Генетическая инженерия коммерческих сортов картофеля тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.23, кандидат биологических наук Стародубцева, Анастасия Михайловна

• Стародубцева, Анастасия Михайловна
• кандидат биологических наук
• 2002

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Стародубцева, Анастасия Михайловна

Список иллюстраций.

Список сокращений.

1. Актуальность проблемы.

2. Цели и задачи работы.

3. Научная новизна.И

4. Обзор литературы.

4.1. Трансформация растений сегодня.

4.2. Регенерация. Культивирование тканей.

4.3. Системы трансформации.

4.3.1. Трансформация протопластов.

4.3.2. Баллистическая трансформация.

4.3.3. Агробактериальная трансформация.

4.3.4. Альтернативные методы.

4.4. Селекция и маркеры.

4.5. Внедрение трансгенов и улучшение экспрессии.

4.6. Перспективы.

4.7. Взаимодействие между растением и агробактерией.

4.7.1. Введение.

4.7.2. Взаимодействие «клетка-клетка». Распознавание на клеточном уровне.

4.7.3. Сигналы трансдукции и активация транскрипции ун--генов.

4.7.4. Элементы Т-ДНК.

4.7.5. Переносимая Т-цепь. Процессинг Т-ДНК.

4.7.6. Структурная модель транспорта Т-ДНК. Т-комплекс.

4.7.7. Межклеточный транспорт.

4.7.8. Ядерный импорт .;.

4.8. Картофель как объект генно-инженерных манипуляций.

4.8.1. Эффективность трансформации и фенотипическая вариабельность трансгенных растений.

4.8.2. Создание картофеля, устойчивого к вредителям и болезням.

4.8.3. Картофель, устойчивый к абиотическим стрессам.

4.8.4. Процессы развития.

4.8.5. Применение молекулярных подходов в сельском хозяйстве.

4.9. Факторы, влияющие на эффективность трансформации.

4.9.1. Бактериальный штамм и генотип растения.

4.9.2. Тип экспланта.

4.9.3. Оптимальные условия со-культивирования.

4.9.4. Селекция.

4.9.5. Регенерация и реакция на стрессовое воздействие.

4.10. Компоненты питательных сред как факторы, влияющие на эффективность трансформации.

4.10.1. Микро- и макроэлементы.

4.10.2. Витамины.

4.10.3. Антибиотики.

4.10.4. Гормоны.

4.10.5. Ауксины.

4.10.6. Цитокинины.

4.10.7. Ауксин-цитокининовое взаимодействие.

4.10.8. Гиббереллины.

4.10.9. Абсцизовая кислота.

4.10.10. Этилен.

4.10.11. Сроки и продолжительность применения

Заключение диссертации по теме «Биотехнология», Стародубцева, Анастасия Михайловна

Выводы — 140 —

5 мг/л. При соблюдении этих параметров достигается эффективность регенерации 96% и трансформации 21%; - показано, что для сорта Чародей трансформационные параметры должны быть следующими: стеблевой сегмент; 1,0 мг/л БАП и 1,0 мг/л зеатина в среде для регенерации, способ со-культивации с использованием бумажного фильтра и жидкой агаризованной питательной среды, начало селекции с 14 дня трансформации, концентрация канамицина 50 мг/л, концентрация фосфинотри-цина 5 мг/л. При соблюдении этих параметров достигается эффективность регенерации 64% и трансформации 20%.

3. На основе разработанных эффективных протоколов трансформации получено 169 трансгенных линии (и.т.с.), экспрессирующие ген Ваг, в том числе 48 линий сорта Луговской, 75 линий сорта Невский и 46 линий сорта Голубизна.

4. В результате проведения двухлетних полевых испытаний отобраны 4 трансгенных линии (и.т.с.) сорта Луговской, 4 трансгенных линии (и.т.с.) сорта Невский и 4 трансгенных линии (и.т.с.) сорта Голубизна, устойчивых к гербициду фосфинотрицину. Показано, что отобранные трансгенные линии (и.т.с.) сохраняют введенный признак при вегетативном размножении и не отличаются по морфологическим признакам от контрольных нетрансформированных растений исходного сорта. Выщепления признака не обнаружено, все испытываемые трансгенные линии (и.т.с.) проявили устойчивость к действию гербицида. Проведен ПЦР анализ растений на присутствие и структурную целостность трансгенной вставки, соответствующей гену Ваг.

5. На основе разработанных эффективных протоколов трансформации получено 118 трансгенных линии (и.т.с.), экспрессирующие ген Tau II, в том числе 35 линий сорта Луговской, 55 линий сорта Чародей и 28 линий сорта Голубизна.

6. В результате проведения двухлетних полевых испытаний отобраны 8 трансгенных линий (и.т.с.) сорта Голубизна, 17 трансгенных линий (и.т.с.) сорта Луговской и 3 трансгенных линии (и.т.с.) сорта Чародей, экспрессирующие ген белка тауматин II. Отобранные линии жизнеспо

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Стародубцева, Анастасия Михайловна, 2002 год

1. Список ЛИТЕРАТУРЫ

2. An G., Watson B.D., Chiang C.C. Transformation of tobacco, tomato, potato and Arabidopsis thaliana using a binary Ti vector system//Plant Physiology. 1986. v. 81. p. 301-305

3. Bechtold N., Ellis J., Pelletier G. In planta Agrobacterium-mediated gene transfer by infiltration of adult Arabidopsis thaliana plants// Life Science. 1993.v. 316.p. 1194-1199

4. Belknap W.R., Corsini D., Pavek J.J., Snyder G.W., Rockhold D.R., Vayda M.E. Field performance of transgenic Russet Burbank and Lemhi Russet potatos// American Potato Journal. 1994 .71. p. 117-124

5. Braun A.C. A physiological basic for autonomous growth of the crown-gall tumor cell //Proceeding of the National Academy of Science USA. 1958 v.44. p. 344-349

6. Chakraborty S., Chakraborty N.f Datta A. Increased nutritive value of transgenic potato by expressing a nonallergenic seed albumin gene from Amaranthus hypochondriacus //PNAS Early Edition. 2000 p. 1-6

7. Citovsky V., Zupan J., Warnick D., Zambryski P. Nuclear localization of Agrobacterium VirE2 protein in plant cells //Science. 1992. v. 256. p. 1803-1805

8. Clough S.J., Bent A. Floral dips: a simplified method for Agrobacterium-mediated transformation of Arabidopsis thaliana//~Pla.nt Journal. 1998. v. 16.p. 735-743

9. CricmoreN., Ziegler D., Feitelson J., Schnept E., Van Rie J., Lereclue R., Baum J., Dean D. Revision of the nomenclature for the Bacillus thuringiensis pesticidal crystal proteins //Molec. Biol.Rev. 1998 v.62 p.807-813

10. Dale J.P., Hampson K.K. An assessment of morphogenic and transformation efficiency in a range of varieties of potato (Solanum tuberosum L.)//Euphytica. 1995. v.85.p.101-108

11. Davies H.V. Recent developments in our knowledge of potato transgenic biology //Potato research. 1996 v.39. p. 411-427

12. Davies P.J. Plant propagation by tissue culture/«Plant Hormones, Physiology, Biochemistry and Molecular Biology». Kluwer Academic Publishers. Dordrecht. Boston. London. 1995

13. De Block M. Genotype-independent leaf disk transformation of potato Solanum tuberosum using Agrobacterium tumefaciens //Theor. Appl. Genetic. 1988 v.76. p.767-774

14. Destefano-Beltran L., Nagpala P.G., Cetiner M.S., Dodds J.H., Janes J.M.

15. Enhancing bacterial and fungal disease resistance in plants: application to potato //Biotechnology in Plant Disease Control. 1993 p. 175-189

16. D'Hallium K. Transformation of sugar beet (Beta vulgaris L.) and evaluation of herbicide resistance in transgenic plants//Biotechnology. 1992 v.10. p309-3141992

17. DiMaio J.J., Shillito R.D. Cryopreservation technology for plant cell cultures //Journal of tissue culture menhods. 1989. v. 12. p. 163-169

18. During K., Porsch P., Fladung M., Lorz H. Transgenic potato plants resistant to the phytopathogenic bacterium Erwinia carotovora//Plant Joyrnal. 1993 v.3. p.587-598

19. Evers D., Overney S., Simon P., Greppin H., Hausman JF. Salt tolerance of Solanum tuberosum L-overexpressing an heterologous osmotin-like protein //Biologia Plantarum. 1999 v. 42(1). p. 105-1121. Список литературы — 144

20. Escudero J., Hohn B. Transfer and integration of T-DNA without cell injury in the host plant //Plant Cell Reports. 1997. v. 9. p. 2135-2142

21. Filho E.S.F., Figueiredo L.F.A., Monte-Neshich D.C. Transformation of potato (Solarium tuberosum) cv. Mantiqueira using Agrobacterium tumefaciens and evaluation of herbicide resistance //Plant Cell Reports. 1994. v. 13. p. 666-670

22. Gaffney T., Friedrich L., Vernooij B., Negrotto D., Nye G., Uknes S., Ward E., Ryals J. Requirement for salicylic acid for the induction of systemic acquired disease resistance //Science. 1993 v.261. p.745-756

23. Gelvin S.B. The introduction and expression of transgenes in plants //Current Opinion of Plant Biology. 1998. v.9. p. 227-232

24. George E.F. Plant Propagation by Tissue Culture Part I. The Technology; Part II. In Practice./ Exegetics Ltd. Edington. 1993.1995.

25. Goodwin I, Todd G, Ford-Lloyd B, Newbury HJ: The effects of acetosyringone and pH on Agrobacterium-mediated transformation vary according to plant species //Plant Cell Rep 1991 v. 9 p.671-675.

26. Grayburn W.S., Visk B.A. Transformation of sunflower (Helianthus annus L.) following wounding with glass beads //Plant Cell Reports. 1995. v. 14. P. 285-289

27. Guralnick B., Thomsen G., Citovsky V. Transport of DNA into the nuclei of Xenopus oocytes by a modified VirE2 protein of Agrobacterium //Plant Cell. 1996. v. 8. p.363-373

28. James C. Global Review of Commercialised Transgenic Crops: 1999 //ISAAA. 1999 Briefs № 12

29. D'Halluin K. Transformation of sugar beet (Beta vulggaris L.) and evaluation of herbicide resistance in transgenic plants //Biotechnology. 1992. v. 10. p.309-314

30. Hansen G., Wright M.S. Recent advances in the transformation of plants //Trends in plant science. 1999. vol.4 № 6. p.1360-1385

31. Haymes K.M., Davis T.M. Agrobacterium-mcdiated transformation of «alpine' Fragaria vesca, and transmission of transgenes to R1 progeny //Plant Cell Reports. 1998. v. 17. p. 279-283

32. Herbers K., Sonnewald U. Production of new modified proteins in transgenic plants //Current Opinion in Biotechnology. 1999 v. 10. p. 163-168

33. Holmberg N., Bulow L. Improving stress tolerance in plants by gene transfer. Trends in plants science. 1998 v.3. p. 1360-1385

34. Hoffman F. Laser microbeams for the manipulation of plant cells and subcellular structures //Plant Science. 1996.V. 113. p. 1-11

35. Ishida B.K., Snyder G.W., Belknap W.R. The use of in vitro-grown microtuber discs in Agrobacterium-mediated transformation of Russet Burbank and Lemhi Russet potatoes //Plant Cell Reports. 1989. V. 8. p.325-328

36. Kende H., Zeevaart Jan A.D. The five «classical» plant hormones //The Plant Cell. 1997. v.9. p.1197-12101. Список литературы- 145

37. Koivu K., Valkonen J.P.T., Suomaa S., Tavazza R., Pehu E. Agrobacterium tumefaciens mediated transformation of Solanum brevidens and S. tuberosum cv. Pito //Acta Agric. Scand. Sect. B. Soil and Plant Sci. 1995. v.45. p. 78-87

38. Krens F.A., Jamar D. The role of explant source and culture conditions on callus induction and shoot regeneration in sugar beet (Beta vulgaris L.) //Plant Physiology. 1989. v.134. p. 651-655

39. Kohm B.A., Goulden M.G., Gilbert J.E., Kavanagh T.A., Baulcombe D.C. A potato virus X resistance gene mediates an induced, non-specific resistance in protoplasts //The Plant Cell. 1993 v.5. p.913-920

40. Komari T. Transformation of callus cultures of nine species mediated by Agrobacterium //Plant Science. 1989 v.60. p.223-229

41. Laemmli UK. Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4 //Nature. 1970 v,15;227(259):680-5

42. Leitch I.J., Bennett M.D. Polyploidy in angiosperms //Trends Plant Science. 1997. v. 2. p. 470-476

43. Lessl M., Lanka E. Common mechanisms in bacterial conjugation and Ti-mediated transfer to plant cells //Cell. 1994. v. 77. p. 321-324

44. Lin J.J., Assad-Garcia N., Kuo J. Plant hormone effect of antibiotics on the transformation efficiency of plant tissues by Agrobacterium tumefaciens cells //Plant Sciens. 1995. v.109. p.171-177

45. Lodge J.K., Kaniewski W.K., Turner N.E. Broad- spectrum virus resistance in transgenic plants expressing pokeweed antiviral protein //Proceeding of the National Academy of Science USA. 1993 v.90. 9.7089-7093

46. Lurquin P.F. Gene transfer by electroporation //Mol. Biotechnology. 1997. v. 7. p. 5-35

47. Matzke A.J., Matzke M.A. Position effects and epigenetic silencing of plant transgenes //Current Opinion of Plant Biology. 1998. v. 1. p. 142-148

48. Matthysse A.G. Initial interactions of Agrobacterium tumefaciens with plant host cells //Crit. Review of Microbiology. 1986. v. 13. p. 281-307

49. Melchers L.S., Stuiver M.H. Novel genes for disease-resistance breeding //Current Opinion in Plant Biology. 2000 v.3. p. 147-152

50. Montanelli C., Stefanini F.M., Chiari A., Chiari T, Nascari G. Variability in the response to Pseudomonas solanacearum of trancgenic lines of potato carrying a cecropin gene analogue //Potato Research. 1995 v.38. p.371-378

51. Mourgues F., Brisset M-N., Chevreau E. Strategies to improve plant resistance to bacterial diseases through genetic engineering //Tibtech. 1998 v.16. p.203-210

52. Nakano N., Mii M. Antibiotics stimulate somatic embryogenesis without plant growth regulators in several Dianthus cultivars //Plant Physiology. 1993 v. 141. p. 721-725

53. Nauerby B., Billing K., Wyndaele R. Influence of the antibiotic timetin on plan regeneration compared to carbenicillin and cefotaxime in concentrations suitable for elimination of Agrobacterium tumefaciens //Plant Science. 1997. v. 123. p.169-177

54. Newell C.A., Rozman R., Hinchee M.A., Lawson E.C., Haley L., Sanders P., Kaniewski W., Turner N.E., Horsch R.B., Fraley R.T. Agrobacterium-mediated transformation of Solanum tuberosum L. cv. «Russet Burbank» // Plant Cell reports. 1991. v. 10. p.30-34

55. Okkels F.T., Pedersen M.G. The toxicity to plant tissue and to Agrobacterium tumefaciens of some antibiotics //Acta Hortic. 1988 v.225. p. 199-207

56. Park Y.D., Ronis D.H., Boe A.A, Cheng Z.M. Plant regeneration from leaf tissues of four North Dacota genotypes of potato (Solanum tuberosum L.) //American Potato Journal. 1995 v.72 (6). p. 329-3381. Список литературы — 146

57. Park, Yoonkyung, Park G., Yang Y., Cheong H. Improved in vitro regeneration of potato (Solanum tuberosum cv. Superior) transformation by Agrobacterium expressing ¡¿-glucuronidase //Journal of Plant Biology. 1996. v.39(2). p. 93-98

58. Patton D.A., Meinke D.W. High-frequency of plant regeneration from cultured cotyledons of Arabidopsis thaliana //Plant Cell Report. 1988 v. 7. p.233-237

59. Pawlowski W.P., Somers D.A. Transgenic DNA integrated into the oat genome is frequently interspersed by host DNA //Proceeding of National Academy of Science USA. 1998. v.95 p.12106-12110

60. Pen J., Sijmons P.C., Ooijen A.J.J., Hoekema A. Protein production in transgenic crops: analysis of plant molecular farming. Trangenic Plants: Fundamentals and Applications //Marcel Dekker Inc. 1993. p.239-251

61. Pollock K., Barfield D.G., Shields R. The toxicity of antibiotics to plant cell cultures //Plant Cell Reports. 1983. v.2. p.36-39

62. Shah D., Lawson C., Kaniewski W. Russet Burbank genetically improved for resistance to leaf roll virus and late blight //Seventh International Symposium on Molecular Plant Microbe Interactions. Edinburg. 1994 Abstract. S48. p.14

63. Shah D.M. Genetic engineering for fungal and bacterial diseases //Current Opinion in Biotechnology. 1997 v.8. p.208-214

64. Sheng J., Citovsky V. Agrobacterium-plant cell DNA transport: have virulence proteins, will trave //The Plant Cell. 1996. v.8. p. 1699-1710

65. Sheerman S., BewanM.W. A rapid transformation method for Solanum tuberosum using binary Agrobacterium tumefaciens vectors. //Plant Cell Reports. 1998. v.7. p.13-16

66. Shillito R.D. Methods of genetic transformations: electroporation and polyethylene glycol treatment //In Molecular Improvement of Cereal Crop (Vasil I., ed), Kluwer. The Nether land. 1999. p.9-20

67. Smirnoff N. Plant resistance to environmental stress //Current Opinion in Biotechnology. 1998 v.9. p. 214-219

68. Smith R.H., Hood E. Agrobacterium tumefaciens transformation of monocotyledons //Crop Science. 1995. v.35. p. 301-309

69. Snyder G.W. & Belknap W.R. A modifaed method for routine Agrobacterium -mediated transformation of in vitro grown potato microtubers //Plant Cell Reports. 1993. v.12. p.324-327

70. Stachel S.E., Timmerman B., Zambryski P. Generation of single-stranded T-DNA molecules during the initial stages of T-DNA transfer for Agrobacterium tumefaciens to plant cells //Nature. 1986. v.322. p. 706-712

71. Stark D.M., Timmerman K.P., Barry G.F., Preiss J., Kishore G.M. Regulation of the amount of starch in plant tissues by ADPglucose pyrpphosphorylase //Sciense. 1992 v.258. p.287-292

72. Stock J.B., Stock A.M., Mottonen J.M. Signal transduction in bacteria //Nature. 1990 v. 344. p. 395-400

73. Strittmatter G., Janssens J., Opsomer C., Botterman J. Inhibition of fungal disease development in plants by engineering controlled cell death //Biotechnology. 1995 v.13. p. 1085-1089

74. Tavazza R., Tavazza M., Ordas R.J., Ancora G., Benvenuto E. Genetic transformation of potato (Solanum tuberosum): an efficient method to obtain transgenic plants //Plant Science. 1988. v. 59. p. 175-1811. Cuucok Jiumepamypu — 147

75. Towbin H, Staehelin T, Gordon J Electrophoretic transfer of proteins from poly-acrylamide gels to nitrocellulose sheets procedure and some applications //Proc Natl Acad Sci USA 1979. v.76(9):4350-4

76. Tu H.M., Godfrey L.W., Sun S.M. Expression of the Brazil nut methionine-rich protein and mutants with increased methionine in transgenic potato //Plant Mol Biology. 1998 v.37. p.829-838

77. Visser R.G.F., Somhorst I., Kuipers G.J., Ruys N.J., Feenstra W.J., Jacobsen E. Inhibition of the expression of the gene for granule-bound starch synthase in potato by antisense constructs //Molecular and General Genetics. 1991 v.225. p.289-296

78. Visser R.G.F. Genetic Modification: long term perspectives for potato breeding/Potato Wolrd-wide. Wageningen Press. 2000 p. 60

79. Wagner V.T., Matthysse A.G. Involvement of vitronectinlike protein in attachment of Agrobacterium tumefaciens to carrot suspension culture cells //Journal of Bacteriology. 1992. v. 174. p.5999-6003

80. Watts J.W., King J.M. The use of antibiotics in the culture of non-sterile plant protoplasts //Planta. 1973 v.113. p. 271-277

81. Wenzler H., Mignery G., May G., Park W. A rapid and efficient transformation method for the production of large numbers of transgenic potato plants //Plant Science. 1989. v. 63. p.79-85

82. Wilmink A., Dons J.J.M. Selective agents and marker gene for use in transformation of monocotyledonous plant //Plant Molecular Biology Reports. 1993. v.ll. p. 165-185

83. Wordragen M.F. & Dons H.J.M. Agrobacterium tumefaciens mediated transformation of recalcitrant crops //Plant Molecular biology reporter. 1992. v. 10(1). p. 12-36

84. Wu G., Shortt B.J., Lawrence E.B., Levine E.B., Fitzsimmons C., Shad D.M.

85. Disease resistance conferred by expression of a gene encoding H202-generating glucose oxidase in transgenic potato plants //The Plant Cell. 1995 v.5. p. 1357- 1368

86. Xu H., Khalilian H., Eweida M., Squire S., Abouhaidar M.G. Genetically engineered resistance to potato virus X in four commercial potato cultivars //Plant Cell Reports. 1995. v. 15. p. 91-96

87. Yang D.S.C., Sax M., Chakrabaartty A., Hew C.L Crystal structure of an antifreeze polypeptide and its mechanistic implications //Nature. 1988 v.333. p.232-237

88. Yao K., De Luca V., Brisson N. Creation of metabolic sink for tryptophan alters the phenylpropanoid pathway and the susceptibility of potato to Phytophthora infestans //The Plant Cell. 1995 v.7. p. 1787-1799

89. Zambryski P. Chronicles from the Agrobacterium- plant cell DNA transfer story //Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology. 1992. v. 43. p. 465-490

90. Zhu В., Chen T.H.H., Li P.H. Analysis of late-blight disease resistance and freezing tolerance in potato plants expressing sense and antisense genes for an osmtin-like protein //Planta. 1996 v. 198. p.70-77

91. Zupan J., Muth T.R., Draper O., Zambryski P. The transfer of DNA from Agrobacterium tumefaciens into plants: a feast of fundamental insights //The Plant Journal. 2000. v.23 (1). p. 11-28

92. Zupan J., Zambryski P. Transfer of T-DNA from Agrobacterium to the plant cell //Plant physiology. 1995. v. 107. p. 1041-1047

93. Глагоцкая Т.Ц., Щербатенко И.С., Сидоров В.А., Шульга О.А., Захарьев В.М., Скрябин К.Г., Глеба Ю.Ю. Трансгенные растения картофеля, обладающие устойчивостью к вирусным инфекциям //ДАН УССР 10. серия Б. с.57-59. 1990.а

94. Глагоцкая Т.Ц., Шульга О.А., Сидоров В.А., Захарьев В.М., Скрябин К.Г., Глеба Ю.Ю. Трансгенные растения картофеля с чужеродным геном белка оболочки Х-вируса картофеля //ДАН СССР 314. №5. с. 1240-1242. 1990.

95. Дрейпер Дж., Скотт Р., Армитидж Ф., Уолден Р. Генная инженерия растений Лабораторное руководство/Москва «Мир». 1991 408 стр.

96. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований)/ М.: Агропромиздат.1985 351 е. ил.

97. Маниатис Т., Фрич Э., Сэмбрук Дж. Методы генетической инженерии. Молекулярное клонирование/Москва «Мир». 1984 480стр.

98. Создание трансгенных растений//Вкладыш журнала «Химия и жизнь-XXI век». Москва 2001

99. Соколова М.А., Пугин М.М., Шульга О.А., Скрябин К.Г. Получение трансгенных растений картофеля, устойчивых к У-вирусу картофеля// Мол.биол. 28. с. 1002-1008. 1994.

100. Падегимас Л., Шульга О.А., Скрябин К.Г. Тестирование трансгенных растений, при помощи полимеразной цепной реакции//Мол.биол.т.27.с.947-951.1993

101. Падегимас Л. Шульга О.А., Скрябин К.Г. Создание трансгенных растений Nicotiana tabacum и Solanum tuberosum, устойчивых к гербициду фосфинотрицину//Мо л. био л .т.28с.437-443.1994

102. Пугин М.М., Соколова М.А., Шульга О.А., Скрябин К.Г. Влияние 5'-лидера X-вируса картофеля на экспрессию гена белка оболочки У-вируса картофеля в трансгенных растениях Solanum tuberosum//Мол.биол. 28. с.752-760. 1994.