Metodele de inginerie genetică vă permit să obțineți mai multe culturi rezistente la îngheț
Rusia este ghinionist cronic, nu numai cu conducătorii și cu drumurile, ci și cu clima. Rece este una dintre principalele probleme ale țării, în imensitatea căreia iarnă durează șase luni sau mai mult. În timp ce pentru creșterea plantelor și, în consecință, o recoltă bună, mai presus de toate, soarele, căldura și umiditatea sunt necesare. În cazul în care este rece în jurul valorii de, plantele tind să sufere foarte mult, și uneori mor, rezultând animale și oameni care nu au nimic de mâncare.
Ați putea fi, de asemenea, interesat
Ce procese au loc în celule și în întreaga plantă cu o scădere a temperaturii și ceea ce este necesar pentru a nu muri?
În primul rând, trebuie să prevenim formarea de gheață. În al doilea rând, trebuie să asigurăm procesele de transcriere și traducere, adică viața. Este necesar să se actualizeze proteinele, să se acumuleze biomasa, deși nu la fel de rapidă ca la temperatura normală, dar, totuși, procesele de reînnoire trebuie să continue în mod constant. În al treilea rând, este necesar să se protejeze membranele celulare, deoarece dacă membranele sunt deteriorate, întregul conținut al celulei urmează și durata sa de viață se oprește.
Există mai multe modalități de bază de creștere a supraviețuirii celulelor cu scăderea temperaturii: 1) menținerea capacității de prelucrare a proteinelor cu ajutorul asistenților moleculari - chaperone; 2) prevenirea formării gheții în celule prin sinteza osmolitice: zaharoză, glicerol, prolină, betaină; 3) prevenirea înghețării membranelor prin reducerea vâscozității lor.
Mă voi opri în detaliu pe membrane. Pe măsură ce temperatura scade, viscozitatea membranelor crește datorită comprimării fizice a celulelor. Noi înșine suntem, când temperatura scade - și celulele fac același lucru. Când vine iarnă, păsările pot zbura de la locuri reci la locuri calde, animalele pot să crească blănuri și să-și pună blană, să crească grăsimea; în cele din urmă, au posibilitatea de a migra spre locul unde se află mai cald. Și plantele nu pot face nimic - unde au fost plantate, unde cresc. Prin urmare, indiferent ce se întâmplă în mediul înconjurător, acestea trebuie să aibă mecanisme pentru a contracara condițiile nefavorabile, altfel pur și simplu nu vor putea să supraviețuiască.
Membrana celulară constă dintr-o matrice lipidică și proteine care se află în această matrice. Ce sunt lipidele? Acestea sunt compuși chimici constând dintr-un alcool glicerin tribazic și lanțuri lungi de acizi grași atașați de acesta. La lipide care formează membranele sunt atașate la glicerol doi acizi grași care formează hidrofobă faza cu membrană (respinge apa), și una încărcată sau o moleculă neutră. În stratul dublu al membranei, ele formează, respectiv, fazele hidrofobe și hidrofile, dintre care unul arată în interiorul celulei și celălalt arată în exterior în mediul înconjurător.
Dacă acizii grași din membrane au o structură directă, atunci, pe măsură ce temperatura scade, ele par să se lipească și se formează așa numitele "acizi grași". faza de tranziție - de la faza normală de lichid, membrana trece în faza vâscoasă a gelului. În același timp, proteinele care sunt în membrană, cu astfel de "crimpare", nu mai pot funcționa și își pot îndeplini funcțiile. Sarcina uzinei este de a preveni o astfel de situație.
Pentru a face acest lucru, există un mecanism biochimic care permite coloanelor drepte de acizi grași saturați în lipide pentru a face coloane îndoite care se vor dispersa într-un unghi și care vor împiedica lipirea membranei. Sarcina aici este de a restabili fluiditatea normală (sau, pe de altă parte, viscozitatea) membranei prin simularea stării fizice în care membrana este la temperatura normală a mediului ambiant. Într-o astfel de matrice lipidică, proteinele pot funcționa normal la temperaturi scăzute.
Acest mod de adaptare a stării fizice a membranei la temperatura mediului este realizat de proteine speciale - desaturaze de acizi grași. Desaturazele formează legături duble în poziția strict definită a lanțului de acizi grași, cu diferite enzime responsabile de formarea legăturilor în poziții diferite. Atunci când temperatura scade, acestea sunt induse, se formează legături duble și, astfel, viscozitatea membranei scade și se "lichefiază".
Pentru a demonstra acest lucru experimental, am folosit un sistem model de celule cianobacteriene. Ce este bine? În cianobacterii, practic orice genă poate fi mutată prin alegere, cu excepția cazului în care absența unui produs proteic corespunzător determină moartea celulelor. Dacă introducem mutatii in anumite gene desaturaze ale acizilor grași (de exemplu, responsabili de formarea a două și trei legături duble), organismul nu va fi capabil să formeze legături duble corespunzătoare, iar apoi la temperaturi scăzute, astfel de celule mutante nu sunt capabili de a modula vâscozitatea membranelor mor.
Cu toate acestea, există alte organisme, de exemplu, iubitoare de căldură, care cresc în izvoare calde și, în principiu, niciodată nu se simt rece. Acestea sunt în acizi grași polinesaturați (cu valori inutile) cu mai multe legături duble care nu se formează. Dar ele nu sunt capabile să crească la temperaturi scăzute. Se poate lua un astfel de organism și se transformă cu un genom de desaturază, care formează o dublă legătură suplimentară, de la un alt organism. Adică pentru a obține o transgenă cu mai multe membrane fluidice. Dacă astfel de celule sunt expuse la temperaturi scăzute, celulele de control mor și transformanții supraviețuiesc. Acest lucru sugerează că cantitatea de acizi grași nesaturați din lipide reglează sensibilitatea membranei la temperaturi scăzute. Cele mai multe legături duble, cu atât mai multe membrane și celule sunt rezistente la temperaturi scăzute.
Ca rezultat, a fost obținut tutunul transgenic, rezistent la efectul dăunător al temperaturilor scăzute.
Cu siguranță mulți grădinari și grădinari s-au confruntat cu o astfel de problemă: în primăvară, când apar primele lăstari, înghețările brusc în soarele strălucitor, și aproape toate germenii peri. Acest fenomen se numeste fotoinhibitie la temperaturi joase, cand plantele se afla sub lumina puternica la temperaturi scazute. În aceste condiții, aparatul fotosintetic nu face față unui flux puternic de electroni din cauza vâscozității crescute a membranelor cauzată de scăderea temperaturii. Prin ea însăși, lumina puternică (la temperatura normală) sau pe propriile temperaturi scăzute (în absența luminii strălucitoare) nu ar fi atât de teribil, dar efectul combinat al acestor doi factori de stres de obicei duce la consecințe grave plantei. Cu toate acestea, dacă fluiditatea membranelor este mărită prin transformarea cu o gena suplimentară de desaturază, atunci aceste plante devin rezistente la temperaturi scăzute și la lumină puternică.
Experimentele noastre recente privind cartofii au confirmat în principiu același lucru - acizii grași nesaturați suplimentari conduc la o rezistență mai mare la frig a plantelor. Există și alte mecanisme prin care puteți oferi plantelor proprietățile rezistenței la frig. De exemplu, este posibil să se intensifice artificial sinteza osmoliticelor, de exemplu, glicina-betaină. Această strategie a dat naștere la multe linii transgenice rezistente la stres de roșii, cireșe, orez, bumbac, porumb etc. De fapt, în mod ideal, ar fi frumos ca rezultat transformarea plantelor de o singură genă modificată nu un semn, iar combinația lor, iar planta va deveni nu numai rezistente la frig, dar, de asemenea, la alte condiții nefavorabile de mediu. Acest lucru este foarte important pentru agricultură.
Până de curând, în țara noastră, era imposibil să semeni transgenii pe câmpuri, dar acum, conform căruia se poate face deja ceva în teren. Nu chem pe nimeni să planteze transgene în aer liber. Pe de altă parte - de ce se obțin transgene stabile, dacă nu pot fi folosite atunci? Lucrarea noastră experimentală implică producerea de mutanți și transgene în laborator. Fără mutații și transgeneză este imposibil de a identifica functia de gene individuale sau dezvoltări de reglementare, este imposibil să înțelegem principiile de funcționare a componentelor sistemelor vii, cum ar fi descris mai sus, sistemul de desaturare care vizează adaptarea membranelor biologice la temperaturi în schimbare.
În ceea ce privește practica, punctul este că hrana nu va fi suficientă pentru omenire. Prin urmare, acum este mai bine să ne gândim cum să creștem randamentul, cum să facem soiurile rezistente la condiții nefavorabile. Natura a făcut acest lucru de milioane de ani prin evoluție și selecție. Avem atât de mult timp, din păcate, nu. Prin urmare, trebuie să depunem eforturi pentru a obține cunoștințe fundamentale despre principiile funcționării și reglementării diferitelor sisteme biologice. Aceste cunoștințe vor fi utile, inclusiv pentru obținerea de plante cu proprietăți specifice utilizând metodele de inginerie genetică. În acest caz, desigur, nu uitați de problemele biosecurității.
