Генно-инженерные работы в области биологической фиксации азота

      Комментарии к записи Генно-инженерные работы в области биологической фиксации азота отключены

Существует два способа обеспечения растений азотным питанием de novo: биологический (фиксация молекулярного азота живыми организмами) и химический (внесение азотных удобрений). Второй из них — более дорогостоящий и опасный, так как ухудшает экологическую обстановку. Биологическую фиксацию осуществляют в основном симбиотические микроорганизмы, что ограничивает ее применение в интенсивных сельскохозяйственных технологиях. В настоящее время известны четыре главные системы симбиоза: Rhizobia -бобовые, Azolla-Anabaena — рис, Actinomyces — деревья, Spirillum — травы.

Из всех известных в настоящее время азотфиксаторов лучше всего изучены ризобии, образующие симбиоз с бобовыми растения-

ми. У них гены, вовлеченные в процесс азотфиксации, обозначаются индексами nif и fix. Первые кодируют ферменты и факторы нитроге-пазного комплекса, вторые* — все остальные гены, продукты которых участвуют в азотфиксации. Кроме того, большое значение имеют гены sym: они определяют симбиоз между растением и ризобиями и формирование клубеньков. Установлено существование hsn-генов, которые определяют видовую специфичность взаимодействия ризобий с данным видом бобовых, и enf-генов, повышающих эффективность образования клубеньков. Есть и другие гены, однако они еще мало изучены.

Гены азотфиксации и их регуляция.Область nif-генов состоит из 17 генов, организованных в 8 единиц транскрипции (опероиов). В настоящее время установлены функции отдельных генов этой области.

Два регуляторных гена А и L сгруппированы в одном опероне и кодируют белки, определяющие экспрессию всех других nif-onepo-нов.

Продукт nif А-гена — р-фактор РНК-полимеразы — активатор транскрипции всех других генов, а продукт nif L-гена подавляет транскрипцию всех других генов при наличии в клетках большого количества доступного азота, а также при высокой концентрации кислорода.

Регуляцию активности nif AL-оперона осуществляют гены ntr-сис-темы. Активация AL-оперона идет за счет действия продуктов ntr A-и ntr C-, а репрессия — за счет продуктов ntr В- и ntr С-генов. Центральным ферментом группы nif-генов является нитрогеназпый ферментный комплекс, осуществляющий восстановительную фиксацию азота и состоящий из двух компонентов. Компонент I — тетра-мер, состоящий из двух а- и двух р-субъединиц, которые кодируются nif D- и nif К-генами соответственно. Эти субъединицы ассоциированы с MoFe-кофактором, который способен восстанавливать не только N2, но и другие молекулы с тройными связями (типа ацетилена, цианида). Компонент II состоит из двух идентичных субъединиц, кодируемых nif Н-геном, и осуществляет гидролиз АТФ, обеспечивая энергией процесс азотфиксации. Продукты генов nif F (синтез флаводок-сина) и nif J обеспечивают электронный транспорт от пирувата к флаводоксину, генов nif M и nif S участвуют в активации кофактора компонента II или его модификации, генов nif В, N и Е необходимы для синтеза активной формы компонента I. Продукт nif Q-гена обеспечивает включение Мо в комплекс FeMoCo. Функции остальных генов не установлены, и иногда их причисляют к fix-генам.

Генно-инженерные работы в области биологической фиксации азота.Основная часть генов nif-области является высоко консервативной. При трансгенозе в другие виды бактерий продукты этих генов легко вписываются в метаболизм гетерологического хозяина. Так, в рекомбинантной Е. coli (родственной азотфиксаторам) в анаэробных условиях имелись нормальная экспрессия nif-генов и

успешная азотфиксация. Попытались переносить nif-геиы аэробных азотобактерий в клетки и других почвенных микроорганизмов, однако пока неудачно.

Наряду с траисгеиозом nif-геиов в бактерии разрабатывается геино-иижеиерпый проект по переносу nif-функций в высшие растения, чтобы обеспечить связывание азота непосредственно в растительных тканях, независимо от наличия особых симбиотических организмов.

Симбиотические отношения между ризобиями и их естественными бобовыми партнерами определяются сложной системой sim-геиов, перепое которых клеткам Agrobacterium tumefaciens (способны инфицировать широкий круг двудольных растений) привел к формированию клубеньков, но в последних отсутствовали некоторые структуры, бактероиды, не было азотфиксации. Помимо бактериальных генов в формировании клубеньков, образовании бактероидов и последующей фиксации азота участвует ряд генов растений. Основные растительные белки, участвующие в нормальном течении симбиогепеза, — леггемоглобины, поду липы.

Функции леггемоглобипа:

1) обеспечение низкой концентрации кислорода в клубеньке;

2) поставка в клубеньки связанного кислорода, необходимого для системы окислительного фосфорилирования бактероида.

Функции подулииов:

1) транспорт восстановленного азота из клубеньков в растение;

2) поддержание структурно-функциональной организации клубеньков и обеспечение особого состояния бактероида.

Гены, кодирующие леггемоглобины, можно переносить из одного вида растений в другой. Гены нодулинов не клонированы.

Более частной генно-инженерной задачей, доступной для решения в ближайшем будущем, станут повышение эффективности существующих систем азотфиксации с помощью известных приемов, основанных на увеличении дозы гена, усилении транскрипции тех генов, продукты которых образуют узкое место в каскадном механизме азотфиксации, путем введения более сильных промоторов, а также увеличение КПД самой питрогеназной системы, создание новых симбионтов.

Исходя из этого главными целями генно-инженерных и селекционных работ, проводимых в области биологической фиксации азота, па данный момент являются создание штаммов ризобий с усиленной азот-фиксацией и колонизирующей способностью и селекция растений в расчете на встречное получение культиваров с высокой способностью к симбиогенезу и обеспечению эффективной фиксации азота симбионтом.

Применение традиционных методов селекции и скрещивания в сочетании с приемами клеточной инженерии позволило получить ряд культиваров бобовых растений с заметно увеличенной способ-

иостыо поддерживать азотфиксацию. В настоящее время осуществлена попытка применить культивары, не образующие клубеньков с местными штаммами ризобий, но колонизируемые высокопродуктивными лабораторными вариантами. Перспективны получение новых видов симбиоза между существующими видами азотфиксирующих микроорганизмов или вновь созданными рекомбинаитиыми штаммами, с одной стороны, и растениями — с другой, траисгеиоз генов бобовых, ответственных за симбиогеиез в другие виды растений, например, в злаки. Были предприняты попытки создать более тесные отношения между злаками и слабо ассоциированными с ними видами азоспи-рилл.

Дополнительные материалы:

Things Mr. Welch is No Longer Allowed to do in a RPG #1-2450 Reading Compilation


Похожие статьи: