8.3. Застосування методів генетичної інженерії для поліпшення амінокислотного складу запасних білків рослин

Вирішення проблеми створення нових форм рослин має на увазі в першу чергу підвищення якості синтезуючих рослинами продуктів, котрі визначають його поживну та технологічну цінність. В основному це стосується запасних білків.

У більшості випадків запасні білки рослин мають незбалансований для живлення людини та тваринних амінокислотний склад. Так, запасні білки злаків – проламіни – бідні лізином, триптофаном та треоніном, що знижує їх поживну та кормову цінність. Поліпшення амінокислотного складу білка шляхом традиційної селекції не дає бажаних результатів, оскільки необхідні гени часто скріплені з небажаними ознаками та наслідуються разом. Наприклад, у мутантів кукурудзи та ячменю підвищення складу лізину корелює зі зменшенням синтезу основних запасних білків – зеіна та горденіна, а також зі зменшенням врожайності.

Генно-інженерні методи більш перспективні для створення покращених сортів, так як дозволяють вибірково вводити в геном рослини-репіцієнта гени ознаки, яка необхідна. Операції по отриманню трансгенних рослин з покращеним амінокислотним складом білка поділені на ряд етапів: 1) клонування генів запасних білків; 2) вивчення механізмів тканиноспецефічної та часової експресії білків і виявлення послідовностей ДНК, що визначають даний механізм; 3) цілеспрямована зміна послідовностей генів запасних білків для покращення амінокислотного складу; 4) створення векторів, що містять змінений ген; 5) введення модифікованих генів у рослини.

В даний час клоновані 10 генів гордеїнів ячменю, гени - та -гліадінів та глютеніна пшениці, зеїнів кукурудзи, легуміна бобових, патаніна картоплі та ряд інших. Існують практичні результати трансформації рослин. Так, введення в геном пшениці модифікованого гену роламіна призвело до активного синтезу модифікованого білку, а також здійснило вплив на склад та рівень відповідних запасних білків. У результаті покращилась хлібопекарська якість пшеничного борошна.

8.4. Підвищення ефективності процесу фотосинтезу

Один з можливих способів підвищення фотосинтезу та продуктивності рослин полягає у клонуванні хлоропластних генів в клітинах бактерій та їх переносі в рослину. Відомо, що хлоропласти та прокаріотичні клітини подібні по ряду ознак. На основі цього виникла симбіотична гіпотеза походження хлоропластів, вперше висунута Фамініциним (1886). Згідно з цією гіпотезою, клітини прокаріот та хлоропласти подібні. В них присутні кільцеві ДНК, 70Sрибосоми, синтез білків починається з однієї й той самої амінокислоти – N-формілметіоніна, а синтез білку пригнічується хлорамфеніколом, а не циклогексимідом, як у еукаріот. Пізніше було показано, що ДНК-залежна РНК-полімераза E. coli зв’язується з визначеними ділянками ДНК хлоропластів шпинату.

В клітинах E. сoli ініціація білкового синтезу частково регулюється доступністю ділянки скріплення рибосом (ДСР). Його структура до кінця ще не визначена, але розшифрована ділянка, відома під назвою «послідовність Шайн-Дельгарно» (ШД). Вона компліментарна 3 -кінцю 16S-рібосомальної РНК, та ініціація білкового синтезу починається з утворення компліментарної пари між цією послідовністю та 3-кінцем 16S-рібосомальної РНК. Аналіз послідовності ДНК хлоропластного гену великої субодиниці основного ферменту фотосинтезу – риболозодифосфаткарбокси-лази (РДФкарбоксилази) кукурудзи – виявив значні гомології з відомими промоторами та послідовностями ШД клітин E. сoli. Все це призвело до спроби клонування генів хлоропластів в клітинах E. сoli, що найчастіше використовується в генно-інженерних дослідженнях.

Транскрипційні конструкції можуть створюватись двома шляхами: по-перше, це установка промотору поряд з ДСР, котрий упізнається полимеразою E. сoli, по-друге, це формування гібридного ДСР, яка скалдається з прокаріотичної послідовності ШД та еукаріотичного або синтетичного ініціюючого кодону. Перший шлях широко застосовується для збільшення експресії генів E. сoli та хлоропластних генів в клітинах E.сoli.

В даний час вже клоновано декілька хлоропластних генів: гени синтезу субодиниць РДФкарбоксилази, білку хлорофіл-білкового комплексу, АТФсинтетази, цитохрома та інш.