Методы повышения устойчивости растений к стрессовых факторам

  • Вид работы:
    Доклад
  • Предмет:
    Биология
  • Язык:
    Русский
    ,
    Формат файла:
    MS Word
    14,8 Кб
  • Опубликовано:
    2016-04-23
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!

Методы повышения устойчивости растений к стрессовых факторам

 

Актуальность и перспективы развития устойчивости растений к различным стрессовым факторам

Экстремальное влияние окружающей среды, такое как засуха, из­быточное увлажнение, воздействие высоких или низких температур, засоление и кислотность почв приводит к значительным потерям сельскохозяйственной продукции. Поэтому использование сортов растений, толерантных к стрессовым воздействиям, имеет большое экономическое значение.

Сложность селекционной работы по повышению устойчивости к абиотическим стрессам состоит в наличии большого комплекса генов, контролирующих реакцию растений на абиотические стрессы, многие из этих генов к тому же характеризуются сложной регуляцией. Для достижения существенного увеличения стрессоустойчивости необходим отбор по многим генам, контролирующим этот комплексный признак. Этим в основном и объясняется отсутствие значительных достижений в традиционной селекции растений по устойчивости к абиотическим стрессам. В связи со значительным отрицательным экономическим эффектом абиотических стрессов в последние годы внимание биотехнологов привлекают гены, изменяющие реакцию растений на стрессовые условия. Результатом биотехнологических разработок по модификации толерантности растений должно стать повышение стабильности урожая в стрессовых условиях. Современная биотехнология в отличие от предыдущего этапа молекулярно-генетических исследований, целью которого было определение генов, изменяющих экспрессию в ответ на стресс, пытается связать изменения физиологических и фенотипических признаков при стрессе с регуляцией транскрипции, синтезом белков и их комплексов с устойчивостью вследствие мутаций генов или генно-инженерных манипуляций.

Генетическая обусловленность стрессоустойчивости растений. Механизм реализации эффектов

Можно следующим образом сгруппировать гены, влияющие на толерантность растений к абиотическим стрессам:

  • гены, которые кодируют ферменты, участвующие в синтезе различных видов осмотических и других протекторов;
  • гены, кодирующие белки, которые активно синтезируются на поздних стадиях эмбриогенеза;
  • регуляторные гены, контролирующие развитие стрессового ответа;
  • гены, регулирующие уровень фитогормонов;
  • гены ответа на оксидативный стресс;
  • гены молекулярных шаперонов;
  • гены, кодирующие белки транспорта ионов (антипортеры и транспортеры, локализованные в плазмалемме и мембранах вакуолей и органелл);
  • другие.

В стрессовых условиях у растений происходит индукция генов, которые контролируют синтез соединений, вызывающих ответную реакцию растений на абиотические стрессы, в том числе гены ферментов синтеза и деградации осмолитов – низкомолекулярных органических соединений, не тормозящих в высоких концентрациях протекание клеточного метаболизма. К таким осмолитам относятся аминокислоты (пролин, аланин), четвертичные ионы (бетаин, глицинбетаин), сахара и сахароспирты (маннитол, сорбитол, трегалоза, инозитол), углеводы. Они понижают водный потенциал клеток, защищают ферменты от инактивации, обеспечивают целостность структурных белков и пр.

 

Роль аминокислоты пролина в создании солеустойчивых растений

Достаточно интенсивно изучается роль пролина при абиотических стрессах: засолении, засухе, пониженной и повышенной температуре. Считается, что пролин регулирует кислотность цитозоля и поддерживает соотношение НАД+ / НАДH, усиливает фотохимическую активность фотосистемы ІІ в мембранах тилакоидов и снижает перекисное окисление липидов. Дополнительный синтез этой аминокислоты повышает общую устойчивость растений к абиотическим стрессам, так как пролин защищает мембраны, макромолекулы и структурные элементы клетки, приводя таким образом к повышению неспецифической устойчивости.

Пролин синтезируется из глутамина или орнитина. Показано, что в стрессовых условиях доминирует синтез пролина из глутамина, и пирролин-5-карбоксилатсинтетаза (P5CS), ключевой фермент биосинтеза пролина, играет главную роль при стрессовых воздействиях. Были получены трансгенные растения картофеля, несущие ген P5CS арабидопсиса, которые характеризовались повышенным содержанием пролина и солеустойчивостью, тогда как у контрольных растений в условиях солевого стресса урожайность падала на 63 %.

Ген P5CS, клонированный из вигны борцелистной (Vigna aconitifolia), был использован для трансформации табака, риса и пшеницы. В трансгенных растениях табака и петунии наблюдали возрастание свободного пролина и повышение устойчивости к засухе.

Другим ферментом синтеза пролина является орнитинаминотрансфераза (ОАТ). Созданы трансгенные растения Nicotiana plumbaginifolia, экспрессирующие ген ОАТ арабидопсиса. Генетически модифицированные  растения отличались повышенной активностью ОАТ и уровнем свободного пролина по сравнению с контролем. В условиях осмотического стресса трансформанты имели большую биомассу и более высокую всхожесть семян, чем нетрансгенные растения.

Другим подходом для получения трансгенных растений с повышенным содержанием пролина является ингибирование ферментов деградации пролина. Трансгенные растения арабидопсиса с геном пролиндегидрогеназы были более устойчивы к заморозкам и засолению по сравнению с контрольными растениями.

При введении в растения табака фрагмента гена пролиндегидрогеназы были получены растения с повышенным содержанием пролина. Повышенную солеустойчивость демонстрировали как проростки, так и растения, выращенные до стадии двух листьев в контрольных условиях, а затем пересаженные на среды с добавлением 300, 400 и 500 мМ хлорида натрия. В этих экспериментах контрольные растения табака быстро погибали на среде с 400 мМ NaCl, ГМ растения выживали на среде с 500 мМ хлорида натрия в течение 2–3 нед. Трансгенные растения характеризовались также повышенной устойчивостью к осмотическому стрессу.

 

Основные направления в создании растений, устойчивых к тяжелым металлам

Интересным фактом оказалась устойчивость трансгенных растений с повышенным уровнем пролина к токсическим концентрациям солей тяжелых металлов – кадмия, никеля, свинца, ртути. ГМ растения характеризовались меньшим отставанием в росте, признаки хлороза у них были менее выражены или практически отсутствовали. По-видимому, увеличенное содержание пролина способствует повышению неспецифической стрессоустойчивости, возможно, за счет его антиоксидантной и осмопротекторной функций.

Однако при накоплении токсических концентраций тяжелых металлов, растению необходимо поддерживать гомеостаз. Одним из таких приспособительных механизмов, является синтез из глутатиона специальных пептидов – фитохелатинов (ФХ). ФХ связывают тяжелые металлы, образуя комплексные соли, препятствуя, таким образом, взаимодействию ионов металла с цитоплазматическими белками. Они формируют комплексы с Cd, Ag, Bi, Pb, Zn, Cu, Hg, Au, As, Sb, Ni, Au, Sn, SeO3 2–, Sb, Te, обеспечивая их детоксикацию.

Устойчивость к тяжелым металлам обеспечивают также низкомолекулярные белки, богатые цистеином – металлотионеины, способные связывать тяжелые металлы в цитозоле, что играет важную роль в поддержании клеточного гомеостаза. Эти свойства характерны и для ФХ, однако ферментативный синтез последних служит отличительным признаком: металлотионеины являются продуктом трансляции с мРНК. Положительные результаты были достигнуты при получении ГМ растений ярутки полевой Thlaspi goesingense, экспрессирующих металлотионеиновый ген TgMTP1, что обеспечивало перекачивание ионов никеля из внутриклеточного пространства в вакуоли и увеличивало способность накапливать такие ионы.

 

Роль бетаинов в реализации механизмов стрессоустойчивости растений

Установлено, что другой совместимый осмолит – глицинбетаин – защищает некоторые ферменты растений от высокотемпературной инактивации. Фотосистема II чувствительна к воздействию высоких температур, а введение генов, экспрессия которых увеличивала содержание в растениях бетаинов, обеспечивало защиту белков фотосистемы. Синтез глицинбетаина у A. thaliana повышал толерантность к солевому и холодовому стрессам. Внесение бактериального betА гена, кодирующего холиндегидрогеназу, в растения табака привело к накоплению глицинбетаина и повышению солеустойчивости трансгенных растений, увеличению зеленой массы ГМ растений, выращенных при 300 мМ NaCl, на 80 % по сравнению с контролем. Показано и повышение устойчивости растений к засухе при экспрессии этого гена в растениях кукурузы. Рис метаболизирует бетаинальдегид в глицинбетаин и является сравнительно солеустойчивым видом. При дополнительной экспрессии гена betА в хлоропластах риса наблюдалось эффективное накопление глицинбетаина и повышение солеустойчивости. Китайскими учеными при введении гена бетаинальдегиддегидрогеназы шпината в растения табака показано повышение синтеза глицинбетаина и, как следствие, повышение жароустойчивости: при температуре 45°С растения были способны к фотосинтезу.

Введение гена codА холиноксидазы в геном растений арабидопсиса и риса привело к увеличению уровня бетаина в хлоропластах ГМ растений и более высокой устойчивости при солевом, низко- и высокотемпературном стрессах, повышенном уровнe освещения. В семенах растений A. thaliana, экспрессирующих этот ген, отмечен высокий уровень накопления глицинбетаина, что коррелирует с большей устойчивостью к воздействию повышенных температур, причем наблюдалась большая устойчивость и к кратковременным воздействиям, и к более длительному действию стрессового фактора.

 

Роль полиаминов и сахаров в формировании устойчивости растений к засухе, засолению и низким температурам

В качестве низкомолекулярных осмолитов, повышающих устойчивость растений, могут выступать полиамины. Введение в геном растений риса и табака генов S-аденозилметиониндекарбоксилазы (SAMDC) или аргининдекарбоксилазы (ADC) – ключевых ферментов биосинтеза полиаминов – привело к усилению засухо- и солеустойчивости, а также устойчивости к грибным патогенам.

Кроме того, осморегуляция клеток растений осуществляется за счет синтеза сахаров или сахароспиртов. Фруктаны – полисахариды, накапливающиеся во многих растениях и бактериях. Примерно 45 000 видов растений используют фруктаны в качестве основного типа углеводов. Поскольку фруктаны растворимы, они также могут играть роль регуляторов осмотического давления. Чтобы создать трансгенные растения табака, накапливающие фруктаны (в норме у табака они не синтезируются), использовали ген SacB из Bacillus subtilis. В условиях засухи скорость роста ГМ растений была выше на 55 %, а прирост массы на 59 % больше, чем у контрольных растений. Трегалоза является дисахаридом, состоящим из двух соединенных ?-связями молекул глюкозы, и встречается у бактерий, грибов, насекомых и некоторых групп растений. Виды растений, синтезирующих трегалозу, часто являются очень устойчивыми к засухе. Гены E. coli otsA и otsB, кодирующие соответственно трегалозо- 6-фосфатсинтазу и трегалозо-6-фосфатфосфатазу, вводили в растения табака. У растений, которые экспрессируют ген дрожжей tps1, кодирующий трегалозо-6-фосфатсинтазу, усиливался синтез трeгалозы и повышалась устойчивость к засухе. У таких ГМ растений наблюдали также более эффективный фотосинтез. Повышенная экспрессия бактериального гена биосинтеза трегалозы в растениях риса вызвала значительное возрастание устойчивости полученных растений к засолению, засухе и воздействию низких температур.

Маннитол также может играть заметную роль в адаптации растений к неблагоприятным воздействиям. Его роль как осмопротектора отмечена при засухе и засолении. В то же время было показано, что маннитол оказывает антиоксидантный эффект в стрессовых условиях. При введении в табак бактериального гена mtlD, контролирующего синтез маннитол-1-фосфатдегидрогеназы, отмечено накопление маннитола и повышение устойчивости к солевому стрессу. Интересен также и тот факт, что растения баклажана, экспрессирующие бактериальный ген mtlD и характеризующиеся повышенным содержанием маннитола, обладали повышенной устойчивостью к трем грибным инфекциям, вызываемым Fusarium oxysporum, Verticillium dahliae и Rhizoctonia solani. Таким образом, экспрессия этого гена повышает устойчивость к биотическим и абиотическим стрессам. Трансгенные растения табака, несущие бактериальный ген левансахаразы (levU) Zymomonas mobiles, характеризуются повышенным темпом роста в условиях осмотического стресса, вызванного добавкой полиэтиленгликоля (ПЭГ), или холодового стресса. При введении в табак гена imt1 инозитолметилтрансферазы, кодирующего синтез ?-инозитола, и гена stpd1, обеспечивающего синтез сорбитол-6-фосфатдегидрогеназы, у полученных ГМ растений наблюдали повышение солеустойчивости и устойчивости к водному стрессу.

Введение гена imt, клонированного из хрустальной травки Mesembryanthemum crystallinum, в геном сои привело к усилению синтеза маннитола в 10–80 раз и увеличению стрессоустойчивости. Изучение ферментов гликолиза и ферментации спиртов показало их связь с устойчивостью к анаэробному стрессу. ГМ растения табака и риса с повышенной экспрессией гена pdc, кодирующего фермент пируватдекарбоксилазу, и гена adh синтеза алкогольдегидрогеназы характеризовались устойчивостью к затоплению.

 

Введение дополнительных генов для создания холодоустойчивых растений

Для получения засухоустойчивых трансгенных растений рассматривается подход, связанный с введением различных генов: синтеза пролина – гена P5CS арабидопсиса или Vigna, гена SacB, кодирующего синтез левансахаразы Bacillus subtilis, гена соdА. Трансформация растений табака этими генами привела к получению линий, характеризующихся повышенным содержанием пролина, глицинбетаина и фруктана соответственно. Кроме засухоустойчивости, полученные трансгенные растения были способны выдерживать воздействие отрицательных температур (–2 °С) при экспозиции 24 ч без повреждения, в то время как контрольные растения после такой обработки теряли тургор и погибали.

Адаптация растений к заморозкам сопровождается экспрессией сor (cold-regulated) генов. Ген сor15a арабидопсиса экспрессируются в ответ на низкие температуры, засуху и на присутствие абсцизовой кислоты (АБК). Ряд этих генов экспрессируются только при низкой температуре, но некоторые также индуцируются и другими видами стрессов. Многие из этих белков являются дегидринами, и часть их обладает криопротекторными свойствами. Были получены трансгенные растения арабидопсиса, конститутивно экспрессирующие cor15a, исследование которых показало, что экспрессия трансгена усиливает морозоустойчивость хлоропластов трансгенных растений in vivo примерно на 2°С по сравнению с контрольными растениями.

 

Различные механизмы адаптации растений к абиотическим стрессам дают представление о комплексе генов, включающихся при стрессовых воздействиях, описывают получение трансгенных растений, толерантных к этим стрессам. Таким образом, используя накопленные данные, можно получать растения с устойчивостью к большому спектру абиотических стрессовых воздействий.

 

 

 

 

Похожие работы на - Методы повышения устойчивости растений к стрессовых факторам

 

Не нашел материал для своей работы?
Поможем написать качественную работу
Без плагиата!