Начало формы И.Р. РАХИМБАЕВ, Б.Б. АНАПИЯЕВ

И.Р. РАХИМБАЕВ, Б.Б. АНАПИЯЕВ
ГАПЛОИДНАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ
ГЕНЕТИЧЕСКОГО УЛУЧШЕНИЯ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР
(Институт физиологии, генетики и биоинженерии растений)
В статье обсуждаются современные проблемы генетического улучшения растений методом
гаплоидной биотехнологии на основе культуры изолированных пыльников и микроспор in
vitro. Анализируя результаты собственных исследований и литературные данные обоснованы
перспективные направления использования гаплоидной биотехнологии в экологической
селекции растений на устойчивость к биотическим и абиотическим факторам окружающей
среды, в клеточной селекции и генетической инженерии
Явление гаплоидии свидетельствует о том, что генетическая информация, содержащаяся в
гаметах и представленная лишь одинарным набором хромосом способна полностью
обеспечивать реализацию программы онтогенеза растительного организма. В практическом
аспекте гаплоиды позволяют за короткое время получать из гибридных популяций
гомозиготные, константные линии, использование которых в селекционных программах
значительно сокращает время создания новых высокопродуктивных сортов. Кроме того,
гаплоиды являются уникальной и весьма удобной экспериментальной системой для
клеточной селекции и генетической инженерии растений. Установлено, что чужеродные гены
(рекомбинантная ДНК), введенные в растительную клетку, в последующих репродукциях
расщепляются по закону Менделя.
Для зерновых злаков разработано несколько методов получения гаплоидов (метод
"бульбозум", культура репродуктивных органов), среди которых более эффективным для
массового получения растений-регенерантов является метод культуры изолированных
пыльников и микроспор.
Генетическая инженерия открывает принципиально новые возможности перед экологической
селекцией зерновых культур. Это связано с возможностью переноса генов бактерий,
экзотических растений, животных и человека в растительные клетки, что невозможно
осуществить традиционными методами селекции. В геном высших растений внедряются гены
устойчивости к гербицидам, солям, холодоустойчивости, устойчивости к вирусным
заболеваниям и другие. Разработано несколько методов переноса ДНК в растения, которые
основаны на использовании природных векторных систем, таких как Agrobacterium
tumefaciens и A. rizogenes. Используя агробактерии получены ценные трансформанты
зерновых культур /1/.
ля генетической трансформации широко применяется также метод микробомбардировки
растительной клетки фрагментами ДНК покрытыми микрочастицами золота и других
металлов /2/. Для зерновых культур применим метод трансформации и через культуру
протопластов, однако длительность процессов регенерации и возможность появления
сомаклонов ограничивает широкую применяемость данного метода. Для генетической
трансформации используют и метод электропорации или электропульсации, который также
применим для зерновых культур, в том числе пшеницы /3/.
Следовательно, в настоящее время для зерновых культур разработано множество методов
генетической трансформации и основной проблемой является стаблизация экспрессии
трансформированных генов. Однако, изучение трансгенных растений показало отсутствие в
некоторых случаях экспрессии генов в потомстве растений, трансгенная природа которых
была доказана. К сожалению, пока неизвестны механизмы, с помощью которых растения
"узнают" и инактивируют трансгены. Это может быть следствием того, что интегрированные в
хромосому гены могут идентифицироваться растением-рецепиентом в качестве чужеродного
вследствие нарушения нормальной, характерной для данного участка структуры хроматина.
Нуклеотидные последовательности трансгенов отличаются от окружающих районов в местах
интеграции. Нарушение нормальной структуры хроматина способно быть сигналом для
метилирования
и
для
рестрикционных
эндонуклеаз
/4/.
Однако, несмотря на некоторые методические успехи, в работах, проводимых в области
генетической инженерии, имеется общий недостаток, связаный с тем, что почти во всех
случаях в качестве реципиентных систем используются соматические (2n) клетки.
Полученные таким путем устойчивые клеточные линии могут потерять свои свойства через
несколько репродукций или расщепляться по Менделю /2/.
Нам представляется более перспективным в теоретическом и в практическом аспекте
использование для этих целей гаплоидных клеток (n), в которых генетическая модификация
после клеточной селекции или генетической трансформации (n*) может закрепиться по обоим
локусам хромосом после дигаплоидизации (nn**, 2n*) /5/. Перспективность этих исследований
по использованию гаплоидных клеток для целей генетической трансформации очевидна, так
как можно обеспечить стабильную экспрессию трансформированных генов при
дигаплоидизации гаплоидов и создании гомозиготных форм после генетической
трансформации /6-8/.
Можно выделить пять подходов
трансформации растений /9/:
к
использованию
гаплоидов
для
генетической
1) использование гаплоидных (n) микроспор c чужеродными генами для оплодотворения
завязи (in vivo, in vitro) и получения трансформированной зиготы;
2) непосредственная генетическая трансформация гаплоидных (n) клеток микроспор в
культуре in vitro;
3) генетическая трансформация гаплоидных (n) протопластов в суспензионной культуре;
4) генетическая трансформация гаплоидных (n) каллусных клеток, эмбриоидов и растенийрегенерантов;
5) культура гаплоидных (n) микроспор трансформантов, полученных с использованием
соматических (2 n) клеток;
Таким образом, открываются принципиально новые возможности для исследования
фундаментальных вопросов регуляции клеточной дифференцировки, гистогенеза и
морфогенеза in vitro с использованием удобной модельной системы культуры пыльников и
изолированных микроспор /10-12/.
Обобщая вышеприведенные данные следует отметить, что гаплоидная биотехнология
расширяет свои возможности в генетическом улучшении растений и имеет большой
потенциал в экологической селекции на устойчивость к экстремальным биотическим и
абиотическим факторам окружающей среды, в клеточной селекции и генетической инженерии
растений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Jahne A., Becker D., Brettschneider R., H. Lorz Regeneration of transgenic, microspore-derived,
fertile barley // Theor. Appl. Genet. - 1994, - 89, - P. 525-533.
2.Ritala A., Aikasalo R., Aspegren K. et. al., Transgenic barley by particle bombardment. Inheritance
of the transferred gene and characteristics of transgenic barley plants // Euphytica. - 1995, - 85, - P.
81-88.
3.Denis M. et.al., Expression of engineered nuclear male sterility in Brassica napus:
genetics,morphology, cytology and sensitivity to temperature // Plant Physiol. 1993. 36. N.4, 12951304
4.Левенко Б.А. Перенос генов и проблемы трансгенных растений // Физиол. и биохим. культур.
растен. - 1998, - Т. 30, - № 2, - С. 83-111.
5.Anapiaev B.B., Blohina O.M., Yevdakova N., Kaliev A.B., Zairov A.B. Genetic transformation of
Triticum aestivum L. by use haploid cells // Pr. VII Inter. Confer. "Biology cells of plants in vitro.
Biotechnol. and preservation of genofonds" Moscow. 25-28 Nov. 1997. - M., - 1997, - P. 241.
6.Stoger E., Fink C., Ffosser M., Haberle-Bors E. Plant transformation by particle bombardment of
embryogenic pollen // Plant Cell Rep. - 1995, - 14, - N. 5, - P. 273-278.
7.Jahne A., Becker D., Brettschneider R., Lorz H. Regeneration of transgenic, microspore-derived,
fertile barley // Theor. and Appl. Genet. - 1994, -84, - P. 525-533.
8.Анапияев Б.Б. Современные направления экологической селекции пшеницы // Сб.:
Проблемы агроэкологии на пороге XXI века. Алматы. Бастау. - 1998. - С. 147-150.
9.Анапияев Б.Б. Гаплоидная биотехнология и перспективы ее использования в генетической
инженерии растений // Кол. Монограф. - Иркутск, - 2000, в печати.
10.Рахимбаев И.Р., Тивари Ш., Бишимбаева Н.К., Кушнаренко С.В., Азимова Е.Д.
Биотехнология зерновых культур // - Алма-Ата, - Гылым, -1992, - С. 240.
11. Snape J.W. Golden calves or white elephants? Biotechnologies for wheat improvement //
Eds.H.J. Braun et. al., Wheat: Prospects for Global Improvement, - 1998, - P. 273-283.
12. Kluth A., Becker D., Lorz H. Interintance of transgenes in cereal plants // Eds. Altman
et.al.,In:Plant Biotechnology and in vitro Biology in 21stCentury,Nitherlands,-1999,P.159-164.
SUMMARY
The are conclusion the modern approaches of plant genetic improvement by use of haploid
biotechnology on the basis of isolated anthers and microspores culture in vitro in the work.
Analyzing the results of own research and literature data the perspective ways of haploid
biotechnology using in plant ecological selection on tolerance to biotic and abiotic environmental
factors, in cell selection and genetic engineering have been grounded.