Транспластомное растение

Транспластомное растение — это генетически модифицированное растение , в котором гены инактивированы, модифицированы или новые чужеродные гены встраиваются в ДНК пластид , таких как хлоропласт, вместо ядерной ДНК.
В настоящее время большинство транспластомных растений являются результатом манипуляций с хлоропластами из-за плохой экспрессии в других пластидах . [ 1 ] этот метод был успешно применен к хромопластам томатов Однако . [ 2 ]
Считается, что хлоропласты в растениях возникли в результате поглощения фотосинтезирующих бактерий ( предков цианобактерий ) эукариотами. [ 3 ] Манипулирование ДНК хлоропластов имеет множество преимуществ из-за его бактериального происхождения. Например, возможность вводить несколько генов (оперонов) за один этап вместо многих шагов и одновременную экспрессию многих генов с помощью бактериальной системы экспрессии генов. [ 4 ] Другие преимущества включают возможность получать органические продукты, такие как белки, в высокой концентрации, а также тот факт, что на производство этих продуктов не влияет эпигенетическая регуляция . [ 5 ]
Причина синтеза продуктов в высоких концентрациях заключается в том, что одна растительная клетка потенциально может нести до 100 хлоропластов. Если все эти пластиды трансформированы, все они смогут экспрессировать введенные чужеродные гены. [ 1 ] Это может быть преимуществом по сравнению с трансформацией ядра, поскольку ядро обычно содержит только одну или две копии гена . [ 1 ]
Преимущества, обеспечиваемые манипулированием ДНК хлоропластов, вызвали растущий интерес к этой области исследований и разработок, особенно в сельскохозяйственных и фармацевтических приложениях. [ 5 ] Однако существуют некоторые ограничения в манипуляциях с ДНК хлоропластов, такие как невозможность манипулировать материалом ДНК зерновых культур и плохая экспрессия чужеродной ДНК в незеленых пластидах, как упоминалось ранее. [ 5 ] Кроме того, отсутствие посттрансляционной модификации возможности , такой как гликозилирование в пластидах, может затруднить экспрессию некоторых белков, родственных человеку. [ 6 ] Тем не менее, значительный прогресс был достигнут в транспластомике растений, например, в производстве съедобных вакцин от столбняка с использованием транспластомного растения табака . [ 7 ]
Процедура трансформации и выбора
[ редактировать ]Генная конструкция
[ редактировать ]
Первым требованием для создания транспластомных растений является наличие подходящей генной конструкции , которую можно ввести в пластиду, такую как хлоропласт, в форме вектора E. coli плазмидного . [ 8 ] Существует несколько ключевых особенностей подходящей генной кассеты, включая, помимо прочего, ( 1 ) селектируемый маркер ( 2 ) фланкирующие последовательности ( 3 ) представляющий интерес ген ( 4 ) последовательности промотора ( 5 ) 5'-UTR ( 6 ) 3'-UTR ( 7) ) интерцистронные элементы . [ 9 ] Выбираемым маркером обычно является ген устойчивости к антибиотикам, который придает растительной клетке способность переносить выращивание на чашках с агаром, содержащим антибиотик. [ 5 ] Фланкирующие последовательности имеют решающее значение для введения генной конструкции в точные заранее определенные точки пластидного генома посредством гомологичной рекомбинации . [ 4 ] Представленный ген, представляющий интерес, имеет множество различных применений и может варьироваться от генов устойчивости к вредителям до производства вакцинных антигенов. [ 4 ] Интерцистронные элементы (IEE) важны для обеспечения высокого уровня экспрессии генов, если несколько генов вводятся в форме оперона . [ 4 ] Наконец, 5'-UTR и 3'-UTR усиливают связывание рибосом и повышают стабильность транскрипта соответственно. [ 4 ]
Трансформация и отбор
[ редактировать ]Наиболее распространенным методом пластидной трансформации является биолистика : небольшие частицы золота или вольфрама покрывают плазмидным вектором и впрыскивают в молодые растительные клетки или растительные эмбрионы, проникая в несколько клеточных слоев и в пластиду. [ 8 ] Затем произойдет гомологичная рекомбинация между введенным плазмидным вектором и геномом пластиды , что, как можно надеяться, приведет к стабильной вставке генной кассеты в пластиду. [ 8 ] Хотя эффективность трансформации ниже, чем при агробактериальной трансформации, которая также распространена в генной инженерии растений, бомбардировка частицами особенно подходит для трансформации хлоропластов. Другие методы трансформации включают использование трансформации, опосредованной полиэтиленгликолем (ПЭГ), которая включает удаление стенки растительной клетки , чтобы подвергнуть «голую» растительную клетку воздействию чужеродного генетического материала для трансформации в присутствии ПЭГ. [ 8 ] Однако трансформация, опосредованная ПЭГ, как известно, требует много времени, очень технически и трудоемка, поскольку требует удаления клеточной стенки, которая является ключевым защитным структурным компонентом растительной клетки. [ 10 ] Интересно, что в статье, опубликованной в 2018 году, описана успешная пластидная трансформация хлоропластов видов микроводорослей N. Oceanica и C. Reinhardtii посредством электропорации . [ 10 ] Хотя еще не было предпринято никаких попыток изучения пластидной трансформации высших растений с помощью электропорации, это может стать интересной областью исследований в будущем.
Чтобы персистировать и стабильно сохраняться в клетке, молекула плазмидной ДНК должна содержать точку начала репликации , позволяющую ей реплицироваться в клетке независимо от хромосомы . Когда чужеродная ДНК впервые попадает в ткань растения, не все хлоропласты успешно интегрируют введенный генетический материал. [ 5 ] Внутри растительных клеток будет смесь нормальных и трансформированных хлоропластов. Эта смесь нормальных и трансформированных хлоропластов определяется как « гетероплазматическая » популяция хлоропластов. [ 5 ] Стабильная экспрессия введенного гена требует « гомоплазматической » популяции трансформированных хлоропластов в растительных клетках, где все хлоропласты растительной клетки успешно интегрировали чужеродный генетический материал. [ 5 ] Как правило, гомоплазматичность может быть достигнута и идентифицирована посредством нескольких раундов отбора антибиотиков. [ 5 ] Здесь трансформированную растительную ткань повторно выращивают на чашках с агаром, содержащим антибиотики, такие как спектиномицин. [ 5 ] Только растительные клетки, которые успешно интегрировали генную кассету, как показано выше, смогут экспрессировать селективный маркер устойчивости к антибиотикам и, следовательно, нормально расти на чашках с агаром, содержащими антибиотики. [ 5 ] Растительная ткань , которая не растет нормально, будет иметь обесцвеченный вид, поскольку антибиотик спектиномицин ингибирует рибосомы в пластидах растительной клетки, тем самым предотвращая сохранение хлоропластов. [ 5 ] Однако, поскольку гетероплазматическая популяция хлоропластов все еще может эффективно расти на чашках с агаром, для культивирования гомоплазматической и стабильной растительной ткани требуется множество раундов отбора антибиотиков и повторного роста. [ 5 ] Генерация гомоплазматической растительной ткани считается серьезной трудностью в транспластомике и требует невероятно много времени. [ 8 ]

Прививка
[ редактировать ]Некоторые виды растений, такие как Nicotiana tabacum, более восприимчивы к транспластомике по сравнению с представителями того же рода, такими как Nicotiana glauca и Nicotiana benthamiana . [ 11 ] Эксперимент, проведенный в 2012 году, выявил возможность облегчения транспластомики сложных видов растений с помощью прививки . Прививка происходит, когда два разных растения соединяются вместе и продолжают расти. Этот метод широко используется в сельском хозяйстве и может даже происходить в природе в дикой природе. [ 12 ] Транспластомное растение N. tabacum было создано таким образом, чтобы оно обладало устойчивостью к спектиномицину и флуоресценцией GFP . [ 11 ] В то время как ядерные трансгенные растения N. benthamiana и N. glauca были сконструированы так, чтобы они обладали устойчивостью к канамициновому антибиотику и флуоресценцией YFP . [ 11 ] Транспластомное растение и ядерно-трансгенные растения затем привили друг другу и затем проанализировали привитые ткани. [ 11 ] Флуоресцентная микроскопия и выбор антибиотиков на чашках с агаром, содержащим как канамицин, так и спектиномицин, показали, что привитая растительная ткань содержала как транспластомический, так и ядерный трансгенный ДНК-материал. [ 11 ] Это было дополнительно подтверждено с помощью ПЦР- анализа. [ 11 ] Это исследование показало, что пластиды, такие как хлоропласты, способны проходить между клетками через места соединения трансплантатов и приводить к переносу генетического материала между двумя разными линиями растительных клеток. [ 11 ] Это открытие важно, поскольку оно обеспечивает альтернативный путь создания транспластомных растений для видов, которые не так легко трансформируются с использованием нашей современной экспериментальной методологии, как показано выше. [ 11 ]
Оптимизация экспрессии трансгена
[ редактировать ]Индуцируемые системы экспрессии, такие как теорибопереключатели и белки с пентатрикопептидными повторами, широко изучались в попытках контролировать и модулировать экспрессию трансгенных продуктов в транспластомных растениях. [ 13 ] Одним из больших преимуществ использования индуцибельных систем экспрессии является оптимизация концентрации продукции трансгенного белка. [ 13 ] Например, молодым растениям необходимо направлять энергию и ресурсы на рост и развитие, чтобы стать зрелыми растениями. [ 13 ] Таким образом, конститутивная экспрессия трансгена будет вредной для роста и развития растений, поскольку вместо этого отнимает ценную энергию и ресурсы для экспрессии чужеродной генной конструкции. [ 13 ] Это приведет к плохо развитому транспластомному растению с низким выходом продукта. [ 13 ] Индуцируемая экспрессия трансгена преодолеет это ограничение и позволит растению полностью созреть, как обычному растению дикого типа , прежде чем оно будет химически индуцировано, чтобы начать выработку трансгена, который затем можно будет собрать. [ 13 ]
Биологическое сдерживание и сельскохозяйственное сосуществование
[ редактировать ]
Генетически модифицированные растения должны быть безопасными для окружающей среды и пригодными для сосуществования с традиционными и органическими культурами . для традиционных ядерно-генетически модифицированных культур является потенциальное скрещивание трансгена Серьезным препятствием посредством перемещения пыльцы. Первоначально считалось, что пластидная трансформация, в результате которой образуются транспластомные растения, пыльца которых не содержит трансгена, не только повышает биобезопасность, но и облегчает сосуществование генетически модифицированного, традиционного и органического сельского хозяйства. Поэтому выращивание таких культур было основной целью таких исследовательских проектов, как «Ко-Экстра» и «Трансконтейнер».
Однако исследование, проведенное на табачном растении в 2007 году, опровергло эту теорию. Под руководством Ральфа Бока из Института молекулярной физиологии растений Макса Планка в Германии исследователи изучили генетически модифицированный табак, в котором трансген был интегрирован в хлоропласты. [ 14 ] Транспластомное растение табака, полученное посредством трансформации, опосредованной хлоропластами, было селекционно с растениями с мужской стерильностью и нетронутым хлоропластом. [ 14 ] Транспластомные растения были созданы с учетом устойчивости к антибиотику спектиномицину и производили молекулу зеленого флуоресцентного белка (GFP). [ 14 ] Таким образом, была выдвинута гипотеза, что любое потомство, полученное от этих двух линий табачного растения, не должно быть способным расти на спектиномицине или быть флуоресцентным, поскольку генетический материал в хлоропластах не должен передаваться через пыльцу. [ 14 ] Однако было обнаружено, что некоторые семена были устойчивы к антибиотику и могли прорастать на чашках со спектиномициновым агаром. [ 14 ] Расчеты показали, что 1 из каждого миллиона пыльцевых зерен содержит пластидный генетический материал, что было бы важно в условиях сельскохозяйственной фермы. [ 14 ] Поскольку табак имеет сильную тенденцию к самоопылению, предполагается, что надежность транспластомных растений в полевых условиях еще выше. Таким образом, исследователи полагают, что только одно из 100 000 000 ГМ-растений табака действительно может передавать трансген через пыльцу. Такие ценности более чем достаточны для обеспечения сосуществования. Однако для ГМ-культур, используемых в производстве фармацевтических препаратов, или в других случаях, когда ауткроссирование абсолютно запрещено, исследователи рекомендуют сочетание трансформации хлоропластов с другими методами биологического сдерживания , такими как цитоплазматическая мужская стерильность или стратегии смягчения воздействия трансгенов. Это исследование показало, что, хотя транспластомные растения не имеют абсолютного сдерживания генов, уровень сдерживания чрезвычайно высок и позволяет сосуществовать обычным и генетически модифицированным сельскохозяйственным культурам. [ 14 ]
Общественность обеспокоена возможной передачей генов устойчивости к антибиотикам нежелательным мишеням, включая бактерии и сорняки. [ 15 ] В результате были разработаны технологии удаления селектируемого маркера гена устойчивости к антибиотикам. Одной из таких реализованных технологий является система Cre/lox , в которой кодируемая ядром рекомбиназа Cre может быть помещена под контроль индуцируемого промотора для удаления гена устойчивости к антибиотику, как только в процессе трансформации будет достигнута гомоплазмичность. [ 16 ]

Примеры и будущее
[ редактировать ]Недавним примером применения транспластомики в сельском хозяйстве было обеспечение защиты растений картофеля от колорадского жука . [ 17 ] Во всем мире этого жука называют «супервредителем», поскольку он приобрел устойчивость ко многим инсектицидам и чрезвычайно прожорлив. [ 17 ] По оценкам, только в Мичигане этот жук ежегодно наносит ущерб урожаю на сумму до 1,4 миллиона долларов США. [ 18 ] В исследовании, проведенном Чжаном в 2015 году, транспластомика использовалась для введения двухцепочечной РНК, продуцирующей трансгены, в пластидный геном. [ 17 ] Двухцепочечная РНК обеспечивает защиту трансгенного растения картофеля с помощью методологии РНК-интерференции , при которой потребление растительной ткани картофельным жуком приведет к подавлению ключевых генов, необходимых жуку для выживания. [ 17 ] Был обеспечен высокий уровень защиты: листья транспластомного растения картофеля в основном не потреблялись при воздействии взрослых жуков и личинок. [ 17 ] Исследование также выявило 83% эффективность уничтожения личинок , поедавших листья транспластомного растения. [ 17 ] В этом исследовании подчеркивается, что по мере того, как вредители приобретают устойчивость к традиционным химическим инсектицидам, использование транспластомики для реализации стратегий защиты растений, опосредованных RNAI, может стать все более жизнеспособным в будущем. [ 17 ]
Еще одним известным подходом, основанным на транспластомике, является производство артемизиновой кислоты с помощью транспластомных растений табака, которая является молекулой-предшественником, которая может быть использована для производства артемизинина . [ 19 ] Комбинированная терапия на основе артемизинина является предпочтительным и рекомендованным ВОЗ ( Всемирной организацией здравоохранения) методом лечения малярии . [ 19 ] Артемизинин естественным образом получают из растения Artemisia annua , однако естественным путем можно получить только низкие концентрации артемизинина в растении, и в настоящее время его предложение недостаточно для удовлетворения мирового спроса. [ 19 ] в 2016 году под руководством Фуэнтеса, удалось внедрить путь производства артемизининовой кислоты в хлоропласты N. tabacum с помощью биолистического прежде чем использовать их новый инструмент синтетической биологии COSTREL ( комбинаторная исследовании , сверхтрансформация транспластомных линий проведенном реципиентных подхода , В ) для получить транспластомное растение N. tabacum , которое имело очень высокий выход артемизиновой кислоты. [ 20 ] Это исследование иллюстрирует потенциальные преимущества транспластомики для биофармацевтических применений в будущем.
Несмотря на то, что транспластомика в настоящее время нежизнеспособна для незеленых пластид, работа по транспластомике растений, проделанная над геномом хлоропластов, оказалась чрезвычайно ценной. [ 4 ] Применение трансформации хлоропластов включает, помимо прочего, сельское хозяйство, биотопливо и биофармацевтику. [ 4 ] Это связано с несколькими факторами, в том числе с легкостью экспрессии множественных трансгенов в форме оперонов и экспрессией с высоким числом копий. [ 4 ] Изучение транспластомики все еще находится в стадии разработки. По-прежнему необходимы дополнительные исследования и разработки для улучшения других областей, таких как транспластомика незеленых пластид, невозможность трансформировать зерновые культуры с помощью транспластомики и способ обойти отсутствие способности гликозилирования в хлоропластах. [ 4 ] Дальнейшие улучшения в этой области исследований только дадут нам потенциально надежный биотехнологический путь во многих приложениях, важных в нашей повседневной жизни.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Ригано М.М., Скотти Н., Карди Т. (24 ноября 2012 г.). «Нерешенные проблемы пластидной трансформации» . Биоинженерия . 3 (6): 329–33. дои : 10.4161/bioe.21452 . ПМЦ 3489708 . ПМИД 22892591 .
- ^ Руф, С.; Герман, М.; Бергер, И.; Каррер, Х.; Бок, Р. (2001). «Стабильная генетическая трансформация пластид томата и экспрессия чужеродного белка в плодах». Природная биотехнология . 19 (9): 870–875. дои : 10.1038/nbt0901-870 . ПМИД 11533648 . S2CID 39724384 .
- ^ Рэйвен Дж.А., Аллен Дж.Ф. (2003). «Геномика и эволюция хлоропластов: что цианобактерии сделали для растений?» . Геномная биология . 4 (3): 209. doi : 10.1186/gb-2003-4-3-209 . ПМК 153454 . ПМИД 12620099 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я Адем М., Бейене Д., Фейисса Т. (01.04.2017). «Последние достижения, полученные путем трансформации хлоропластов» . Растительные методы . 13 (1): 30. дои : 10.1186/s13007-017-0179-1 . ПМЦ 5395794 . ПМИД 28428810 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л Ахмад Н., Мишо Ф., Лёссль А.Г., Никсон П.Дж. (ноябрь 2016 г.). «Проблемы и перспективы коммерциализации технологии трансформации пластид» . Журнал экспериментальной ботаники . 67 (21): 5945–5960. дои : 10.1093/jxb/erw360 . hdl : 10044/1/41455 . ПМИД 27697788 .
- ^ Фэй, Л.; Дэниел, Х. (19 января 2006 г.). «Новые пути импорта гликопротеинов в хлоропласты» . Журнал биотехнологии растений . 4 (3): 275–279. дои : 10.1111/j.1467-7652.2006.00188.x . ISSN 1467-7644 . ПМИД 17147633 .
- ^ Трегонинг Дж., Малига П., Дуган Дж., Никсон П.Дж. (апрель 2004 г.). «Новые достижения в производстве съедобных растительных вакцин: экспрессия хлоропластами антигена вакцины против столбняка, TetC». Фитохимия . 65 (8): 989–94. Бибкод : 2004PChem..65..989T . doi : 10.1016/j.phytochem.2004.03.004 . ПМИД 15110679 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Вани, Шабир Х.; Хайдер, Надя; Сингх, Хитеш Кумар и НБ (31 октября 2010 г.). «Завод пластидной инженерии» . Современная геномика . 11 (7): 500–512. дои : 10.2174/138920210793175912 . ПМК 3048312 . ПМИД 21532834 .
- ^ Верма Д., Дэниел Х. (декабрь 2007 г.). «Векторные системы хлоропластов для биотехнологических приложений» . Физиология растений . 145 (4): 1129–43. дои : 10.1104/стр.107.106690 . ПМК 2151729 . ПМИД 18056863 .
- ^ Перейти обратно: а б Ган, Циньхуа; Цзян, Цзяоюнь; Хан, Сяо; Ван, Шифан; Лу, Янду (2018). «Инженерия хлоропластного генома маслянистой морской микроводоросли Nannochromopsis Oceanica» . Границы в науке о растениях . 9 : 439. дои : 10.3389/fpls.2018.00439 . ISSN 1664-462X . ПМК 5904192 . ПМИД 29696028 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час Стегеманн, Сандра; Кейт, Мэнди; Грейнер, Стефан; Бок, Ральф (14 февраля 2012 г.). «Горизонтальный перенос геномов хлоропластов между видами растений» . Труды Национальной академии наук . 109 (7): 2434–2438. Бибкод : 2012PNAS..109.2434S . дои : 10.1073/pnas.1114076109 . ISSN 0027-8424 . ПМК 3289295 . ПМИД 22308367 .
- ^ Гольдшмидт, Элиезер Э. (17 декабря 2014 г.). «Прививка растений: новые механизмы, эволюционные последствия» . Границы в науке о растениях . 5 : 727. doi : 10.3389/fpls.2014.00727 . ISSN 1664-462X . ПМК 4269114 . ПМИД 25566298 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Рохас, Маргарет; Ю, Циго; Уильямс-Кэрриер, Розалинда; Малига, Пал; Баркан, Алиса (29 апреля 2019 г.). «Сконструированные белки PPR как индуцируемые переключатели для активации экспрессии трансгенов хлоропластов» . Природные растения . 5 (5): 505–511. дои : 10.1038/ s41477-019-0412-1 ISSN 2055-0278 . ПМИД 31036912 . S2CID 139103684 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Руф С., Керхер Д., Бок Р. (апрель 2007 г.). «Определение уровня сдерживания трансгена, обеспечиваемого трансформацией хлоропластов» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 104 (17): 6998–7002. дои : 10.1073/pnas.0700008104 . ПМК 1849964 . ПМИД 17420459 .
- ^ Пухта Х (1 августа 2003 г.). «Безмаркерные трансгенные растения». Культура растительных клеток, тканей и органов . 74 (2): 123–134. дои : 10.1023/A:1023934807184 . S2CID 5585801 .
- ^ Бала А., Рой А., Дас А., Чакраборти Д., Дас С. (октябрь 2013 г.). «Разработка селектируемых, не содержащих маркеров, устойчивых к насекомым трансгенных растений горчицы (Brassica juncea) с использованием рекомбинации, опосредованной Cre/lox» . БМК Биотехнология . 13 (1): 88. дои : 10.1186/1472-6750-13-88 . ПМЦ 3819271 . ПМИД 24144281 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Чжан, Цзян; Хан, Шер Афзал; Хассе, Клаудия; Руф, Стефани; Хекель, Дэвид Г.; Бок, Ральф (27 февраля 2015 г.). «Полная защита урожая от насекомых-вредителей путем экспрессии длинных двухцепочечных РНК в пластидах». Наука . 347 (6225): 991–994. Бибкод : 2015Sci...347..991Z . дои : 10.1126/science.1261680 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 25722411 . S2CID 206563127 .
- ^ Графиус, Э. (1 октября 1997 г.). «Экономическое влияние устойчивости колорадского картофельного жука (Coleoptera: Chrysomelidae) к инсектицидам на картофельную промышленность Мичигана» . Журнал экономической энтомологии . 90 (5): 1144–1151. дои : 10.1093/джи/90.5.1144 . ISSN 0022-0493 .
- ^ Перейти обратно: а б с Икрам, Нур КБК; Симонсен, Хенрик Т. (15 ноября 2017 г.). «Обзор биотехнологического производства артемизинина растениями» . Границы в науке о растениях . 8 : 1966. doi : 10.3389/fpls.2017.01966 . ISSN 1664-462X . ПМЦ 5694819 . ПМИД 29187859 .
- ^ Фуэнтес, Паулина; Чжоу, Фэй; Эрбан, Александр; Керхер, Дэниел; Копка, Иоахим; Бок, Ральф (14 июня 2016 г.). «Новый подход синтетической биологии позволяет перенести весь метаболический путь от лекарственного растения к культуре биомассы» . электронная жизнь . 5 : е13664. дои : 10.7554/eLife.13664 . ISSN 2050-084X . ПМК 4907697 . ПМИД 27296645 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Co-Extra. Архивировано 6 октября 2016 г. в Wayback Machine. Исследование сосуществования и отслеживания генетически модифицированных растений.
- Трансконтейнер Разработка систем биологической защиты генетически модифицированных растений