XVIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2026

Генетическая инженерия – новое направление в деятельности человека, позволяющее целенаправленно, по заранее намеченной программе, экспериментально модифицировать геном с использованием генетической информации из разных гетерологических систем: вирусов, бактерий, насекомых, животных и человека. С помощью генетической инженерии становится возможным изменять структуру генов, создавать новые, в том числе и гибридные, гены. Применение генно-инженерных методов существенно расширило возможности модификации геномов и внутри растительного царства, поскольку позволило переносить гены между таксономически удаленными видами растений, относящимися, например, к классам однодольных и двудольных.

В настоящее время четко прослеживаются три аспекта использования трансгенных растений: 1) изучение фундаментальных проблем функционирования генов у растений; 2) трансгенные растения – биореакторы фармацевтически ценных белков; 3) улучшение качества и хозяйственно ценных признаков важных сельскохозяйственных культур и декоративных растений.

Методические подходы к созданию генетически модифицированных растений.

Генетическая инженерия растений как направление в биологии сформировалась во второй половине XX в. Развитие этого направления тало возможным благодаря способности растительных клеток к регенерации полноценных растений в условиях in vitro или тотипотентности. Следует подчеркнуть, что в культуре in vitro соматические клетки растения проходят все стадии развития, связанные с формированием зиготического зародыша в семени. Именно благодаря тотипотентности технологии рекомбинантныхДНК, успешно применяемые в микробиологии, были использованы и для растительных клеток. Стало очевидным, что внесенные в геном соматических клеток модификации в виде чужеродной ДНК могут быть сохранены и реализованы на уровне целого растения. У растений чужеродная ДНК может быть направлена как в ядерный, так и хлоропластный геномы. Если чужеродная ДНК или трансгены интегрированы в ядерный геном, такие растения будут называться трансгенными, если в хлоропластный геном – транспластомными.

Трансген – чужеродная рекомбинантная ДНК, искусственно введенная в геном клеток растений или зародышевых клеток животных, становящаяся его резидентной частью после восстановления полноценного организма и рекомбинирующая среди потомков, согласно законам Менделя.

Трансгенные растения – генетически модифицированные растения, у которых трансген введен в ядерный геном.

Транспластомные растения – генетически модифицированные растения, у которых трансген введен в хлоропластный геном.

Первый этап модификации растений с применением методов генетической (генной) инженерии включает поиск и выделение (или синтез) генов, используемых для переноса в растительный геном, а также разработку методов их доставки в ядро или хлоропласты растения. Гены, представляющие интерес для исследователей, или целевые гены, могут быть получены химическим путем, а также с помощью ПЦР. Если исследователь располагает данными о первичной структуре самого гена или данными о первичной структуре полипептида, закодированного в этом гене, то этот ген может быть синтезирован химическим путем. Наличие праймеров, комплементарных к краевым районам искомого гена, дает возможность выделить его из библиотеки генома или библиотеки кДНК. Впоследнем случае вновь синтезированный ген будет отличаться от исходного гена отсутствием интронов и регуляторных последовательностей. В растительный геном чужеродные гены могут быть доставлены с помощью векторного (агробактериальная трансформация) или прямого переноса (метод биобаллистики).

Для доставки чужеродных генов в клетки растений применяют векторы, созданные на основе вирусов и плазмид почвенных бактерий. Для двудольных растений используют природный вектор горизонтального переноса генов – плазмиды почвенных бактерий. В генно-инженерных работах наиболее часто используют векторы на основе Ti-плазмиды, которая в естественных условиях вызывает у растений образование опухолей (корончатых галлов) в местах проникновения бактерии.

Необходимо отметить, что Т-ДНК сыграла неоценимую роль в развитии стратегий модификации растений с применением методов генетической инженерии. Именно эту часть ДНК почвенной бактерии можно рассматривать как уникальный элемент, который интегрируется в ядерный геном растения и является природным «генным инженером». В экспериментах по трансформации растений используют «разоруженные» Ti-плазмиды, из которых удалены онкогены, т. е. гены синтеза фитогормонов и опинов. Вместо них в Т-ДНК-область исследователи интегрируют целевые гены, а также доминантные маркерные (селективные и репортерные) гены. Модифицированная таким образом Тi-плазмида теряет свои онкогенные свойства (образование опухолей), но сохраняет способность переносить и интегрировать Т-ДНК в геном растения. Маркерные гены служат для быстрого и эффективного отбора трансформированных клеток и растений-регенерантов, у которых произошла встройка чужеродной ДНК в ядерный или хлоропластный геномы. Большинство селективных генов обеспечивают преимущество роста и дифференциации трансгенных клеток в присутствии агента, токсичного для нетрансгенных клеток. Именно на этом основан отбор трансформированных клеток от клеток, в геном которых встраивание трансгенов не произошло. В отличие от селективных, репортерные гены позволяют выявлять присутствие в ткани трансформированного растения рекомбинантного белка и предварительно судить об уровне экспрессии самого гена. В качестве селективных генов используют гены устойчивости к антибиотикам (канамицин, гигромицин), устойчивости к гербицидам (фосфинотрицин) и т. д., в качестве репортерных – ген зеленого флюоресцирующего белка (gfp) или ген uidA, кодирующий фермент бета-глюкуронидазу.

После того как проведена агробактериальная трансформация, растительные клетки культивируют in vitro на культуральных средах с добавлением селективных агентов. Устойчивые клетки помещают на среды для регенерации трансформантов и после восстановления полноценных растений подтверждают событие интеграции трансгена с помощью молекулярных методов (ПЦР, Саузерн-блот).

Суть этого метода состоит в том, что на поверхность золотых или вольфрамовых частиц наносится ДНК, содержащая маркерные и целевые гены. Спомощью «генной пушки» частицы направляются (выстреливаются) на трансформируемый объект (каллусы или ткани растений). Сила выстрела устанавливается экспериментально так, чтобы частицы смогли пройти через клеточные стенки и доставить чужеродную ДНК в клетки. Об эффективности доставки можно судить по плотности расположения зон интеграции трансгенов – пятен голубого цвета. Голубой цвет пятен обусловлен транзиентной или временной экспрессией репортерного uidA-гена. Данный метод успешно применяется для трансформации внеядерных геномов растений (хлоропластов и митохондрий).

Как при агробактериальной, так и при биобаллистической трансформации в геном растения может быть интегрировано от одной и более копий Т-ДНК. Множественные копии могут быть сцеплены между собой и находиться в одном локусе генома или могут быть представлены отдельными копиями в локусах, расположенных в разных районах генома.

Таким образом, разработка и совершенствование методов генетической инженерии обеспечили исследователей надежным инструментарием, позволяющим целенаправленно воздействовать на растительный геном. Созданы специальные векторы, обеспечивающие экспрессию гетерологичных генов в растительных клетках, а также разработаны системы доставки чужеродной ДНК в геном растений

Литература:

1. Долгих, С. Г. Учебное пособие по генной инженерии в биотехнологии растений : Учебное пособие / С. Г. Долгих. – Алматы : Нур-Принт, 2014. – 141 с.

2. Чередниченко, М. Ю. Перспективы "зеленой" генной инженерии в современной селекции растений / М. Ю. Чередниченко, А. Н. Березкин, Н. Н. Новиков // Естественные и технические науки. – 2021. – № 10(161). – С. 85-88.

3. Генная и клеточная инженерия - путь для познания молекулярно-генетических механизмов развития растений и практического их использования / Л. А. Лутова, И. Е. Додуева, В. Е. Творогова [и др.] // Генетика вчера и сегодня : (К 100-летию кафедры генетики и биотехнологии Санкт-Петербургского университета). – Санкт-Петербург : ООО "Эко-Вектор Ай-Пи", 2019. – С. 100-141. –

4. Биотехнология и генная инженерия растений / Р. А. Карначук [и др.] ; Федеральное агентство по образованию, Томский гос. ун-т. – Томск : СКК-Пресс, 2006.

5. Лутова, Л. А. Генная и клеточная инженерия в биотехнологии высших растений / Л. А. Лутова, Т. В. Матвеева. – Санкт-Петербург : ООО "Эко-Вектор", 2016. – 168 с.

6. Русина, А. Ю. Генная инженерия. Получение трансгенных растений и животных / А. Ю. Русина // Научное сообщество студентов XXI столетия. Технические науки : Электронный сборник статей по материалам CXLIX студенческой международной научно-практической конференции, Новосибирск, 12 мая 2025 года. – Новосибирск: Общество с ограниченной ответственностью "Сибирская академическая книга", 2025. – С. 16-21.

7. Филатова, О. В. Использование генной инженерии с целью улучшения биологических свойств некоторых растений / О. В. Филатова, О. И. Скроцкая // Современные проблемы биомедицинской инженерии : Сборник материалов Всероссийской молодежной научной конференции, Саратов, 06–08 апреля 2015 года. – Саратов: ПРОНДО, 2015. – С. 407-411.