XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Введение

Рис (Oryza sativa ) является одним из трех самых востребованных злаков, ежегодно выращиваемых во всём мире в количестве около полутора тонн. В отличие от других основных злаков, более 90% риса используется в пищевой промышленности [1]. Поэтому не удивительно, что почти 40% население мира потребляет рис как основной продукт питания. Учитывая прогнозируемый рост численности населения мира, вполне вероятно, что потребление риса и, следовательно, спрос на него увеличатся в течение следующих нескольких десятилетий. Это приведёт к дефициту земли пригодной для выращивания этого злака, так как потребуется больше урожая для удовлетворения ожидаемого более высокого спроса. Применение молекулярных методов для улучшения культуры риса поможет достичь качественного и количественного улучшения урожая, что впоследствии помогло бы решить проблему нехватки полей для выращивания риса, а также ускорить процесс его созревания [1].

Эффективная трансформация и регенерация культуры риса имеют решающее значение для развития новых рисовых линий с помощью биотехнологических подходов. Трансформация риса осуществлялась путем бомбардировки микрочастицами [1; 4], электропорации протопластов и трансформации, опосредованной Agrobacterium. Были разработаны улучшенные методы трансформации риса, и сообщалось о паттернах экспрессии и наследовании нескольких трансгенов в рисе [1; 5]. Преобразование риса является достаточно продвинутым, чтобы его можно было регулярно использовать в качестве инструмента исследования геномики риса.

Помимо того, что рис является важной зерновой культурой для потребления человеком, также становится ясно, что он может играть важную роль в качестве модели для геномики зерновых культур. Рис имеет размер генома, значительно меньший, чем у других основных злаков. Размер генома риса оценивается в 420-450 миллионов пар оснований. Кукуруза, ячмень и пшеница имеют значительно более крупные геномы (3000, 5000 и 16000 миллионов пар оснований соответственно) [1]. Меньший размер генома риса приводит к более высокой плотности генов по сравнению с другими злаками. То есть, если предположить, что в геноме находится в общей сложности 30 000 генов в каждом из геномов злаков, то рис будет иметь в среднем один ген примерно каждые 15 тысяч пар оснований. Кукуруза и пшеница будут иметь один ген примерно каждые 100 и 500 тысяч пар оснований соответственно. Эта более высокая плотность генов в рисе делает его привлекательной мишенью для изучения генов злаков и анализа геномной последовательности.

Хотя гены в рисе присутствуют с более высокой относительной плотностью, чем в других злаках, они расположены в сходном общем порядке. Сравнение физических и генетических карт геномов злаков подтвердило, что существует значительная схожесть порядка генов среди различных изученных геномов злаков [1; 2]. По этой причине было предложено и рассмотрено использование риса в качестве модели для анализа генома злаков [1; 3].

В дополнение к общему сохранению порядка генов среди злаков, исследования ряда отдельных генов демонстрируют, что существует также значительная гомология генетического материала среди различных семейств злаков. Такое сохранение последовательности генов (и белков) позволяет предположить, что исследования функций генов или белков из одного злака могут привести к выяснению функций ортологичных генов / белков в других злаках [1]. Некодирующие регуляторные области генома могут также сохранять сходную функцию у различных злаков. Например, сильные конститутивные или тканеспецифичные промоторы из одного злака, скорее всего, сохранят функцию при введении в геном другого вида [1].

Прогресс в преобразовании риса

Oryza sativa - диплоидное (2n = 24) однолетнее (потенциально многолетнее) растение, способное самоопыляться. В последнее время это растение стали всё чаще использовать в качестве модельного объекта для молекулярно-биологических исследований [1, 6, 7]. Это произошло из-за следующих особенностей этого растения:

Геном растения был полностью секвенирован. На данный момент исследователям доступна большая база данных с экспрессированными последовательностями, что позволяет быстро идентифицировать интересующие гены [6, 7].

Доступность инструментов для функциональной геномики. Существуют популяции риса, меченные транспозоном, также существует технология микрочипов для изучения профилей экспрессии мРНК [6, 7].

Процесс внесения в геном этого растения изменений значительно легче по сравнению с другими крупными зерновыми культурами. Эффективное использование Agrobacterium сделало возможным рутинное использование трансгенного риса для различных исследовательских целей [6, 7].

Одним из результатов использования О. sativaкак модельного объекта является появление нового сорта риса, так называемого «золотого риса». Под этим названием понимают генетически модифицированный сорт О. sativa, в зёрнах которого содержится большое количество бета-каротина. Зёрна такого риса имеют золотисто-жёлтый цвет. Это первая сельскохозяйственная культура, целенаправленно генетически модифицированная для улучшения пищевой ценности [8]. Предполагается, что «золотой рис» при массовом выращивании может значительно улучшить качество питания во многих странах третьего мира, где сейчас наблюдается дефицит витамина A.

К сожалению, наряду с техническими и законодательными трудностями, внедрение «золотого риса» сталкивается и с открытым противодействием. Так, несогласие активистов привело к тому, что в августе 2013 года было разорено одно из экспериментальных полей [9]. К тому же, несмотря на то, в 2016 году более сотни лауреатов Нобелевской премии призвали Greenpeace прекратить кампанию против генетически модифицированных организмов вообще и золотого риса в частности, Greenpeace  всё ещё выступает против «золотого риса».

Заключение

Таким образом, О. sativaможно назвать удачным модельным объектом в биологии и генетике. Его преимущества позволяют проводить генетические исследования с большим удобством, чем с использованием других злаков. К тому же пример «золотого риса» показывает, что генные модификации О. sativa имеют больший потенциал, чем просто увеличение урожая. С помощью подобных новых сортов человечество сможет побороть многие существующие на данный момент проблемы, а именно проблемы голода, нищеты и перенаселения.

Списоклитературы

1.Goff SA. 1999. Rice as a model for cereal genomics.Curr.Opin.PlantBiol.2:86–89

2,Ahn S. et al. Homoeologous relationships of rice, wheat and maize chromosomes //Molecular and General Genetics MGG. – 1993. – Т. 241. – №. 5-6. – С. 483-490.

3. Havukkala I. J. Cereal genome analysis using rice as a model //Current opinion in genetics & development. – 1996. – Т. 6. – №. 6. – С. 711-714.

4. Christou P., Ford T. L., Kofron M. Production of transgenic rice (Oryza sativa L.) plants from agronomically important indica and japonica varieties via electric discharge particle acceleration of exogenous DNA into immature zygotic embryos //Bio/technology. – 1991. – Т. 9. – №. 10. – С. 957.

5. Chen L. et al. Expression and inheritance of multiple transgenes in rice plants //Nature biotechnology. – 1998. – Т. 16. – №. 11. – С. 1060.

6. Shimamoto K., Kyozuka J. Rice as a model for comparative genomics of plants //Annual Review of Plant Biology. – 2002. – Т. 53. – №. 1. – С. 399-419.

7. Izawa T., Shimamoto K. Becoming a model plant: the importance of rice to plant science //Trends in Plant Science. – 1996. – Т. 1. – №. 3. – С. 95-99.

8. Ye X. et al. Engineering the provitamin A (β-carotene) biosynthetic pathway into (carotenoid-free) rice endosperm //Science. – 2000. – Т. 287. – №. 5451. – С. 303-305.

9. Lynas M. The true story about who destroyed a genetically modified rice crop //Future Tense: ASU| New America| Slate. – 2013.