік мәселе болып табылады. Өкінішке орай, түрлі патогендерге өсімдіктің төзімділігі көптеген гендермен белгіленеді. Бір мезгілде бірнеше локустарды тасымалдау мәселесін гендік инженерия әдістерімен шешу қиын, ал дағдылы селекция әдістеріменен де тіпті мүмкін емес. Қазір гендік инженерияның айлалы әрекеттерімен тек қана жалғыз бір ген немесе хромосоманың бір бөлігінде жалғаса орналасқан бір топ гендер ғана белгілейтін төзімділік белгісін тасымалдап өсімдікке дарытуға болады.

Гендік инженерия әдістерінің тағы да бір іске асатын жолы бар. Кейде өсімдіктің өзіне тән табиғи төзімділік гені болса да, ол патогенге төтеп бере алмайды. Мұндай төзімсіздік гендердің экспрессиясы әлсіз болғандығына немесе гендердің қызмет қарқыны бәсендеуіне байланысты болады. Соның салдарынан патогендік организмдер ауру туғызып өсімдікті күйзеліске ұшыратады. Гендік инженерия тәсілімен төзімділік қасиетін кодтайтын бұл гендердің экспрессиясын реттеуіш элементтерін алмастыру және күшті промоторды енгізу арқылы арттыруға болады немесе гендердің санын көбейтуге болады (амплификация). Бірқатар жағдайларда бұл жол өсімдікке бөтен құрылымдық гендерді енгізумен салыстырғанда оңай және тиімді болады. Себебі, тасымалданған бөтен гендердің өнімдері кей кездерде клеткаға жағымсыз, тіпті зиянды болып шығуы мүмкін.

Фитовирусологияда индукцияланған айқас төзімділік деген құбылыс белгілі. Бұл құбылыстың мәні мынадай. Егер өсімдікке вирустың бір штамын жұқтырса, ондай өсімдік сол вирустың басқа штамдарына да төзімді болады. Бұл құбылыстың молекулалық механизмі әлі анықталмаған. Өсімдікте иммунитет пайда болу үшін оған вирустың өзін емес, тіпті жеке гендерін, мысалы капсида белоктарының гендерін енгізу жеткілікті екен. Темекі теңбіл вирусының қабықша белогының генін темекі клеткаларына тасымалдап, трансгендік өсімдіктер алынған. Олардың жапырағында жалпы белоктардың 0,1% вирус белогы болған. Бұл өсімдіктердің көбі вируспен зақымданбаған. Шамасы, өсімдік клеткаларында синтезделетін вирус қабығы өзгертілген белогы мен вирустык РНҚ қосыла алмайды. Сол себептен вирустар көбеймейді.

Темекі, томат, картоп, қияр, бұрыш трансгендік өсімдіктерінде теңбіл ауруын қоздыратын вирус штамының капсида белогының экспрессиясы оларға басқа штамның инфекциясын жұқтырмайды. Бұл өсімдіктердің ұрықтануы төмендемеген, өсу және физиология процестері өзгермеген. Жорамал бойынша, вирустарға өсімдіктердің индукцияланған төзімділігінің себебі -ерекше антивирустық белок. Ол жануарлардың интерферонына ұқсайды. Гендік инженерия әдісін қолданып осы белокты кодтайтын геннің экспрессиясын амплификиция арқылы немесе күшті промоторға қосу арқылы арттыруға болады. Айта кететін жай, өсімдіктерді әр түрлі патогендік организмдерден қорғау үшін гендік инженерияны кеңінен пайдалануды өсімдіктердің қорғаныш реакцияларының механизмдері жөнінде білім жетіспеушілігі шектейді.

Өсімдіктерді зиянкес жәндіктерден корғау үшін химиялык заттар - инсектицидтер колданылады. Бірақ олар сүтқоректілерге де зиян келтіреді, пайдалы жәндіктерді өлтіреді, қоршаған ортаны ластайды, бағасы қымбат болады, және де зиянкестер оларға тез бейімделіл кетеді. Пайдаланатын инсектицидтерге төзімділік қасиеті бар 400 астам жәндіктер түрлері белгілі. Сондықтан биологиялық жолмен күресу амалдары өзіне назар аударуда, өйткені олар әр жәндік түріне сәйкес қатаң таңдаулы әсер етеді және де зиянкестер биопестицидке бейімделе алмайды.

Бұл бағытта әсіресе қызықтыратын микробиологиялық пестицидтер. Олар зиянкестерді өлтіретін микроб токсиндері. Мысалы, Васilus thuringiensis микробының токсині жапырақтармен қоректенетін жәндіктердің личинкасын өлтіреді. В. thuringiensis штамдары бірнеше токсиндерді түзеді. Олар зақымдайтын жәндіктер түріне және де тиімділігіне қарай ерекшеленеді. Қазір 20-ға жакын токсиндер белгілі. Түрлі штамдар токсиндерінің гендері клонданған, олардың нуклеотидтік тізбегі анықталған және ол гендер микроорганизмдердің басқа түрлеріне, мысалы, Pseudomonas fluorescens клеткаларына енгізілген. Бұл кең таралған зиянсыз эпифиттік микроб, көптеген екпе өсімдіктердің нормалы микрофлорасына жатады, соның ішінде тамыр жүйесіне де. Тәжірибелер көрсеткендей, токсин түзетін Рs. fluorescens трансгендік клеткалары бірқатар өсімдіктерді зиянкестерден қорғай алатын қабілетке жеткен.

Осы токсиннің генін өсімдікке тікелей енгізу әрекеттері істслген. Токсинді синтездейтін темекі трансгендік өсімдіктері алынған. Бұл өсімдіктер Моnduca sexta деген зиянкес жәндіктің гусеницаларына төзімді болған. Үш тәулік бойы бұл трансгендік өсімдік жапырағымен қоректенген гусеницалар уланып қырылған. Токсинді түзуші ген және оның арқасында пайда болған төзімділік қабілет доминанттық белгі ретінде тұқым қуалаған.

Осыған ұқсас тәжірибелер мақтамен кейбір дәнді дақылдармен, соямен, жоңышқамен, томатпен де істелген. Нәтижесінде токсинді түзетім трансгендік мақта өсімдіктері алынған. Бұдан басқа, сиыр асбұршақтын гені енгізілген трансгендік мақта өсімдіктер алынған. Бұл ген кодтайтын белок жәндіктердің ас қорыту жүйесінде белоктарды ыдырататын ферменттердің активтігін тежейді. Колорадо қоңызын өлтіретін токсиндердің гендері бар төзімді картоп шығарылған.

Түрлі зиянкестерді өлтіретін өсімдіктердін өздерінің токсиндері сонғы кезде ғалымдардьщ назарын аударуда. Фитотоксиндер белок синтезін тежейді, сондыктан зиянкес жәндіктерге, микрорганизмдер мен вирустарға карсы қорғауыш болады. Олардын ішінде ен жаксы зерттелген үпілмәлікте (клещевина) синтезделетін рицин деген белок. Онын гені клонданған және нуклеотид күрамы аныкталған. Бірак рицин сүткоректілерге улы болғандыктан бүл фитотоксинді адам немесе мал жемейтін дакылдарды корғау үшін колдануға болады.

Американдык «Фитолакка» фирмасы өндіретін токсин вирустармен күресуге тиімді және жануарларга зиянсыз. Клеткаға фитовирустар кіргенде, бүл токсин өсімдіктін өзінің рибосомаларын инактивтейді, сондыктан сол клеткалар некрозға үшырап, патогеннін көбеюіне және өсімдікте таралуына жол бермейді. Қазір осы белоктын гені және оны баска өсімдіктерге енгізу мумкіндігі зерттелуде.

Вирустар коздыратын аурулар жәндіктер арасында да кен таралған, сондықтан зиянкестермен күресу үшін олардын табиғи вирустарын колдануға болады. Олардан өндірілген препараттарды вирусгык пестицидтер деп атайды. Олардын ядохимикаттардан көп артыкшылыктары бар: санаулы белгілі бір жәндіктерге ғана әсер етеді; пайдалы жәндіктерді өлтірмейді; коршаған ортада тез ыдырайды да өсімдіктер мен жануарларға зиян келтірмейді. Казір колданылатын биопестицидтер энтомопатогендік вирустары мен саныраукүлактардын табиғи штамдары. Ал болашакта гендік инженерия әдістерімен жаңа, тиімділігі жоғары биопестицидтерді шығаруға болады.

Стрестік жағдайларға өсімдіктврдің төзімділігін артгыру

Өсімдіктер коршаған ортанын көптеген колайсыз фактор-ларынын әсеріне тап болады. Олар жоғары және төмен темпера-тура, ылғалдын жетіспеушілігі (күрғакшылық), топырактьщ түздануы (сор топырак), ауанын газдануы, минералдык затгардын жетіспеушілігі немесе, керісінше, шектен тыс көбеюі т.с.с. Бүл факторлар өте көп болғандыктан олардан корғану жолдары да әр түрлі - физиологиялык касиеттерден күрылымдык өзгерістерге дейін. Өсімдіктін кандай болмасын стресс факторына төзімділігі көптеген гендерге байланысты. Сондыктан, өсімдіктің бір турінен екінші түріне барлық төзімділік белгілерін толығымен тасымалдап енгізу тек кана гендік инженерия әдістерімен әрине мүмкін емес. Бірак, сонда да, кейбір жағдайда гендік инженерия аркылы өсімдіктердін төзімділігін арттыруға болады. Мысалы, стресс жағдайларына өсімдіктін метаболиттік реакциясын бакылайтын жеке гендермен әрекеттер жургізуге жағдай бар. Ортаньщ жағдайларына жауап реакцияларының физиологиялык, биохимиялык, генетикалык негіздерін одан әрі зерттеулер гендік инженерия әдістерін колданып төзімді өсімдіктерді шығаруға мумкіндік береді.

Ал, казірше, аязға төзімді өсімдіктерді шығару үшін мына жанама тәсілді ескеру кажет. Рзешіотопаз 8угіп§ае микробы өсімдік мушелерінін сыртына жабысып тіршілік етеді. Микроорганизм ерекше біріэелокты синтездейді. Ол белок сырткы мембранада орналаскан. Суык тускен кезде осы белоктың айналасында муз кристалдары тез пайда болады. Өсімдіктің жапырактарында, сабактарында, тамырларында муз қатып, өсімдіктің үсікке үшырауына себепші, осы аталған белок. Катаң бакылауда өткізілген көптеген тәжірибелер көрсеткендей, стерильдік (бактериясыз) өсімдіктер үсікке шыдамды болады (тіпті -6° -8°С аязға дейін), ал микрофлорасы бар өсімдіктер -1,5° -2°С өзінде-ак үсіп кетеді. Осы микробтардын сол белокты синтездеуге кабілеті жок мутанттары мүздың катуын бәсевдеткен, сондыктан мутант микробтары бар өсімдіктер үсікке төзімді болған. Мутант бактерияларды картоп түйіндеріне сепкен соң, олар бүрынғы әдеттегі бактериялармен бәсекелесіп, өсімдіктердін аязға төзімділігін арттырған. Мүмкін, гендік инженерия әдістерімен жасалған осындай бактериялар коршаған ортаға енгізіліп, өсімдіктерді усіктен сактауға мүмкіншілік береді.

Биологиялык молекулалык азопы сіңірудін тиімдіяігін арпыру

Азот өсімдіктер үшін ең тапшы элемент. Көптеген, тіпті экономика жағынан дамыған елдердін өзінде, химия өнеркәсібі ауыл шаруашылығының азоттык тыңайткыштарға деген кажетін канағаттандыра алмайды. Азоттык тьщайткыштарды шығару процесі өте кымбат, және де коршаған ортаға теріс әсер етеді. Өсімдіктер топыракка салған тьщайткыштын тек 40-50% ғана сіңіреді, калғаны суаттарға, жер астьшдағы суларға еріп түсіп, оларды ластайды. Сондыкган биологиялык азотты сініру процесін зерттеу ерекше манызды мәселе.

Молекулалык азот инертті газ ретінде ауанын күрамына кіреді (75,6 %). Осы ауадағы азотты сініруге кабілеті бар организмдердін биохимия, физиология және генетикасы әжептәуір зерттелді. Мысалы, молекулалык азоттын тотыксызданып аммонийге айналуына жауапты нитрогеназа ферменті жаксы зерттелген. Нитрогеназанын күрылымы молекулалык азотгы сщіре алатын барлык организмдерде бірдей. Азотты сініру процесіндегі міндетгі физиологиялык шарт, ол нитрогеназаны оттегінен сактау, әйтпесе бүл фермент тотығып бүлінеді. Нитрогеназа тек анаэробтық жағдайда ғана өзіне тән кызметін аткара алады.

Азотфиксаторлардын арасында ен жақсы зерттелгендер, бүршак түкымдас өсімдіктермен симбиоз түзетін ризобия бактериялары және бос жекеше тіршілік ететін бактерия КІеЬзіеІа рпеитопіае. Осы бактерияларда молекулалык азотты сініру процесіне 17 ген жауапты екен. Бүл гендерді піГ-гендері деп атайды. Барлык піҒ-гендері бір-бірімен тіркеседі және хромосома-да гистидин биосинтезіндегі ферменттердін гендері мен шиким кышкылының сіңуіне жауапты гендерінін аралығынан орын алады. Тез өсетін ризобияда піҒ-гендері үзындығы 200 - 300 мнж мегаплазмидада калыптасады. №Ғ-гендердің ішінде нитрогена-занын күрылъшын бакылайтын гендер, ретгеуіш гендер және электрондардын тасымалдануына катысты белоктын гені аныкталған. Азотты сініру гендерінін кызметінін реттелуі өте күрделі болғандыктан, азотты сініру функциянын бактериялардан жоғары сатыдағы өсімдіктерге гендік инженерия әдісімен тікелей тасымалдау мәселесі казір талкыланбайды. Тәжірибе көрсеткендей, тіпті ең карапайым эукариоттарда - ашытқыларда, гендік инженерия әдістерімен енгізілген піГ-гендерінш экспрессиясы, олардын 50 генерация бойынша сакталғанына карамай, түракты түкъш куалап өтпеген. Сөйтіп, молекулалык азотты сініру кабілеті тек кана прокариоттарға тән болып есептелуде. Эукариоттар үшін бұл күрделі мәселенін. шешімін табу әзірше мүмкін емес болып түр.

Кейбір жорамал бойынша, піҒ-гендерін Ті-плазмиданын көмегімен хлоропластарға тасымалдау әрекеті нәтижелі болар.

Себебі, хлоропластар мен прокариот клеткаларындағы гендер экспрессиясыньщ механизмдері үксас. Осы ойды калай болса да іске асырғанньщ өзінде, нитрогеназаны оттегінін әсерінен корғау ең киын, шешімі табылмастай мәселе болып түр. Сонымен бірге, атмосферадан молекулалык азотты сініру процесіне өте көп энергия жұмсау кажет. Өсімдік піі-гендеріне осындай жағдай жасау үшін, олар өзінін метаболизмін күрделі өзгертуі керек, ал ол, әрине, мүмкін емес. Сондыктан, гендік инженерия әдістерін мына іске асатындай міндеттерді орындау үшін пайдалануға болады: 1) ризобияларды бүршак тектес өсімдіктерді отарлау кабілетін арттыру; 2) генетикалык механизмге ыкпал жасап, азоттын фиксациясы мен ассимиляциясының тиімділігін артгыру; 3) микроорганизмдерге піі-гендерін енгізіп, оларды молекулалык азотты сініруге кабілетті кылу; 4) симбиоздык карым-катынасты бүршак түкымдас өсімдіктерден баска өсімдіктерге дарыту.

Гендік инженериянын биологиялык азотфиксацияның гиімділігін арттыру саласындағы ен маңызды міндеті, ол молекулалык азотты сініру және отарлау кабілеттері арттырылған ризобиялардың штамдарын шығару. Табиғатта ризобиялар бүршак өсімдіктерін өте баяу отарлайды, тек бірлі-жарымы ғана түйнектер түзеді. Оның себебі мынада, өсімдікке ризобия енетін жері өте кішкентай, ол тамырдьщ өсу нүктесімен оған жакын өсіп келе жаткан тамыр түтігінін ғана арасы. Тамырдын баска барлыкжері және тамыр түтіктері отарлау мекені бола алмайды. Сонымен катар, тузілген түйнектердін кейбіреулері молекулалык азотты сіңіре алмайды. Ол өсімдіктердін гендеріне байланысты. Ондай бес ген белгіленген, олардын екеуі рецессивтік гендер. Бүлар колайсыз үйлескенде, осындай күбылыс байкалады.

Генетика мен селекциянын дағдылы әдістерін пайдаланып отарлау кабілеті өскен ризобиялардың лабораториялык штамдары алынған. Бірак егістік жағдайында жергілікті жабайы штамдар олармен бәсекелеседі. Сол бәсекеде артып түсу кабілетін артгыру үшін гендік инженерия әдістерін колдануға болады. Молекулалык азотты сіщрудін тиімділігін көтеру үшін, гендік инженерияның мына тәсілдерін пайдалануға болады: 1) гендер көшірмелерінің санын арттыру; 2) азотты сініру процесін тежейтін заттардын гендерінін транскрипциясын арттыру; 3) ол үшін күшті промоторларды сырттан енгізу т.с.с. Ен бастысы, нитрогеназанын өзінің пайдалы әрекетінін коэффициентін арттыру кажет. Молекулалык азотты сіңіру процесінін тиімділігі артғырылған ризобиялардың штамдарын шығару жүмысы, көбінесе сондағы ферменттердін әрекеттері мен реттелуі жөнінде мәліметтер жеткіліксіз болғандыктан тежеледі.

Молекулалык азотты сініре алатын жаңа бактериялар оларға піҒ-гендерін енгізу аркылы алынған. Мысалы, піГ-гендері ішек таякшасына, сальмонеллаға т.б. микроорганизмдерге тасымалданған. Бірак енгізілген піҒ-гендерінщ экспрессиясы жүрмеуі мумкін, және жүрген кезінде де колайсыз зардаптарға әкеліп соғуы мумкін.

Өте кызыктыратын ой, баска өсімдіктермен, мысалы, астык түкымдастармен симбиозға түсе алатын жаңа бактерияларды жасау. Бүл мәселенін баска шешімі, ол бүршак түкымдастарынын ризобиялармен симбиозын қамтамасыз ететін гендерді баска ауыл шаруашылығында манызды өсімдіктерге тасымалдау. Бірак әзірше молекулалык азотты сіңіру күрделі процесінде өсімдіктердің гендерінін үлесі әлі толығымен аныкталмаған.

Шамасы, жана симбиоздарды калыптастырудан гөрі, белгілі, жаксы зерттелген симбиоздык карым-катынастарды әрі карай жетілдіру жүмысы оңайырак шығар. Сондыктан, табиғатта орын алатын астык түкымдастармен кейбір азоспирилла түрлерінін шамалы симбиоздары зерттелуде. Олар өсімдіктерді аз мөлшерде азотпен камтамасыз етеді, солай болса да онын тиімділігін көтеруге болады. Мысалы, микрофлораның көмірсулармен коректенуі өсімдікке тәуелді болғанда, олардын өсімдікпен байланыстары нығаяр еді. Шамасы, бакгерияларды осы максатпен генетика жағынан өзгерту гендік инженерияның колынан келер. Бірак берік ассоциацияларды колдан жасау үшін ризосферадағы баска микроорганизмдерді жою керек, ал бүл өте күрделі экологиялык мәселе.

Жоғары сатыдағы өсімдіктермен жасанды ассоциацияға түсе алатын микроорганизмдердін катарында цианобактериялар бар. Олар да табиғатта ауанын молекулалык азотын сіңіреді. Мысалы, темекі клеткаларын анабена цианобактериясының клеткаларымен бірге өсіргенде, цианобактериялар каллустьщ ішіне немесе үстіне орналасып өседі. Осындай аралас каллуста және регенеранттардың улпаларында ацетиленді тотыксыздандыру кабілеті болатындығы аныкталған, яғни ауаның молекулалык азоты сіщрілгені байкалады. Бүл аралас жүйенін манызы зор, өйткені табиғатта цианобактериялардын жоғары сатыдағы өсімдіктермен симбиозы өте сирек кездеседі. Осындай жасанды ассоциациянын тиімділігін арттыру максатымен цианобактериялардын да, өсімдіктердін де геномдарын өзгертуге мүмкіндік бар.

Сонымен, молекулалык азотты ауадан сініру процесінін генетикалык негізін терең зерттеу, болашақга өсімдіктерді азотпен камтамасыз етуге қол жеткізуі тиіс деп үміттенуге болады.

Фотосинтездін тиімдйшін арггыру

Сонғы кезде жана сорттар мен будандардын өнімділігі бірнеше жолдармен арттырылып келеді: 1) өсімдіктін күрылымын генетикалык жетілдіру аркасында; 2) жапырак көлемін үлғайту аркылы; 3) өсімдіктін өнім беруші мүшелері массасы мен вегетативтік массасынын өзара катынасын өзгерту аркылы; 4) кор сактайтын мүшелерде ассимиляттардын жинакталуын арттыру аркылы. Ал енді өсімдіктердін өнімділігінін одан әрі де өсуі терен физиологиялыкжәне генетикалык зертгеулер негізінде фотосинтез аппаратын реттеп баскару аркылы жүзеге асады. Фотосинтез аппаратынын активтігін арттыру жолынын бірі, ол көміртегін сіңіру процесінін генетикалык негізін өзгерту.

С₄-өсімдіктері өздерінің өсу каркындылығымен және фотосинтездің каркындылығымен сипатталады. Оларда фототынысалу процесі байкалмайды. Ал көптеген ауыл шаруашылык өсімдіктері С₃-өсімдіктері тобына жатады. Оларда жарыкта тынысалу процесі жаксы өтеді. Фотосинтез бен тынысалу процестері өзара тығыз байланысты. Олардың негізінде ең бір маңызды ферменттін-рибулозобисфосфаткар-боксилазаның (РуБФК) екі функциясы жатады: карбоксилаза (СО₂ косу) және оксигеназа (О₂ косу) функциялары. Оттегі косылғанда фосфогликолат пайда болады, ол фототынысалудың негізгі субстраты. Фототынысалу нәтижесінде өсімдік СО₂ сініру орнына, оны сыртка шығарады да, соның салдарынан өзінің өнімділігін төмендетеді. С₄-өсімдіктерінде РуБФК оксигеназалык активтігі төмен, және де пайда болған СО₂ олар кайтадан сініре алады.

Сондыктан, гендік инженерия алдындағы бір міндет, ол карбоксилаза активтігі артатын РуБФК ферментін жасау. РуБФК өте күрделі фермент. Ол 8 үлкен және 8 кіші бөлшектерден түрады. Үлкен бөлшек белогын хлоропластык геном кодтайды және онын синтезі хлоропластык 70 8 рибосомаларда өтеді. Кіші бөлшектер белогын ядролык геном кодтайды, оньщ синтезі цитоплазмалык 80 8 рибосомаларда жүреді. Кіші бөлшектердің полипептидтік күрамына байланысты, ферменттін каброксила-залык/оксигеназаЛык өзара катынасы белгіленеді. Мысалы, темекінін әр түрлерінде бүл катынас 6-дан 12-ге дейін өзгереді. С₃-өсімдіктерінде бүл қатынас жалпы алғанда 5-7 болады, ал С₄-өсімдіктерінде 13-15 болады.

Француз ғалымдары Кунг пен Маршо темекінін жасыл жабайы өсімдіктерінде және гетерозиготалык сары мутанттарында РуБФК-ты зерттеген. Мутанттык өсімдіктерде фототынысалу каркындығы өте жоғары болған және де жабайы түрмен салыстырғанда карбоксилаза/оксигеназа катынасы өзгеше болған. АҚШ-та Нельсон мен Суржицкий Сһіатісіотопаз мутантгык линияларында РуБФК ферментінде карбоксилазалык және оксигеназалык активтілігінін бір-біріне байланыссыз өзгеруін байкаған. Ферменттін екі функциясы да бір активтік орталыкка байланысты болғандықтан, оның оксигеназалык активтігінен толык күтылу әрине мүмкін емес.

Әдетте, оксигеназалардын кофакторы ретінде флавин топтары немесе металдар кызмет аткарады. РуБФК күрамында бүл кофакторлар болмаған сон, онын оксигеназалык активтігі, шамасы, 1-2 амин кышкыл калдыктарына байланысты, ал керісінше, карбоксилазалык активтігіне бүл амин кышкыл-дарының әсері болмайды. Клеткадан бөліп алынған фермент препараттарынын күрамында магнийді марганецке алмас-тырғанда, РуБФК молекуласында карбоксилазалык активтік жойылған, ал оксигеназалык активтігі сакталған. Бірак оксигеназа активтігін тежеп, карбоксилаза активтігін асыратын кофактор әлі белгісіз. Мутагенезді пайдаланып, Яһосіозрігіііит гиЬгит деген фотосинтезге кабілетті бактериянын ферментінде активтілік ортанын күрамындағы аспарагин кышкылынын калдығы глутамин кышкылына ауыстырылды. Бірак бүндай ферменттін екі функциясы да (оксигеназалык және карбоксилазалык) төмен болды. Сонымен, койылған максатка жету үшін, ен алдымен РуБФК кұрылымын, әсірісе активтік ортасынын ерекшеліктерін егжей-тегжей зерттеу кажет.

С,-өсімдіктердін өнімділігін көтеру барысында тағы бір ой туады, ол хлоропласт геномына леггемоглобин генін енгізу аркылы СО,/О₂ катынасын өзгерту. Бүл белок оттегін өзіне косып алып, сөйтіп молекулалык азотты сініретін ризобияларды оттегінен корғайды. Бүл белоктын гені біркатар бүршак түкымдастарывда бар.

Сонғы жылдары ғалымдар РуБФК күрылымдык бөлшек-терімен гендік инженериянын айлалы әрекеттерін жасауға тырысады. Мысалы, бүршак жапырағынан ферменттін кіші бөлшегін кодтайтын ген Ті-плазмиданьш көмегімен шырайгүлдін (петуния) протопластарына енгізілді. Бүл геннін экспрессиясы өтіп, ферменттін бүршакка тән кіші бөлшектері түзілді. Пайда болған РуБФК будан молекуласы күрылымы және активтігі жағынан бүршакка да, шырайгүлге де үксамаған.

Сонымен катар, С₄-өсімдіктерден бір трп гендерді С₃-өсімдіктерге тасымалдау жоспарлары бар. Бірак бүл өте күрделі жұмыс, себебі фотосинтез функциясы көптеген әр түрлі гендермен кодталады. Мүмкін, Хетч пен Слек цикліне жататын фосфоэнолпируваттың карбоксилазасы мен декарбоксилазасын кодтайтын гендерді тасымалдау онайырак болар. Егер бүл жоспар іске асса, нәтиже трансформацияланған өсімдіктердін хлоропластарьшда СО₂ концентрациясы өсер еді де, фотосинтез процесінің каркынды өтуіне себепкер болар еді.

Осындай нәтижеге баска да жолмен жетуге болады. Ол ангидраза ферментінін генін тасымалдау немесе амплификациялау (көбейту) аркылы. Бүл ферменттің мөлшері асса, хлоропластарда НСО~ концентрациясы да өсер еді. Кейбір С₃-өсімдіктердін фотосинтез өнімділігі жоғары, мысалы күнбағыста, ол С₄-өсімдіктерінін өнімділігінен кем емес. Күнбағыстын салыстырмалы РуБФК активтігі баска С₃-өсімдіктерден едәуір жоғары, бірак әзірше оның себебі белгісіз. Бүл жағдай ферменттін өзіндік ерекшеліктеріне байланысты болуы мүмкін. Сонымен, фотосинтез өнімділігін арттыру бағытында гендік инженерия әдістерінін колдану мүмкіндіктері орасан зор және де көп үміт күтерлік.

Кортындысында мына жағдайды ескеру керек. Осында келтірілген гендік инженерия әдістерін колданудын кейбір жолдары онын барлык мүмкіндіктерін тамамдамайды. А.Фшшппс, өсімдіктер гендік инженериясынын белгілі маманы ретінде болашакты болжап, жана табыстарға жетудін мына үш алғы шарттарын көрсетеді: 1) өсімдіктерді өте терен зерттеу кажет, себебі инженерия процесі өсімдіктердін биохимия, физиологая, эволюция процестері жөніндегі білімге байланысты; 2) көп пәндер бірігіп күш салу кажет; 3) өсімдіктер гендік инженериясы саласындағы зерттеулердің маңызы өте зор. Казір дүние жүзінде көптеген коммерциялык фирмалар гендік инженерия әдісімен өзгертілген өсімдіктерді шығарумен және оларды сынақтан өткізумен каркынды айналысады.