Основная цель генетической инженерии растений — выделение гена, определяющего полезный для культуры признак, и перенесение его в геном другой культуры, где этот новый ген должен стать частью наследственного аппарата.
Молекулярные биологи обратили внимание на растения как на объект исследования относительно недавно. Одна из причин — отсутствие среди них такого модельного объекта, каким стала Е. coli. Сейчас реальным кандидатом на эту роль становится двудольное растение арабидопсис. Интерес, проявленный к нему молекулярными генетиками, объясняется:
- очень коротким циклом его генерации,
- малым размером его генома,
- удобством для клонирования генов.
Работа с растениями имеет одно немаловажное преимущество — они могут быть регенерированы из клеточной массы (каллуса) или из недифференцированных соматических тканей в зрелые, способные к размножению (фертильные) растения. Однако на пути использования новой технологии гибридных ДНК возникает серьезное препятствие — это отсутствие основательных знаний о регуляции работы генов в процессе развития растения.
Понятие «генетическая инженерия растений» включает работы на клеточном уровне и учитывает все аспекты культуры клеток и тканей, молекулярную биологию и перенос генов. Основное препятствие для введения ДНК в растительные клетки — клеточная стенка. Поэтому используют растительные протопласты (отдельные растительные клетки, стенки которых удалены обработкой целлюлолитическими ферментами), аналогичные сферопластам дрожжей, которые в питательной среде сохраняют жизнеспособность и при определенных условиях культуры образуют новые клеточные стенки с последующим делением и регенерацией из них целых растений. Разработан метод слияния протопластов и получения на их основе соматических гибридов.
В настоящее время на первый план выдвигаются две проблемы:
- идентификация и выделение генов, предназначенных для переноса в растение с целью приобретения им нового полезного признака,
- разработка простых и доступных методов этого переноса с последующей работой новых генов в растениях.
Методы переноса генов в растения можно разделить на две основные группы:
- с помощью векторных систем и
- альтернативные методы прямого переноса.
Несмотря на все перечисленные сложности, генетическая инженерия растений вносит два существенных изменения в селекционную программу:
- Потенциальная экономия места и времени, поскольку получение образцов в лабораторных условиях исключает необходимость использования больших площадей для выращивания тысяч культур и может сократить время их созревания.
- Введение элемента точности в процесс селекции, поскольку исследователь получает возможность манипулировать определенным материалом в виде уже известных нуклеотидных последовательностей.
В наше время опасение вызывает возможность выхода генетических векторов и растений, несущих эти векторы, из-под надзора биотехнологов. Во-первых, говорят об угрозе превращения генно-инженерных культурных растений в сорные травы. Вторая угроза — биохимические изменения, вызванные генетическими модификациями, могут привести к утрате культурами пищевой или кормовой ценности и даже к приобретению ими токсичности. Борьба с этой опасностью предусматривает проведение тщательного тестирования всех генноинженерных растений перед их высевом в поле.
Основные пути развития генетической инженерии растений следующие:
- обогащение культурных растений дополнительными запасными веществами с помощью генов, взятых от других растений. Например, выделены гены таких запасаемых белков, как фазеолин — из фасоли, зеин — из кукурузы, легумин — из гороха и ряд других. Их удается переносить в отдельные негомологичные растения;
- повышение эффективности фотосинтеза растений на основе генов рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы, хлорофилл-а/Ь-связывающих белков и т. п.;
- изменение азотного метаболизма, например, с использованием генов, кодирующих глутаминсинтазу, участвующую в транспорте и запасании азота;
- придание устойчивости к гербицидам, засолению почв, повышенной и пониженной температурам, другим неблагоприятным факторам внешней среды;
- получение белков человека. Так, создан трансгенный рапс, содержащий гены отдельных нейропептидов человека (к примеру, лейэпкефалина, связанного с геном альбумина семян рапса). С одного гектара земли, засеянного таким рапсом, можно получать до 3 кг нейропептида;
- перенос токсинов бактерий в клетки растений. Например, была достигнута экспрессия гена, кодирующего токсические белковые кристаллы thuringiensis, что сопровождалось биосинтезом токсина, и личинки насекомых, поедающие листья, погибали;
- увеличение сроков хранения культур. Так, выведен новый сорт помидоров, длительно сохраняющихся без размягчения вследствие подавления активности фермента полигалактуронидазы.
Генетическая инженерия растений включает манипуляции не только с ядерным геномом клеток, но также с генами хлоропластов и митохондрий. Именно в хлоропластный геном целесообразно вводить ген азотфиксации для устранения потребности в азотных удобрениях. К разработкам в области генетической инженерии растений следует отнести также генетическую модификацию их симбионтов — клубеньковых бактерий рода Rhizobium.В их клетки вводили ген hup, который обусловливает поглощение и утилизацию газообразного водорода, высвобождаемого при функционировании азотфиксирующего ферментного комплекса клубеньковых бактерий. Рециклизация водорода позволяет повысить продуктивность этих растений.