Молекулярная биотехнология. Принципы и применение - Глик Б., Пастернак Дж. 2002

Молекулярная биотехнология микробиологических систем
Генная инженерия растений: применение
Заключение

Вводя в геном растений чужеродные гены и обеспечивая их экспрессию, можно относительно быстро создавать новые сорта растений. Уже получены трансгенные растения, устойчивые к неблагоприятным условиям окружающей среды, к насекомым-вредителям, вирусам, гербицидам, окислительному и солевому стрессам. Выведены культуры с необычной окраской цветков, растения, имеющие более высокую пищевую ценность, растения с измененным вкусом плодов и т. д. Некоторые растения удалось модифицировать так, что они стали своеобразными фабриками по крупномасштабному синтезу ценных белков, например антител. Многочисленные трансгенные растения с измененными свойствами и повышенной пищевой ценностью прошли успешную проверку в лабораторных, а некоторые из них — в полевых условиях. К настоящему времени на рынок поступило лишь небольшое число генетически модифицированных растений, однако можно с уверенностью сказать, что в будущем они займут на нем достойное место.

ЛИТЕРАТУРА

Ananda Kumar Р., R. Р. Sharma, V. S. Malik. 1996. The insecticidal proteins of Bacillus thuringiensis. Adv. Appl. Microbiol. 42: 1—43.

Anderson E. J., D. M. Stark, R. S. Nelson, N. E. Turner, R. N. Beachy. 1989. Transgenic plants that express the coat protein gene of TMV or A1MV interfere with disease development of non-related viruses. Phytopathology 12: 1284-1290.

Ayub R., M. Guis, M. Ben Amor, L. Gillot, J.-P. Roustan, A. Latche, M. Bouzayen, J.-C. Pech. 1996. Expression of ACC oxidase antisense gene inhibits ripening of cantaloupe melon fruits. Nat. Biotechno1. 14: 862—866.

Bachem C. W. B., G.-J. Speckmann, P. C. G. van der Linde, F. T. M. Verheggen, M. D. Hunt, J. C. Steffens, M. Zabeau. 1994. Antisense expression of polyphenol oxidase genes inhibits enzymatic browning in potato tubers. Bio/Technology 12: 1101-1105.

Beachy R. N., S. Loesch-Fries, N. E. Turner. 1990. Coat protein-mediated resistance against vims infection. Annu. Rev. Phytopathol. 28: 451—474. Bird C. R., D. Grierson, J. A. Ray, W. W. Schuch. October 1993. Tomato plants and cells containing рТОМЗб antisense constructs. U.S. patent 5,254,800.

Boulter D., A. M. R. Gatehouse, V. Hilder. 1989. Use of cowpea trypsin inhibitor (CpTI) to protect plants against insect predation. Biotechnol. Adv. 7: 489-498.

Bowler C., L. Slooten, S. Vandenbranden, R. De Rycke, J. Botterman, C. Sybesma, M. Van Montagu, D. Inze. 1991. Manganese superoxide dismutase can reduce cellular damage mediated by oxygen radicals in transgenic plants. EMBO J. 10: 1723-1732.

Brunke K. J., R. L. Meeusen. 1991. Insect control with genetically engineered crops. Trends Biotechnol. 9: 197—200.

Cheng J., M. G. Bolyard, R. C. Saxena, M. B. Sticklen. 1992. Production of insect resistant potato by genetic transformation with a 8-endotoxin from Bacillus thuringiensis var. kurstaki. Plant Sei. 81: 83-91.

Comai L., D. Facciotti, W. R. Hiatt, G. Thompson, R. E. Rose, D. M. Stalker. 1985. Expression in plants of a mutant aroA gene from Salmonella typhimurium confers tolerance to glyphosate. Nature 317: 741-744.

Corbin D. R., J. T. Greenplate, E. Y. Wong, J. Purcell. 1994. Cloning of an insecticidal cholesterol oxidase gene and its expression in bacteria and in plant protoplasts. Appl. Environ. Microbiol. 60: 4239—4244.

Courtney-Gutterson N., C. Napoli, C. Lemieux, A. Morgan, E. Firoozabady, К. E. P. Robinson. 1994. Modification of flower color in florist’s chrysanthemum: production of a white-flowering variety through molecular genetics. Bio/Technology 12: 268—271.

Cuozzo M., К. M. O'Connell, W. Kaniewski, R.-X. Fang, N.-H. Chua, N. E. Turner. 1988. Viral protection in transgenic tobacco plants expressing the cucumber mosaic vims coat protein or its antisense RNA. Bio/Technology 6: 549—557.

Day A. G., E. R. Bejarano, K. W. Buck, M. Burrell, C. P. Lichtenstein. 1991. Expression of an antisense viral gene in transgenic tobacco confers resistance to the DNA virus tomato golden mosaic vims. Proc. Natl. Acad. Sсi. USA 88: 6721-6725.

Dekker J., S. O. Duke. 1995. Herbicide-resistant field crops. Adv. Agron. 54: 69—116.

Delamiay X., B. J. LaVallee, R. K. Proksch, R. L. Fuchs, S. R. Sims, J. T. Greenplate, P. G. Marrone, R. B. Dodson, J. J. Augustine, J. G. Layton, D. A. Fischhoff. 1989. Field performance of transgenic tomato plants expressing the Bacillus thuringiensis var. kurstaki insect control protein. Bio/Technology 7: 1265—1269.

Duan X., X. Li, Q. Xue, M. Abo-El-Saad, D. Xu, R. Wu. 1996. Transgenic rice plants harboring an introduced potato proteinase inhibitor II gene are insect resistant. Nat. Biotechnol. 14: 494—498. Düring К., P. Porsch, M. Fladung, H. Lörz. 1993. Transgenic potato plants resistant to the phytopathogenic bacterium Erwinia carotovora. Plant. J. 3: 587-598.

Ely S. 1993. The engineering of plants to express Bacillus thuringiensis 5-endotoxins, p. 105—124. In P. F. Entwistle, J. S. Cory, M. J. Bailey, S. Higgs (ed.), Bacillus thuringiensis, an Environmental Biopesticide: Theory and Practice. John Wiley & Sons, Chichester, United Kingdom.

Falco S. С., T. Guida, M. Locke, J. Mauvais, C. Sanders, R. T. Ward, P, Webber. 1995. Transgenic canola and soybean seeds with increased lysine. Bio/Technology 13: 577—582.

Fiedler U., U. Conrad. 1995. High-level production and long-term storage of engineered antibodies in transgenic tobacco seeds. Bio/Technology 13: 1090-1093.

Fischhoff D. A., K. S. Bowdish, F. J. Perlak, P. G. Marrone, S. M. McCormick, J. G. Niedermeyer, D. A. Dean, K. Kunsano-Kretzner, E. J. Mayer, D. Е. Rochester, S. G. Rogers, R. Т. Fraley. 1987. Insect tolerant tomato plants. Bio/Technology 5: 807—813.

Fitchen J. H., R. N. Beachy. 1993. Genetically engineering protection against viruses in transgenic plants. Annu. Rev. Microbiol. 47: 739—763.

Fuchs M., D. Gonsalves. 1995. Resistance of transgenic hybrid squash ZW-20 expressing the coat protein genes of zucchini yellow mosaic virus and watermelon mosaic virus 2 to mixed infections by both potyviruses. Bio/Technology 13: 1466—1473. Gray J. E., S. Picton, J. J. Giovannoni, D. Grierson. 1994. The use of transgenic and naturally occurring mutants to understand and manipulate tomato fruit ripening. Plant Cell Environ. 17: 557-571.

Grison R., B. Grezes-Besset, M. Schneider, N. Lucante, L. Olsen, J.-J. Leguay, A. Toppan. 1996. Field tolerance to fungal pathogens of Brassica napus constitutively expressing a chimeric chitinase gene. Nat. Biotechnol. 14: 643-646.

Hilder V. A., A. M. R. Gatehouse, S. E. Sheerman, R. F. Barker, D. Boulter. 1987. A novel mechanism of insect resistance engineered into tobacco. Nature 330: 160—163.

Hill К. K., N. Jarvis-Eagan, E. L. Halk, K. J. Krahn, L. W. Liao, R. S. Mathewson, D. J. Merlo, S. E. Nelson, K. E. Rashka, L. S. Loesch-Fries. 1991. The development of virus-resistant alfalfa, Medicago sativa L. Bio/Technology 9: 373—377.

Holton T. A., F. Brugliera, D. R. Lester, Y. Tanaka, C. D. Hyland, J. G. T. Menting, C.-Y. Liu, E. Farcy, T. W. Stevenson, E. C. Cornish. 1993. Cloning and expression of cytochrome P450 genes controlling flower color. Nature 366: 276—279.

Johnson R., J. Narvaez, G. An, C. Ryan. 1989. Expression of protease inhibitors І and II in transgenic tobacco plants: effects on natural defense against Manduca sexta larvae. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 86: 9871-9875.

Jongedijk E., A. A. J. M. de Schutter, T. Stolte, P. J. M. van den Elzen, B. J. C. Cornelissen. 1992. Increased resistance to potato vims X and preservation of cultivar properties in transgenic potato under field conditions. Bio/Technology 10: 422-429.

Klee H. J., M. B. Hayford, K. A. Kretzmer, G. F. Barry, G. M. Kishore. 1991. Control of ethylene synthesis by expression of a bacterial enzyme in transgenic tomato plants. Plant Cell 3: 1187-1193.

Knutzon D. S., G. A. Thompson, S. E. Radke, W. B. Johnson, V. C. Knauf, J. C. Kridl. 1992. Modification of Brassica seed oil by antisense expression of a stearoylacyl carrier protein desaturase gene. Proc. Natl. Acad. Sei. USA 89:2624—2628.

Lee W. S., J. T. C. Tzen, J. C. Kridl, S. E. Radke, A. H. C. Huang. 1991. Maize oleosin is correctly targeted to seed oil bodies in Brassica napus transformed with the maize oleosin gene. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 88: 6181-6185.

Lilius G., N. Holmberg, L. Bulow. 1996. Enhanced NaCl stress tolerance in transgenic tobacco expressing bacterial choline dehydrogenase. Bio/Technology 14: 177—180.

Lin W., C. S. Anuratha, K. Datta, I. Potrykus, S. Muthukrishnan, S. K. Datta. 1995. Genetic engineering of rice for resistance to sheath blight. Bio/Technology 13: 686—691.

Ling K., S. Namba, C. Gonsalves, J. L. Slightom, D. Gonsalves. 1991. Protection against detrimental effects of potyvirus infection in transgenic tobacco plants expressing the papaya ringspot virus coat protein gene. Bio/Technology 9: 752—758.

Lodge J. K., W. K. Kaniewski, N. E. Turner. 1993. Broad-spectrum virus resistance in transgenic plants expressing pokeweed antiviral protein. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90: 7089-7093.

Ma J. K.-С., M. B. Hein. 1995. Immunotherapeutic potential of antibodies produced in plants. Trends Biotechnol. 13: 522—527.

Macintosh S. C., G. M. Kishore, F. J. Perlak, P. G. Marrone, T. B. Stone, S. R. Sims, R. L. Fuchs. 1990. Potentiation of Bacillus thuringiensis insecticidal activity by serine protease inhibitors. J. Agric. Food Chem. 38: 1145—1152. Meyer P., I. Heidmann, G. Forkmann, H. Saedler. 1987. A new petunia flower colour generated by transformation of a mutant with a maize gene. Nature 330: 677—678.

Mol J. N. M., T. A. Holton, R. E. Koes. 1995. Floriculture: genetic engineering of commercial traits. Trends Biotechnol. 13: 350—355.

Mol J. N. M., A. R. van der Krol, A. J. van Tunen, R. van Blokland, P. de Lange, A. R. Stuitje. 1990. Regulation of plant gene expression by antisense RNA. FEBS Lett. 268: 427-430. АВА 18

Murphy D. J. 1996. Engineering oil production in rapeseed and other oil crops. Trendu Biotechnol. 14: 206-213.

Nawrath C., Y. Poirier, C. Somerville. 1994. Targeting of polyhydroxybutyrate biosynthetic pathway to the plastids of Arabidopsis thaliana results in high levels of polymer accumulation. Proc. Natl. Acad. Sei. USA 91: 12760-12764. Panarrubia L., R. Kim, J. Giovannoni, S.-H. Kim, R. L. Fischer. 1992. Production of the sweet protein monellin in transgenic plants. Bio/Technology 10: 561-564.

Perlak F. J., R. W. Deaton, T. A. Armstrong, R. L. Fuchs, S. R. Sims, J. T. Greenplate, D. A. Fischhoff. 1990. Insect resistant cotton plants. Bio/Technology 8: 939—943.

Perlak F. J., R. L. Fuchs, D. A. Dean, S. L. McPherson, D. A. Fischhoff. 1991. Modification of the coding sequence enhances plant expression of insect control protein genes. Proc. Natl. Acad. Sei. USA 88: 3324-3328.

Powell P. A., D. M. Stark, P. R. Sanders, R. N. Beachy. 1989. Protection against tobacco mosaic virus in transgenic plants that express tobacco mosaic virus antisense RNA. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 86: 6949-6952.

Quinn J. P. 1990. Evolving strategies for the genetic engineering of herbicide resistance in plants. Biotechnol. Adv. 8: 321—333.

Rooijen G. J. H., M. M. Moloney. 1995. Plant seed oil-bodies as carriers for foreign proteins. Bio/Technology 13: 72—77.

Ryan C. A. 1990. Protease inhibitors in plants: genes for improving defenses against insect and pathogens. Annu. Rev.Phytopathol. 28: 425—449. Sen Gupta A., R. P. Webb, A. S. Holaday, R. D. Allen. 1993. Overproduction of superoxide dismutase protects plants from oxidative stress. Plant Physiol. 103: 1067-1073.

Shade R. E., H. E. Schroeder, J. J. Pueyo, L. M. Tabe, L. L. Murdock, T. J. V. Higgins, M. J. Chrispeels. 1994. Transgenic pea seeds expressing the a-amylase inhibitor of the common bean are resistant to bruchid beetles. Bio/Technology 12: 793—796.

Shah D. M., C. M. T. Rommens, R. N. Beachy. 1995. Resistance to diseases and insects in transgenic plants: progress and applications to agriculture. Trends Biotechnol. 13: 362—368.

Töpfer R., N. Martini, J. Schell. 1995. Modification of plant lipid synthesis. Science 268: 681—686.

Tricoli D. M., K. J. Carney, P. F. Russell, J. R. McMaster, D. W. Groff, К. C. Hadden, P. T. Himmel, J. P. Hubbard, M. L. Boeshore, H. D. Quemada. 1995. Field evaluation of transgenic squash containing single or multiple virus coat protein gene constructs for resistance to cocumber mosaic virus, watermelon mosaic virus 2, and zucchini yellow mosaic virus. Bio/Technology 13: 1458—1465.

Vaeck M., A. Reynaerts, H. Höfte, S. Jansens, M. de Beuckeleer, C. Dean, M. Zabeau, M. Van Montagu, J. Leemans, 1987. Transgenic plants protected from insect attack. Nature 328: 33—37.

Van Camp W., H. Willekens, C. Bowler, M. Van Montagu, D. Inze, P. Reupold-Popp, H. Sandermann, Jr., C. Langebartels. 1994. Elevated levels of superoxide dismutase protect transgenic plants against ozone damage. Bio/Technology 12: 165-168.

Van Rie J. 1991. Insect control with transgenic plants: resistance proof? Trends Biotechnol. 9: 177-179.

Vierheilig H., M. Alt, J.-M. Neuhaus, T. Boiler, A. Wiemken. 1993. Colonization of transgenic Nicotiana sylvestris plants, expressing different forms of Nicotiana tabacum chitinase, by the root pathogen Rhizoctonia solani and by the mycor- rhizal symbiont Glomus mosseae. Mol. Plant-Microbe Interact. 6: 261 —264.

Williams S., L. Friedrich, S. Dincher, N. Carozzi, H. Kessmann, E. Ward, J. Ryals. 1992. Chemical regulation of Bacillus thuringiensis 5-endotoxin expression in transgenic plants. Bio/Technology 10: 540-543.

Zhu Q., E. A. Maher, S. Masoud, R. A. Dixon, C. J. Lamb. 1994. Enhanced protection against fungal attack by constitutive co-expression of chitinase and glucanase genes in transgenic tobacco. Bio/Technology 12: 807—812.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Предположим, что растения инфицированы вирусом без оболочки с одноцепочечным РНК-геномом (8000 нуклеотидов). Вирус и его РНК можно легко выделить. Кроме того, у вас есть антитела ко всем четырем вирусным белкам. Какую стратегию вы выбрали бы для защиты растений от вирусной инфекции?

2. Предложите несколько стратегий создания растений, устойчивых к насекомым-вредителям.

3. Как с помощью антисмысловой РНК можно обеспечить устойчивость растений к специфическим вирусам?

4. Каким образом ингибиторы протеиназ, ингибитор амилазы и холестеролоксидаза защищают растения от насекомых-вредителей?

5. Предложите стратегию защиты растений от повреждения несколькими разными вирусами.

6. Опишите основные способы создания растений, устойчивых к гербицидам.

7. Как следует изменить растение, чтобы обеспечить его защиту от патогенных почвеных грибов?

8. Как с помощью генной инженерии получить растения, устойчивые к патогенным бактериям?

9. Какой подход вы применили бы для создания растения, толерантного к высоким концентрациям солей?

10. Предположим, что вам нужно замедлить созревание плодов авокадо при их транспортировке. Какой способ вы выберете?

11. Как с помощью методов генной инженерии получить растения с необычной окраской цветков?

12. Как с помощью генной инженерии повысить содержание лизина в сое?

13. Что такое косупрессия? Антисмысловая супрессия? Сравните их.

14. Как упростить процедуру очистки растворимых белков, например фрагментов антител, синтезируемых растениями?