Генно-инженерные работы в области повышения эффективности фотосинтеза

Фотосинтез, осуществляемый растениями, характеризуется в це­лом весьма низкой эффективностью, так как фотосиитетический ап­парат использует лишь 3 — 4 % падающего света. Современный путь увеличения фотосинтетических возможностей культурных расте­ний — селекция с целью ускорения раннего роста и формирования листьев, улучшения «архитектуры» растений, увеличения площади листовой пластинки и сроков жизнедеятельности этого органа. Но более важными являются следующие обстоятельства:

1) способность растений к переносу продуктов фотосинтеза в те его части, ради которых данное растение культивируется;

2) уменьшение потери сухого вещества при дыхании;

3) переключение С₃-пути фотосинтеза (злаковые) на более эф­фективный С₄-путь (кукуруза) с помощью трансгепоза группы генов.

Как известно, у всех без исключения растений связывание угле­кислоты осуществляется через цикл восстановления углерода Каль­вина. Первый этап представляет собой карбоксилирование, которое у С₃-растений происходит путем взаимодействия свободного углекис­лого газа с основным доступным акцептором — рибулозо-1,5-би-фосфатом, в результате чего образуются две молекулы 3-фосфогли-церата:

со₂ н₂о с₅^с₆^с₃+с₃

Реакция катализируется рибулозо-1,5-бифосфаткарбоксилазой (РБК), которая локализована на обращенной к строме поверхности мембран тилакоидов. Это лимитирующая стадия в функционировании цикла Кальвина. У растений и фототрофов на свету идет ее уско­рение.

Второй стадией цикла у С₃-растений является восстановление З'-фосфоглицерата за счет энергии фотореакции до триозофосфата. На первой стадии у С₄-растений акцептором С0₂ в форме бикарбо­ната выступает не рибулозо-1,5-бифосфат, а фосфоеиолпируват, ко­торый в результате реакции карбоксилироваиия превращается в ок-салоацетат, последний далее — в малат и аспартат:

со₂

с₃^с₄

Реакция осуществляется ферментом — фосфоеполпируваткарбок-силазой (ФЕПК). Основное значение этого дополнительного этапа к циклу Кальвина у С₄-растепий состоит в том, что ФЕПК и субстрат расположены в мезофильных клетках, соприкасающихся с воздухом, а образовавшиеся С₄-соединения транспортируются в клетки обклад­ки сосудистого пучка, которые служат основным местом локализации фотосинтетической системы и компонентов указанного цикла. Здесь С₄-соедииепия подвергаются декарбоксилированию, в результате чего создается высокая концентрация С0₂, вступающего в цикл Кальвина. Это не что иное, как углекислая помпа, перекачивающая углекислоту и создающая высокую локальную ее концентрацию. Эффективность фотосинтеза у С₄-растеиий повышается, однако при этом возрастают и их энергозатраты.

Основное внимание в генно-инженерных проектах уделяется ме­ханизму увеличения концентрации С0₂ и повышению сродства РБК с этой кислотой. Например, полиплоидизация растений ведет к росту активности РБК. Современная задача — исследовать возможности ее получения с соотношением карбоксилазной и оксигеназиой актив­ностей, измененных в пользу карбоксилазы. Так, методами сайт-на­правленного мутагенеза заменили в активном центре фермента Asp па Glu, но оказалось, что снизились обе активности на 30 %. Более простой задачей явился бы перенос генов ФЕПК и декарбоксилазы в С₃-растения, не элиминирующий при этом собственные РБК С₃-ти-па и всей сопутствующей системы карбоксилироваиия. Также можно путем трапсгеноза гена ангидразы либо путем его амплификации уве­личить концентрацию углекислоты в органеллах клеток листа.

68. Генно-инженерные работыв области увеличения содержания незаменимых аминокислот

Важная потенциальная область применения генно-инженерных подходов в растениеводстве — улучшение качества зерна основных злаковых культур, прежде всего изменение аминокислотного состава запасных белков. Как известно, в запасном белке большей части зла­ковых имеется дефицит лизина и в меньшей степени — треонина, что заметно снижает их пищевую и кормовую ценность. Введение в эти белки дополнительного количества дефицитных аминокислот могло бы ликвидировать аминокислотный дисбаланс.

В ряде случаев методами традиционной селекции удавалось су­щественно повысить содержание в запасных белках злаковых лизи­на, но такие культивары не получили распространения ввиду замет­ного ухудшения урожайности. В настоящее время преодоление де­фицита незаменимых аминокислот в корме свиней и птицы обеспе­чивается в значительной мере добавлением продуктов микробиоло­гического синтеза белка. Однако стоимость кормовых добавок до­статочно высока.

Весьма перспективно решение этой проблемы путем устранения белкового дефицита непосредственно в растении благодаря измене­нию аминокислотного состава запасных белков. У злаковых, в част­ности у пшеницы и ячменя, основными из них являются спиртора-створимые проламины, содержащие не более 0,9 % лизина. Для полу­чения сбалансированного по лизину белка злаковых в их проламины следует ввести 15 — 20 лизиновых остатков в полипептидную цепоч­ку или же заменить часть проламинов на богатый лизином белок.

С помощью традиционных генетико-селекциониых методов в ряде случаев удавалось получить линии и сорта злаковых с повышенным содержанием лизина за счет уменьшения доли проламина в зерне, но ни одна из этих линий не стала хозяйственно ценным сортом ввиду уменьшения размеров зерна и снижения урожайности.

Существует генно-инженерный проект, рассчитанный на создание рекомбинантных растений злаков либо с амплифицированпыми ге­нами белков зерна, богатых лизином, либо с генами этих белков, подстроенных под более сильные промоторы. Второй подход пред­полагает, что улучшать аминокислотный состав можно за счет моди­фикации полипептидной цепи проламинов, с тем чтобы повысить про­центное содержание лизина с помощью изменения нуклеотидной по­следовательности кодонов при том же общем количестве белка. Тре­тий путь увеличения свободного лизина в зерне состоит в химиче­ском синтезе генов, которые программируют неприродные полипеп­тиды, построенные в основном из незаменимых аминокислот. Был получен ген НБНА, кодирующий белок с высоким содержанием ли­зина, который легко деградировался в организме животных. Он был встроен в плазмидную конструкцию, созданную на основе плазмид A. rhisogenes и A. tumefaciens. В качестве селективного гена был использован ген антибиотико-резистентности. Удалось трансформи­ровать клетки растений табака этими рекомбинантными плазмидами и регенерировать химерные растения, в которых ген НБНА экспрес-сировался, программируя синтез искусственного белка.

Оценивая в целом итоги и перспективы работ по улучшению ами­нокислотного состава запасных белков различных растений метода­ми генной инженерии, можно отметить, что устранение дефицита незаменимых аминокислот окажется возможным лишь при успеш­ной реализации нескольких из обсуждавшихся выше подходов.