Что происходит в клетках растений при снижении температуры? В чем преимущества использования цианобактерий в качестве модельных систем? Как повысить холодоустойчивость растений с помощью ненасыщенных жирных кислот? На эти и другие вопросы отвечает доктор биологических наук Дмитрий Лось.

Речь пойдет о биоинженерии, то есть фактически генетической инженерии холодоустойчивости. Но, прежде чем мы перейдем к собственно биоинженерии, мы должны разобраться в том, в чем она заключается.

Нам не повезло с климатом, и в общем в России проблема холодоустойчивости и урожайности растений — это одна из главных проблем, потому что зима шесть месяцев, и, соответственно, растения сильно страдают, и от этого бывает либо есть что кушать, либо нечего кушать.

Все растения подразделяются на три типа по отношению к низким температурам. Во-первых, это морозоустойчивые растения, которые имеют механизмы, предотвращающие образование льда при замерзании, потому что, если в клетке образуется лед, жизнедеятельность ее прекращается, она разрывается и умирает. Второе — это холодоустойчивые растения, то есть клетки переживают в принципе низкие отрицательные температуры, но при образовании льда погибают. И третья категория — это так называемые теплолюбивые растения, например томаты, южные растения, которые в принципе уже не переносят низких положительных температур, то есть температур выше нуля, 8–10 градусов могут быть губительными температурами.

Что происходит в клетке и в целом организме, в целом растении при снижении температуры? Что должно происходить, чтобы оно не погибло? Во-первых, надо предотвратить образование льда. Во-вторых, надо обеспечить процессы транскрипции и трансляции, то есть жизнедеятельности, надо обновлять белки, наращивать биомассу, пусть не с такой скоростью, как при нормальной температуре, но тем не менее процессы обновления должны идти. И надо защитить мембраны, потому что, если повреждены мембраны, все клеточное содержимое, соответственно, вытекает и жизнь прекращается. Мы сосредоточим наше внимание на мембранах.

Рекомендуем по этой теме:
8096
Генная инженерия растений

При снижении температуры повышается вязкость мембран, потому что клетка жила, температура понизилась, физически клетка сжимаемся. Мы сами ежимся, когда температура снижается, и клетки делают то же самое. Но птицы могут улететь, животные могут отрастить мех или надеть шубу, в конце концов они могут перейти туда, где потеплее. А растения ничего этого не могут — где посадили, там они растут. Поэтому, что бы ни случилось в окружающей среде, у них должны быть механизмы противостояния, противодействия неблагоприятным условиям, иначе они помрут, все будет печально.

Что происходит в клетках при снижении температуры? Мембрана клетки состоит из липидной фазы, матрикса, и белков, которые располагаются в этой мембране. Наше внимание будет привлекать в основном липидный матрикс как основа всей мембранной структуры. Что такое липиды? Это фактически химическое соединение, состоящее из глицерина, трехосновного спирта, и присоединенных к нему длинных цепей жирных кислот. Если это мембранные липиды, то, значит, две жирные кислоты и одна заряженная головка. Две жирные кислоты смотрят внутрь мембраны — мембрана двухслойная, — поскольку они гидрофобные, водоотталкивающие, а заряженная головка — наружу, поскольку она гидрофильна, то есть водная фаза. И это, собственно говоря, мембрана. Разница в том, какие жирные кислоты куда присоединены. Если, например, у нас будут на этом глицерине по три жирные кислоты, то это будет уже не мембранный липид, а запасной липид, то, что мы называем жиром или маслом.

Если жирные кислоты в мембранах имеют прямую структуру, они при снижении температуры слипаются, а белки, которые находятся в мембране, теряют свои функции, потому что при такой прессовке они больше не могут работать. Задача растения — не допустить такой ситуации. И для того, чтобы не допустить этой ситуации, существуют биохимические механизмы — как из этих прямых столбиков сделать столбики, которые бы расходились, чтобы эти белки могли функционировать, то есть при низкой температуре сымитировать условия в мембране, как они были при нормальной температуре. И биохимический способ этого превращения осуществляется специальными белками — десатуразами жирных кислот, которые образуют двойные связи в этих прямых цепях.

В принципе прямых цепей, только прямых цепей, в живых клетках не бывает.

Если бы в растениях были просто прямые жирные кислоты, они бы не могли существовать, дышать, поскольку все дыхательные цепи находятся в мембранах.

Существует пропорция полностью насыщенных, то есть прямых, кислот, мононенасыщенных с одной двойной связью и далее — диненасыщенных, триненасыщенных. Так вот десатуразы — это те ферменты, которые эти двойные связи образуют. При снижении температуры они индуцируются и вставляют эти двойные связи в цепи жирных кислот — мембрана разжижается.

Для того чтобы это продемонстрировать экспериментально, мы использовали модельную систему клеток цианобактерий. Чем она хороша? В цианобактериях вы можете мутировать по выбору практически любой ген, если он, конечно, не вызывает смерти клетки. Если ввести мутации в определенные гены десатураз, жирных кислот, то организм не сможет синтезировать эти двойные связи в липидах, и тогда при низких температурах клетки умирают. Но есть другие организмы, например, теплолюбивые, которые растут в горячих источниках и в принципе холода никогда не чувствуют, и у них в норме не образуется таких полиненасыщенных жирных кислот с несколькими двойными связями.

Так вот, можно взять такой модельный организм и взять ген десатуразы, образующий дополнительные двойные связи из другого организма, и ввести туда. Если такие клетки подвергать воздействию низких температур, то контрольные клетки погибают, естественно, а трансформанты выживают. Это говорит о том, что количество ненасыщенных жирных кислот в липидах регулирует, собственно говоря, чувствительность мембраны к низким температурам. Чем больше двойных связей, тем устойчивее к низким температурам.

Поскольку мы показали это на цианобактериях, нам интересно было увидеть, работает эта модельная система на высших растениях или не работает. Мы взяли табак — это было в 2003 году, — трансформировали его дополнительным геном десатуразы из цианобактерий, и фактически табак — это теплолюбивое растение — у нас стал устойчивым к повреждающему действию низких температур.

Многие имеют дачи и сталкивались с проблемой, что весной, когда появляются первые ростки чего-то, ударяют морозы при сильном солнце и урожай практически гибнет. В принципе это явление называется низкотемпературным фотоингибированием, когда сильная интенсивность света, то есть растению уже некуда девать свет, а температура низкая, и фотосинтетический аппарат не справляется с прогонкой электронов из-за того, что мембрана у него вся сплющенная. Если эти мембраны разжижить путем трансформации гена десатуразы, тогда такие растения становятся устойчивыми к низким температурам.

Рекомендуем по этой теме:
5520
FAQ: Растения-биофабрики

Наши эксперименты последних двух лет (это 2011–2013 годы) на картофеле в принципе подтвердили то же самое — дополнительные ненасыщенные жирные кислоты приводят к большей холодоустойчивости. Но существуют и другие механизмы, с помощью которых можно придать растениям свойства холодоустойчивости. В принципе для нас очень важно, чтобы, когда мы меняем какие-то признаки, менялся не один признак, а какая-то совокупность их, для того чтобы растение было устойчиво не только к холоду, но и к каким-то другим неблагоприятным условиям внешней среды. Это очень важно для сельского хозяйства.

У нас в стране до недавнего времени нельзя было на полях высевать трансгены, но, кажется, теперь уже приняты законы, согласно которым можно. Я не призываю никого этого делать, просто мы без этого не можем, поскольку у нас экспериментальная работа направлена на получение трансгенов, и, конечно, мы их все культивируем в лабораторных условиях. Но в принципе дело идет к тому, что еды будет не хватать человечеству, поэтому надо думать о том, чтобы повышать урожайность, делать устойчивые сорта. Природа делала это на протяжении миллионов лет, у нас столько времени, к сожалению, нет. Поэтому мы должны прилагать усилия, чтобы получать такие устойчивые сорта генно-инженерными методами, при этом, конечно, не забывая о проблемах биобезопасности.