Применение биотехнологий в сахарной свеклы

Акрам выступивший на церемонии с речью, '3 Сонгюль выступивший на церемонии с речью,2'3 и Пегги Lemaux3 г.

1 Абант Иззет Baysal университет, факультет науки и литературы, факультет биологии, 14280 Болу, Турция

2 сахара институт, кафедра растениеводства, 06790 Этимесгут, Анкара, Турция

3 университета Калифорнии, Беркли, кафедра биологии растений и микроорганизмов, Беркли, CA 94720, США

Судья: профессор Митчелл Дж. МакГрат, кафедра сельскохозяйственных культур и наук о Земле, университет штата Мичиган, 494 ботаники и почвоведения, корп., Ист-Лансинг, MI, 48824-1325

Оглавление

Введение ………………………………………………………………109

II. В КУЛЬТУРЕ IN VITRO МЕТОДЫ…………………………….. 110

A. Клонального размножения из существующих каллуса не дифференцированных клеток……………………………………………….. 110

B. регенерации придаточных побеги и соматических эмбрионов …111

1. Структуры de novo развития ……………………………………….111

2. Факторы, влияющие на способность к регенерации …………...113

3. Каллус типов и привыкания ………………………………………..114

C. Гаплоидных растений производства…………………………….. 115

D. Protoplast культуры………………………………………………... 115

E. Сомаклональная вариации и клеточной селекции In Vitro ………116

Ф. Зародышевой плазмы хранения ………………………………….117

G. Варианту с генотипической: серьезные проблемы …………….118

III. ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ СТРАТЕГИИ ………..118

A. агробактериальной трансформации……………………………… 118

B. Частиц бомбардировки………………………………………….. 120

C. PEG-опосредованной трансформации …………………………….120

D. варианты: электропорация, ультразвуковой обработки и соматическая гибридизация …………………………………………………121

E. Выбор стратегии …………………………………………………..121

IV. РАЗВИТИЕ ТРАНСГЕННЫЕ ПРИЗНАКИ,…………………… 122

A. Устойчивостью к гербицидам, …………………………………..122

B. Вирусная резистентность ………………………………………….123

Нематоды C. Сопротивление …………………………………………124

D. Грибковая устойчивость …………………………………………..124

E. Устойчивостью к воздействию насекомых ……………………...125

Ф. Накидная гайка сопротивление …………………………………125

G. Засухоустойчивость ………………………………………………125

H. Устойчивости к соли …………………………………………….125

I. изменение углеродного метаболизма ……………………………125

1. Fructan производство ……………………………………………….125

2. Высокая сахарозы доходность ……………………………………126

J. другие ожидаемые или черты характера, предусмотренные …..126

Введение

Сахарной свеклы (Beta vulgaris L.) является важной технической культурой и одно из двух растительных источников, из которых сахарозы (т.е., сахар) может быть экономически производства. В 2007 году, сахарного тростника и сахарной свеклы способствовало общее мировое производство сахара на 75% и 25%, соответственно (Joersbo, 2007). Однако, это соотношение существенно сместился в пользу тростника в течение последних нескольких

Адрес для переписки Пегги г. Lemaux, университет Калифорнии, Беркли, кафедра биологии растений и микроорганизмов, Беркли, CA 94720. E-mail: lemauxpg@nature.berkeley.edu

V. продовольственной безопасности, воздействия на окружающую среду, нормативно-правовых вопросов и принятии 126

A. Вопросы Продовольственной Безопасности 126

B. Воздействия На Окружающую Среду 128

1. Генетическое Разнообразие 128

2. Поток Генов 128

C. Регуляторные Аспекты 129

D. принятие: производители и потребители 130

1. Виноградари 130

2. Потребители 130

VI. ВЫВОДЫ И БУДУЩИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ 130

Ссылки 131

Сахарной свеклы (Beta vulgaris L.) является важной технической культурой, является одним из всего двух растительных источников, из которых сахарозы (т.е., сахар) может быть экономически производства. Несмотря на сравнительно короткий период выращивания (ок. 200 лет), его урожайность и качество параметры были значительно усовершенствованы с помощью традиционных методов селекции. Однако, в течение последних двух десятилетий, дополнительно в культуре in vitro и технологий генетической трансформации были включены с классической селекционных программ, главной целью которого является производство гербицида - и солеустойчивых, болезней и вредителей-устойчивых сортов. Среди множества применений в культуре in vitro техники, сахарная свекла имеет наибольшую выгоду от гаплоидных растений, производства, protoplast культуры, и сомаклональная вариации и клеточной селекции in vitro. Несколько технологий генетической трансформации были разработаны, например, Agrobacterium медитировал, PEG-опосредованной, обстрел частицами, электропорация, ультразвуковой обработки и соматическая гибридизация, первые две из которых наиболее успешным. Развитие гербицид - и солеустойчивых, вирусов, pest/нематод-, грибок/Церкоспороз - и насекомыми-вредителями сахарной свеклы была продемонстрирована. Однако, только устойчивые к гербицидам сорта были одобрены для коммерческого применения, но еще не доступны на рынке; ризомании-устойчивых сортов оцениваются в полевых испытаний. Трансгенные растения, которые преобразуют сахарозы в fructan, полимеры фруктозы, были также разработаны. Первоначальные попытки увеличить сахарозы доходности производимых многообещающие результаты, но она по-прежнему требует дополнительной работы. Несмотря на заметный прогресс в деле улучшения регенерации и трансформации сахарной свеклы, Генотип зависимости и низкой частоты регенерации и трансформации все еще серьезные ограничения для применения в повседневной культуры in vitro и, что более важно, трансформации технологий. Выбранный продовольственной безопасности и воздействия на окружающую среду, а также нормативных и общественное признание вопросы, относящиеся к трансгенной сахарной свеклы, а также обсуждается.

десятилетий-от 63% против 37% в 1982 г. (Атанасов, 1986).

Но, сахарной свеклы в настоящее время становится важным биотоплива альтернативой энергии ископаемого топлива (Zhang et al., 2008). Хотя сахарной свеклы является достаточно нового урожая по сравнению с другими широко возделывают зерновые культуры, она претерпела значительные улучшения, учитывая, что он только начал культивироваться около 200 лет назад (Draycott, 2006). Содержание сахарозы дикой свеклы составляет от 4 до 6%, а сахарной свеклы была выбрана из кормовой свеклы, что на 12% содержанием сахарозы. Этот уровень вырос до примерно 20% в недавно разработанных коммерческих cul - tivars. Обычными методами селекции сыграл главную роль в этих улучшений. Однако, в течение последних двух десятилетий, передовых биотехнологических методов в сочетании с классической селекции подходы, основной целью которого будет вырабатывать устойчивые к гербицидам болезнями и вредителями-устойчивых сортов.

Производство двойных гаплоидов через яйцеклетки культуры (Hosemans и Bossoutrot, 1983; Bossoutrot и Hosemans, 1985; Доктринальные et al., 1989; Hansen et al, 1994, 1995, 1998; выступивший на церемонии с речью et al, 2000) и высоко тотипотентных протопластов из замыкающих клеток (Кренц etal., 1990; Lenzner etal., 1995; зал etal., 1993a, 1994,1995, 1996a) были достигнуты. Однако, регенерации протоколы не являются воспроизводимыми, как правило, приводит к снижению частоты регенерации. Кроме того, высокая степень генотипической изменчивости, прежде всего потому, что его сильно гетерозиготных природы в результате ауткроссинга, является серьезной проблемой как для регенерации (выступивший на церемонии с речью, 1997; выступивший на церемонии с речью et al., 2001 г., 2003a) и меры по трансформации (Lindsey и Галуа, 1990; D'Halluin et al., 1992 г.; Хаякава et al., 1994; Mannerlof et al., 1997; Захарченко et al., 2000; Hisano et al., 2004).

Для преобразования стратегии, как векторной, т.е., Agrobacterium tumefaciens и A. rhizogenes, и прямой, т.е., обстрел частицами, полиэтиленгликоль (PEG), опосредованно, электропорация, ультразвуковой обработки и соматическая гибридизация, подходы были попытки. Интактных клетках, в основном из листьев, cotyledon и стрелять-база тканей in vitro-выросли побеги, были благоприятствования материалов для обоих агробактериальной и частиц бомбардировки переноса генов. Протопласты, полученные от мезофилла или замыкающие клетки, кажется, наиболее эффективные материалы для PEG-опосредованной трансформации (Hall et al., 1996b). Несмотря на разработке новой стратегии выбора, как манноза (Joersbo et al., 1998,1999, 2000), относительно низкая эффективность, в результате преобразования частоты значительно ниже, чем во многих других промышленно важных пользователь dicot видов.

Производство трансгенной сахарной свеклы материалов гербицидам, т.е., глифосат и глюфосината, и устойчивы к rhi - zomania и нематод была достигнута. Основной стратегией для глифосат-толерантность трансформации с бактериальных генов для 5-enolpyruvylshikimate-3-фосфат-синтаза (СР4 - EPSPS) (Срю et al., 1991 г.) или глифосат редуктазы (GOX) (SteenandPedersen, 1993 г., 1995а, б; Брантс etal., 1995;Tenning et al., 1995; Mannerlof et al., 1997). Глюфосината толерантности был реализован путем переноса генов, кодирующих ферменты, которые детоксикации L-phosphinohtricin, активный ингредиент глюфосината, что тормозит глютамин-синтетазы (D'Halluin et al., 1992). Сахарная свекла, устойчивая к ризомании инфекции был разработан компанией " транс-формирование вирусная пальто белок Гена (Kallerhoff et al., 1990; Ehlers et al., 1991; Mannerlof et al., 1996) или мутировавших версии некоторых вирусных белков, участвующих в клетки к клетке движения (Лаубер et al., 1998, 2001; Эрхардт et al., 2000). Производство сахарная свекла, устойчивая к нематоде нападение было совершено клонирование hs1pro-1 ген от дикого родственника сахарной свеклы (Beta procumbens) (Cai et al., 1997); ген был передан сахарной свеклы с А. rhizogenes (Кифле et al., 1999). Попытки были сделаны, чтобы развивать грибковые (особенно Церкоспороз), насекомых, накидная гайка-стойкие и экологическому стрессу сахарной свеклы, некоторые из которых дал обнадеживающие результаты. В основном изменения углеводного обмена, производства fructan-по производству сахарной свеклы (Sevenier et al., 1998; Пилон-Смитс et al., 1999 г.; Weyens et al., 2004 г.) и улучшение сахарозы доходность (заводила et al., 1995; Хасимото и Симамото, 1999 г.) были также попытки.

Биотехнологии могут быть описаны в общих чертах: "в эксплуатации живых систем и организмов в интересах человечества" (Flavell), 2004). В самом деле, существует множество различных определений понятия "биотехнология", - термин, впервые использованный в 1919 году в венгерской сельскохозяйственной инженер Карл Ereky (бутон, 1989). Что есть так много определений, в основном потому, что биотехнологии-это обобщающий термин, используемый для описания ее междисциплинарный характер, в котором работают многие инструменты и методы, используемые во многих областях - от биологии к машиностроения до микроэлектроники. Однако, принимая во внимание трудности, подбирая подходящее определение, авторы считают следующие наиболее целесообразным в нынешних условиях: "любой вид технологии, связанный с использованием биологических систем, живых организмов или их производных для изготовления или изменения продуктов или процессов с целью их конкретного использования" (Food and Agriculture Organization). В этом смысле, биотехнология может рассматриваться как очень старая практика, напр., приготовления йогурта, сыра, хлеба, алкогольные напитки. Но, выражаясь современным языком, " биотехнология " означает применение клеточных культур и тканей, слияние клеток, молекулярной биологии, и в частности, рекомбинантных ДНК методы для создания организмов с новыми свойствами или с потенциалом для производства продукции со специфическими чертами.

В зависимости от применения биотехнологии могут быть классифицированы отеля вы найдете несколько категорий, напр., в медицинской, пищевой, промышленной, экологической, животных и растений. В случае биотехнологии растений, он состоит из двух основных технических аспектов, которые широко эксплуатируются улучшить видов сельскохозяйственных культур. Они клеток, тканей и органов культуры, далее упоминается как в культуре in vitro, и генетические трансформации, бывший являются предпосылкой для последнего. Таким образом, в данной статье исследований на сегодняшний день на сахарной свеклы биотехнологии будут рассмотрены с точки зрения истории, наряду с оценкой крупные достижения и недостатки, с которыми столкнулись, в двух следующих рубрик; применений в культуре in vitro и генетической трансформации. Страховое начнется с ранних исследованиях и продолжаются до сих пор. Идентификация трансгенные признаки, и их использование и воздействие на продовольственную безопасность, окружающую среду и общественные отношения также disscussed.

II. В культуре in vitro техники

Среди множества применений в культуре in vitro техники, сахарная свекла имеет выгоду от (A) клональное размножение через распространение уже существующих каллуса не дифференцированных клеток, (б) завода по регенерации путем развития de novo побеги и соматических эмбрионов, (C) hap - лойд растениеводства, прежде всего, из неоплодотворенных яйцеклеток, (D) protoplast культуры начало от мезофилла листьев, охранник или клеточной суспензии клеток, (E) сомаклональная вариации косвенные, понесенные в течение стрелять органогенеза и соматических эмбриогенеза из каллуса и клеточной селекции in vitro особенно для абиотическому стрессу толерантность, и (F) зародышевой плазмы хранения багажа, т.е., низкотемпературных и криоконсервации.

A. Клонального размножения из существующих каллуса не дифференцированных клеток

Клонального размножения относится к массового размножения растений посредством любых растительных средств. В этот раздел, тем не менее, мы будем обсуждать распространения растения сахарной свеклы с использованием тканей с существующими только каллуса не дифференцированных клеток, таких, как стрелять советы, пазушные почки и бутоны, молодые соцветия. De novo регенерации растений с помощью прямого или косвенного придаточных стрелять органогенеза и соматических эмбриогенеза будут рассмотрены в следующем разделе (II.B).

Клонального размножения является одним из старейших приложений растений in vitro культуры, используемые для массового производства генетически идентичных соматических клонов. Сегодня она является коммерчески важных для сельского хозяйства и садоводства и была легко достигнута в большое количество культивируемых видов. В первой опубликованной работы с использованием данной технологии на сахарной свеклы, цветочные бутоны subapical соцветия и стрелять-совет каллуса не дифференцированных клеток были использованы (Margara, 1977). Вскоре после того, Хасси и Hepher (1978) сообщили, подмышечных стрелять распространения в пробирке проросших саженцев. Несколько лет спустя, он был использован для быстрого и эффективного распространения ценного племенного материалов с использованием апикальной каллуса не дифференцированных клеток in vitro проросших рассады (Атанасов, 1980; Хармс et al., 1983 г.; " Сабир " и " Форд-Lloyd, 1991; Sullivan etal., 1993), цветочные почки отделен от выбросов парниковых или поле растениями (Coumans-Жиль et al., 1981; Saunders, 1982; Миедема, 1982a, 1983, 1984; Mezei et al., 1990; Goska и Szota, 1992; Чжун et al., 1993a; Yang et al., 2004 г.) и пазушные почки черенки листьев культивируемых in vitro (Миедема, 1982b; Ричи et al., 1989), или побегов умножить цветочные почки (Миедема, 1983).

Клонального размножения сахарной свеклы не требует специфического состава среды инкубации и условия во многом потому, что побеги развиваются из тканей, которые уже существующих каллуса не дифференцированных клеток. Она была легко достигнута на несколько определенных питательных сред; однако, в большинстве опубликованных работ используется Мурасиге и Skoog (мс), средних (1962). Что касается регуляторов роста растений, различных комбинациях и концентрациях были протестированы, но в большинстве докладов цитокинин, бензиловый аминокислот, пуринов (БАП), был наиболее эффективны в производстве стреляет из всех видов эксплантов, т.е., апикальных каллуса не дифференцированных клеток (Hussey и Hepher, 1978; Атанасов, 1980; " Сабир " и " Форд-Lloyd, 1991; Sullivan et al, 1993), цветочные почки (Coumans-Жиль etal., 1981; Миедема, 1982a; Saunders, 1982; Mezeietal, 1990; GoskaandSzota, 1992;Чжун etal., 1993a; Yang et al., 2004 г.) и пазушных почек (Миедема, 1982b).

По сравнению с прямым или косвенным стрелять органогенеза или соматического эмбриогенеза, клонального размножения имеет определенные преимущества. Во-первых, это очень быстрые и менее трудоемким. Во-вторых, regen - erants более генетически стабильной (Hussey и Hepher, 1978; Атанасов, 1980; Mezei et al., 1990). Благодаря этим преимуществам, стрелять-совет эксплантов отделен от in vitro проросших саженцы были широко использованы для преобразования как агробактериальной методы (Konwar, 1994; Zhang et al., 2001b; Hisano et al., 2004; Bekheet и Solliman, 2007) и частиц бомбардировки (Mahn etal., 1995) (раздел III.B.). Некоторых работ был выполнен с помощью меристемы-производные стреляет в качестве надежного источника листья и черешки эксплантов случайного стрелять и соматических эмбрионов регенерации (Rogozinska и Goska, 1978; Фрейтаг et al., 1988; Ритчи et al. 1989; Konwar и Coutts, 1990; Kubalakova, 1990; Dikalova et al., 1993; Хаякава et al., 1994; Mishutkina и Гапоненко, 2006) и для преобразования (Lindsey и Галуа, 1990; Zhang et al., 2001a; Norouzi et al., 2005; Yang et al., 2005; Bekheet и Solliman, 2007). Такой подход было бы проще, если бы не было необходимости стерилизации семян и эксплантов от выбросов парниковых полю или выращенных растений, так как это требует дополнительных трудозатрат и времени (Hussey и Hepher, 1978; Tetu et al., 1987; выступивший на церемонии с речью et al., 2003b; Чжун et al., 1993b). Единой фондовой здоровых, незагрязненной экс - растения могут быть получены путем устранения слабых и полностью или частично загрязненных саженцев во время субкультуры (Konwar и Coutts, 1990). В общем, укоренения умножить побеги стрелять из мерис - систем могут быть легко достигнута, даже на гормон-бесплатного среднего (Coumans-Жиль et al., 1981). Далее, Миедема et al. (1980), достигнутые укоренения отдельных листьев сахарной свеклы от 3-х недель до 4-месячного выращенных растений без ауксина лечения при культивируемых в горшках, содержащих смесь песка и компост.

Дополнительные преимущества клонального микроразмножения в селекции сахарной свеклы программы были изложены Атанасов (1986) и Skaracis и МакГрат (2005 г.) следующим образом.

2. На основе потомства тестирования, self-стерильные генотипов эффективно может быть сохранены во время ведется наблюдение за их племенной ценности.

3. Если есть необходимость единого селекции растений для конкретных символов, возможные неблагоприятные воздействия парниковых или полевых условиях, могут быть минимизированы с помощью клоновых копии таких растений.

4. Вновь открывшимся цитоплазматической мужской стерильностью (CMS) генотипы могут быть сохранены до того, интегрируются в селекционной схеме с соответствующей строки maintainer.

5. Трудно прорастают и воспроизводству диких зародышевой плазмы может увеличиваться, хранения и обмена мере необходимости (Hussey и Hepher, 1978; Миедема, 1982a).

Возможно также производить полиплоидных растений сахарной свеклы и относясь стрелять-советы с антимитотическую агента (Hussey и Hepher, 1978). Кроме того, стрелять-tip культуры в сочетании с термической обработкой, была использована для восстановления мужской фертильности в CMS в селекции сахарной свеклы материалов (Лихтер, 1978). Несколько бутон комки из интеллигентной незрелых соцветие советы двух коммерческих сортов сахарной свеклы, были использованы для in vitro производства солевыносливых растений, культивируемых при лечении почек с у-излучения, с последующим выбором для NaCl толерантности (Yang et al., 2004). Это означает, что меристемы - производные растения могут быть использованы для in vitro клеток выбор стратегии.

Хотя генотипической изменчивости (раздел II.G.) проявляется в clonally распространяются растения сахарной свеклы (Миедема, 1982a; Mezei etal, 1990; " Сабир " и " Форд-Lloyd, 1991; Хаякава etal, 1994), она появляется значительно реже, чем при регенерации предполагает прямое или косвенное органогенеза (Saunders и мазня, 1984; Detrez et al., 1988; Nakashima et al., 1988; Миками et al., 1989a,b, Сабир и Ford-Lloyd, 1991; Jacq et al., 1992 г.; Чжун et al., 1993b; выступивший на церемонии с речью и РЕН, 1995а,б; выступивший на церемонии с речью, 1997; выступивший на церемонии с речью et al, 2001 г., 2003a; Ивич-Haymes и Smigocki, 2005a; Mishutkina и Гапоненко, 2006) или соматического эмбриогенеза (Steen et al., 1986; Doley и Сондерс, 1989; Saunders и Цай, 1999) (в разделе ii.b. продолжающиеся проекты организа ция). Не было ни одного сообщения сомаклональных различия между растения сахарной свеклы, полученные через меристемы распространения. Генетическая стабильность важно, когда ценные, элитных племенных материалов умножаются или генетически трансформированных растений ведутся.

B. регенерации придаточных побеги и соматических эмбрионов