Методи генної інженерії дозволяють отримати більш морозостійкі сільськогосподарські культури
Росії хронічно не щастить не тільки з правителями і дорогами, але і з кліматом. Холод - це одна з головних проблем країни, на просторах якої зима триває шість місяців і більше. У той час як для росту рослин і, відповідно, гарного врожаю потрібні, перш за все, сонце, тепло і волога. Якщо навколо холодно, рослини, як правило, сильно страждають, а іноді і гинуть, в результаті чого тваринам і людям виявляється не мають що їсти.
Вас також може зацікавити
Які процеси протікають в клітинах і в цілому рослині при зниженні температури і що потрібно, щоб воно не загинуло?
По-перше, треба запобігти утворенню льоду. По-друге, треба забезпечити процеси транскрипції і трансляції, тобто життєдіяльності. Треба оновлювати білки, нарощувати біомасу, нехай не з такою швидкістю, як при нормальній температурі, але, тим не менш, процеси відновлення повинні йти постійно. По-третє, треба захистити клітинні мембрани, тому що, якщо пошкоджені мембрани, то весь вміст клітини випливає і її життя припиняється.
Є кілька основних способів підвищення виживаності клітин при зниженні температури: 1) підтримання працездатності білків за допомогою молекулярних помічників - шаперонов; 2) запобігання утворенню льоду в клітинах за допомогою синтезу осмолітов: сахарози, гліцерину, проліну, бетаїну; 3) запобігання замерзання мембран за допомогою зниження їх в'язкості.
Зупинюся трохи детальніше на мембранах. При зниженні температури підвищується в'язкість мембран через фізичного стиснення клітин. Ми самі ежімся, коли температура знижується - і клітини роблять те ж саме. При настанні зими птахи можуть полетіти з найхолодніших місць в теплі, тварини можуть відростити хутро і надіти шубу, наростити жир; в кінці кінців, вони мають можливість мігрувати туди, де тепліше. А рослини нічого цього не можуть - де їх посадили, там вони і ростуть. Тому, що б не трапилося в навколишньому середовищі, у них повинні бути механізми протидії несприятливих умов, інакше вони просто не зможуть вижити.
Мембрана клітини складається з ліпідного матриксу, і білків, які розташовуються в цьому матриксі. Що таке ліпіди? Це хімічні сполуки, що складаються з триосновними спирту - гліцерину, і приєднаних до нього довгих ланцюгів жирних кислот. У ліпідів, що входять до складу мембран, до гліцерину приєднані дві жирні кислоти, які утворюють гідрофобну (водовідштовхувальну) фазу мембрани, і одна заряджена або нейтральна молекула. У подвійному шарі мембрани вони формують, відповідно, гидрофобную і гідрофільну фази, одна з яких дивиться всередину клітини, а інша - назовні, в навколишнє середовище.
Якщо жирні кислоти в мембранах мають пряму структуру, то при зниженні температури вони як би злипаються і відбувається т.зв. фазовий перехід - з нормальною плинної фази мембрана переходить в в'язку фазу гелю. При цьому білки, які знаходяться в мембрані, при такій «опрессовке» більше не можуть працювати і виконувати свої функції. Завдання рослини - не допустити такої ситуації.
Для цього існує біохімічний механізм, що дозволяє з прямих стовпчиків насичених жирних кислот у складі ліпідів зробити вигнуті стовпчики, які б розходилися під кутом і не давали мембрані злипатися. Завдання тут в тому, щоб відновити нормальну плинність (або, з іншого боку - в'язкість) мембрани шляхом імітації фізичного стану, в яких мембрана знаходиться при нормальній температурі навколишнього середовища. В такому липидном матриксе білки можуть нормально функціонувати і при низькій температурі.
Такий спосіб підгонки фізичного стану мембрани під температуру середовища здійснюється спеціальними білками - десатуразамі жирних кислот. Десатурази утворюють подвійні зв'язку в строго певному положенні жирнокислотного ланцюга, причому за освіту зв'язків в різних положення відповідають різні ферменти. При зниженні температури вони індукуються, формують подвійні зв'язку і, таким чином, в'язкість мембрани знижується, і вона «розріджується».
Для того щоб це продемонструвати експериментально, ми використовували модельну систему клітин ціанобактерій. Чим вона хороша? У ціанобактерій можна мутувати за вибором практично будь-який ген, якщо тільки відсутність відповідного білкового продукту не викликає смерті клітин. Якщо ввести мутації в певні гени десатураз жирних кислот (скажімо, що відповідають за освіту другий і третій подвійних зв'язків), то організм не зможе утворювати відповідні подвійні зв'язку, і тоді при низьких температурах клітини таких мутантів, які не здатні модулювати в'язкість мембран, загинуть.
Однак є й інші організми, наприклад, теплолюбні, які ростуть в гарячих джерелах і в принципі холоду ніколи не відчувають. У них в нормі (за непотрібністю) не утворюється поліненасичених жирних кислот з декількома подвійними зв'язками. Але при цьому вони не здатні рости при знижених температурах. Можна взяти такий модельний організм і трансформувати його геном десатурази, що утворює додаткову подвійну зв'язок, з іншого організму. Тобто отримати трансгени з більш текучими мембранами. Якщо такі клітини піддавати впливу низьких температур, то контрольні клітини гинуть, а трансформанти виживають. Це говорить про те, що кількість ненасичених жирних кислот в ліпідах регулює чутливість мембрани до низьких температур. Чим більше подвійних зв'язків, тим мембрани і клітини стійкіші до низьких температур.
В результаті вийшов трансгенний тютюн, стійкий до шкідлива дія низьких температур.
Напевно багато садівників і дачники стикалися з такою проблемою: навесні, коли з'являються перші паростки, раптом починаються морози при яскравому сонці, і практично всі сходи гинуть. Це явище називається низькотемпературних фотоінгібірованіем, коли при низьких температурах рослини потрапляють під сильне світло. В таких умовах фотосинтетичний апарат не справляється з потужним потоком електронів через підвищеної в'язкості мембран, викликаної зниженням температури. Сам по собі яскраве світло (при нормальній температурі) або самі по собі низькі температури (за відсутності яскравого світла) були б не такі страшні, але спільна дія цих двох стресових факторів зазвичай призводить до сумних для рослин наслідків. Однак, якщо підвищити плинність мембран шляхом трансформації додатковим геном десатурази, то такі рослини стають стійкими до низьких температур і на яскравому світлі.
Наші експерименти останніх років на картоплі в принципі підтвердили те ж саме - додаткові ненасичені жирні кислоти призводять до більшої холодостійкості рослин. Існують і інші механізми, за допомогою яких можна надати рослинам властивості холодостійкості. Наприклад, можна штучно посилити синтез осмолітов, наприклад, гліцин-бетаїн. Ця стратегія дала початок багатьом трансгенним стрес-стійким лініях томатів, вишні, рису, бавовни, кукурудзи і т.д. В принципі, в ідеалі було б добре, щоб в результаті трансформації рослини якимось одним геном змінювався не один ознака, а їх сукупність, і рослина ставало б стійко не тільки до холоду, але і до якихось інших несприятливих умов зовнішнього середовища. Це дуже важливо для сільського господарства.
У нас в країні до недавнього часу можна було на полях висівати трансгени, але зараз и, згідно з якими щось вже можна робити і на полях. Я не закликаю нікого висаджувати трансгени відкритим способом. З іншого боку - навіщо отримувати стійкі трансгени, якщо їх нікуди потім застосувати? Наша експериментальна робота пов'язана з отриманням мутантів і трансгенів в лабораторних умовах. Без спрямованих мутацій і трансгенеза неможливо виявити функції окремих генів або регуляторних подій, неможливо зрозуміти принципів роботи компонентів живих систем, подібних вищеописаної системі десатурации, спрямованої на адаптацію біологічних мембран до мінливих температур.
Що ж стосується практики, то справа йде до того, що їжі людству буде не вистачати. Тому краще вже зараз подумати про те, як підвищувати врожайність, як зробити сорти, стійкі до несприятливих умов. Природа робила це протягом мільйонів років шляхом еволюції і селекції. У нас стільки часу, на жаль, немає. Тому ми повинні докладати зусиль, щоб отримувати фундаментальні знання про принципи роботи і регулювання різних біологічних систем. Ці знання стануть у пригоді, в тому числі, і для отримання рослин із заданими властивостями із застосуванням генно-інженерних методів. При цьому, звичайно, не варто забувати і про проблеми біобезпеки.
