XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

По своей природе представители рода Agrobacterium являются почвенными фитопатогенами, вызывающими различные неопластические заболевания у многих видов растений. Однако большинству биологов растений данный род лучше всего известен как агент горизонтального переноса генов, который играет важную роль в фундаментальных научных исследованиях и в сельскохозяйственной биотехнологии. В данном обзоре кратко описан механизм инфицирования растительных клеток, а также приведены примеры успешного использования биологических систем для наработки целевого продукта.

Ключевые слова: Agrobacteriumtumefaciens, Agrobacteriumrhizogenes, биоинженерия, генная инженерия, трансформация растений, растительные метаболиты.

By their nature, representatives of the genus Agrobacterium are soil phytopathogens that cause various neoplastic diseases in many plant species. However, most plant biologists know this genus best as a horizontal gene transfer agent that plays an important role in basic scientific research and agricultural biotechnology. This review briefly describes the mechanism of infection of plant cells, as well as examples of the successful use of biological systems for the biosynthesis of a target product.

Key words: Agrobacterium tumefaciens, Agrobacterium rhizogenes, bioengineering, genetic engineering, plant transformation, plant metabolites.

Вирулентные штаммы Agrobacterium обладают исключительной способностью в местах заражения индуцировать образование «корончатых галлов» (A. tumefaciens) или «косматых корней» (A. rhizogenes), путем переноса определенного сегмента ДНК (Т-ДНК, от англ. transfer) плазмиды (Ti – tumor-induced или Ri – root-induced), в ядро ​​инфицированных клеток, где он затем стабильно интегрируется в геном хозяина и транскрибируется. Т-ДНК содержит два типа генов: онкогены, повышающие синтез фитогормонов (iaaиipt) [1] ответственных за онкогенный или ризогенный рост, а также сенсибилизирующие растение к уровням эндогенных гормонов (rol – root locusи др. гены pRi. gene5 и gene6 pTi) [2] или участвующие в ремоделировании хроматина (gene6b) [3]; и гены, кодирующие синтез опинов [4] - продуктов конденсации амино- и кетокислот или аминокислот и сахаров, источников веществ для самих бактерий. В 1980-х годах ученые научились обезвреживать (удалять онкогены и, как правило, гены опинсинтазы) вирулентных штаммов Agrobacterium, чтобы ткани, инфицированные бактериями, могли регенерироваться в нормальные растения. Дальнейшие исследования показали, что замена генов вирулентности на представляющие интерес гены нередко приводит к экспрессии этих новых трансгенов, что позволяет получать новые фенотипы.

Агробатериально-опосредованная трансформация имеет ряд преимуществ перед физическими методами доставки чужеродной ДНК в клетки (электропорацией, биобаллистикой и пр.), поскольку она является более щадящей для тканей и позволяет регенерировать целые растения из единственной клетки. При этом способе также наблюдается более частое внедрение единичной копии трансгена в отдельно взятые клетки, что исключает косупрессию и, так называемый, сайленсинг трансгена по механизму РНК-интерференции. Но всё же, этот метод трансформации растений имеет свои ограничения. Например, не все растения восприимчивы к инфицированию агробактериями, поскольку в этом процессе участвуют генетические детерминанты как бактерии, так и клетки растения-хозяина. Хотя стоит отметить, что модификации агробактерий для биотехнологических целей привели к расширению диапазона растений-хозяев до экономически важных видов сельскохозяйственных культур.

В царстве растений синтезируется свыше 200 тысяч различных веществ вторичного происхождения [5], которые, в отличии от веществ основного обмена, встречаются не у всех растений и не во всех тканях и органах, а также не существенны для роста и репродукции образующего их организма. Однако эти вторичные метаболиты участвуют в обменных процессах, помогают растению справляться с некоторыми патогенами и абиотическими стрессовыми факторами, придают окраску отдельным частям растения, защищают от поедания животными и т.д., а многие из них нашли широкое применение в качестве фармацевтических препаратов. Например, розмариновая кислота, известная своими противовирусными, антибактериальными, противоаллергическими, антиоксидантными и противовоспалительными эффектами. Она присутствует во многих растениях, но для её выделения целесообразнее использовать invitro культуры (каллусные, суспензионные), или культуру косматых корней, поскольку показано, что в данной системе выход целевого продукта по сравнению с обычными корнями увеличивался более чем в два раза [6]. Стоит упомянуть биотрансформационный потенциал косматых корней, хорошо освященный в обзоре индийских авторов [7], заключающийся в гидроксилировании, гликозилировании, оксидоредукции, метилировании, ацетилировании, этерификации и пр. реакциях с различными экзогенными субстратами под действием ферментов, которые продуцируются в косматых корнях. Культуры invitro могут служить продуцентами первичных метаболитов в виде различных рекомбинантных белков в растениях. Созданные ныне системы успешно исполняют роль продуцентов различных, в том числе, человеческих белков (ацетилхолинэстеразы, эпидермального фактора роста, проинсулина, гормона роста и т.д.), и часто именуются «Зеленой фабрикой» [8].

Помимо растительных систем, сообщается также об успешной агробактериальной трансформации клеток других эу- и прокариотических [9] организмов. Например, представителей царства грибов [10], животных [11], и даже культур человеческих раковых клеток [12], причём по механизму, аналогичному переносу Т-ДНК в растения.

Таким образом, Agrobacterium являются удобным, и в некотором смысле, универсальным инструментом для генетической трансформации различных организмов, а также «фабрикой» по производству целевых продуктов и предшественников лекарственных препаратов.

Список литературы:

Akiyoshi D.E., Klee H., Amasino R.M., Nester E.W., Gordon M.P. T-DNA of Agrobacterium tumefaciens encodes an enzyme of cytokinin biosynthesis. Proc. Natl. Acad. Sci. 1984. Vol. 81. No. 19. P. 5994–5998.

Korber H., Strizhov N., Staiger D., Feldwisch J., Olsson O., Sandberg G., Palme K., Schell J., Koncz C. T-DNA gene 5 of Agrobacterium modulates auxin response by autoregulated synthesis of a growth hormone antagonist in plants. 1991. EMBO J. Vol. 10. No. 13. P. 3983–3991.

Terakura S., Ueno Y., Tagami H., Kitakura S., Machida C., Wabiko H., Aiba H., Otten L., Tsukagoshi H., Nakamura K., Machida Y. An oncoprotein from the plant pathogen Agrobacterium has histone chaperone-like activity. Plant Cell. 2007. Vol. 19. No. 9. P. 2855–2865.

Vladimirov I.A., Matveeva T.V., Lutova, L.A. Opine biosynthesis and catabolism genes of Agrobacterium tumefaciens and Agrobacterium rhizogenes. Russ. J. Genet. 2015. Vol. 51. No. 2. P. 121–129.

Hartmann T. From waste products to ecochemicals: fifty years’ research of plant secondary metabolism. Phytochemistry. 2007. Vol. 68. No. 22-24. P. 2831-2846.

Grzegorczyk I., Królicka A., Wysokińska H. Establishment of Salvia officinalis L. hairy root cultures for the production of rosmarinic acid. Z. Naturforsch C. 2006. Vol. 61. No. 5-6. P. 351-356.

Banerjee S., Singh S., Ur Rahman L. Biotransformation studies using hairy root cultures - A review. Biotechnol. Adv. 2012. Vol. 30. No. 3. P. 461-468.

Xu J., Dolan M.C., Medrano G., Cramer C.L., Weathers P.J. Green factory: plants as bioproduction platforms for recombinant proteins. Biotechnol. Adv. 2012. Vol. 30. No. 5. P. 1171-1184.

Lacroix B., Citovsky V. Beyond Agrobacterium-mediated transformation: horizontal gene transfer from Bacteria to Eukaryotes. In: Gelvin S. (eds) Agrobacterium Biology. Current Topics in Microbiology and Immunology. 2018. Vol. 418. P. 443-462.

de Groot M., Bundock P., Hooykaas P., Beijersbergen A. G. M. Agrobacterium tumefaciens-mediated transformation of filamentous fungi. Nat. Biotechnol. 1998. Vol. 16. P. 839–842.

Bulgakov, V.P., Kiselev, K.V., Yakovlev, K.V., Zhuravlev, Y.N., Gontcharov, A.A. Odintsova, N.A. Agrobacterium‐mediated transformation of sea urchin embryos. Biotechnology Journal. 2006. Vol. 1. P. 454-461. 

Kunik T., Tzfira T., Kapulnik Y., Gafni Y., Dingwall C., Citovsky V. Genetic transformation of HeLa cells by Agrobacterium. National Academy of Sciences. 2001. Vol. 98. No. 4. P. 1871-1876.

Код для цитирования: Скопировать