Цианобактерийн флаводоксин ургамалд олон төрлийн стрессийг тэсвэрлэх чадварыг олгох нь

Асуудал

Байгалийн нөхцөл дор ургаж буй ургамлууд нь өөрсдийн амьдралын туршид гадны олон төрлийн стрессээс зайлж чадахгүй юм. Тэд эволюцийн үр нөлөөгөөр энэ мэтийн маш хүнд нөхцөлд зохицох олон төрлийн зохилдлогоотой болсон байдаг. Газар тариалангийн ургамал нь хүмүүсийн шилин сонголтоор илүү тэсвэртэй нь үлддэг ч энэ тохиолдолд байгалийн нөлөөллийг дээд хэмжээнд тэсвэрлэдэг ургамал бараг байх боломжгүй юм. Өвчин, муу цаг агаар болон үл таарах хөрс зэрэг нь газар тариалангийн алдагдалдлын ихэнхэд хамааралтай. Гадны олон төрлийн стресс, нөлөөллөөс сэргийлэх нэг арга нь шим тэжээлийн бодисыг (үүнд нь азот, фосфор, төмөр орох юм) сайн өгөх буюу бордох явдал юм. Хэдийгээр төмөр газрын хөрсөнд элбэг байдаг ч ургамлууд дэлхийн газрын хөрсний гуравны нэгийг бүрхсэн шүлтлэг, шохойн чулуулаг агуулсан хөрсний үл уусах оксидуудаас өөртөө уусгаж авах хэрэгтэй болдог байна. Энэ төрлийн хөрс газар тариаланг хязгаарлах гол саад болдог байна.

Төмрийн дутагдалд орсон ургамлууд шинэ навчиндаа интервейны хлоротик шинж тэмдгүүдийг үзүүлж эхэлдэг ба фотосинтезийн эрчим нь эрс буурж эхэлдэг нь үхэлд хүргэдэг байна. хлороз нь төмөр агуулсан энзимүүдийн шаардлагатай байдаг хлорофиллийн синтезийг хязгаарладаг байна. гэвч хлорофилл холбогдох уургууд болон бусад фотосинтезийн бүрдэл бодисууд нь пигментийн түвшинд харьцангуй бие даасан шинжтэйгээр үйл ажиллагаагаа явуулдаг байна. Тиймээс хлоропластууд нь төмрийн дутагдлын үеийн хамгийн гол хохирогч нь болдог байна. Нөгөө талаар, ургамлууд нь олон төрлийн гадны хатуу чанга байдлыг тэсвэрлэдэг юм. Үүнд нь ган, үер, тэсгим хүйтэн, хэт давслаг байдал, цацраг идэвхт бодис зэрэг орох юм. Хөдөлгөөнгүй организмууд тул ургамлын янз бүрийн нөхцөлд биеэ хамгаалах чадвар нь физиологи болон биохимийн түвшинд хязгаарлагддаг юм. Үүнд нь навчны амсрын хаагдал, осмосын даралтын зохицуулалт, ионы шахуурга зэрэг багтах юм. Зохицуулгатай генийн экспрессийн өөрчлөлт явуулахад үндсэн ба хоёрдогч метаболизм нь хатуу хахир нөхцлийн үл хүсэм нөлөөллүүдээс үл шалтгаалан зохицуулгаа явуулж байдаг байна.

Энэ үр дүнд хамгаалалтад оролцох уураг болон метаболитуудын синтезийг л зохицуулснаар хүрж болно. Хөнөөлтэй нөхцөлийн дор энэ зохицуулга ч хүртэл явагдахаа болиход хүрвэл ургамлын хүрээлэн буй орчны стресст орсон гэж үзнэ. Өөр өөр төрлийн шим тэжээлийн болон хүрээлэн буй орчны хөнөөлт нөхцлүүд нь тус тусдаа өөр өөрийн гэсэн шинж чанартай байдаг тул ургамал ч түүнд өөр өөр хариу үйлдэл үзүүлдэг юм. Гэвч тэд стресст орсон эсүүдийн электроны зөөвөрлөлтийн сүлжээг ихээр алдагдуулдгаараа ижил төстэй юм. Энэ нь редокс гомеостазийг алдагдуулдаг ба ямар ч үр дүнгүй урвалуудыг явагдахад хүргэдэг. Энэ нь эцэстээ ганц атомт хүчилтөрөгч, супероксид, гипроксилийн радикалууд, устөрөгчийн пероксид мэтийн урвалд оромтгой хүчилтөрөгчийн зүйлийг (ROS) үүсгэхэд хүргэнэ.

Цианобактер ба замгийг ашиглах шийдвэрлэлт

Фотосинтез явуулдаг микроорганизмууд гадны хүчин зүйлийн нөлөөлөлд нэг зүйлийг нөгөөгөөр солих стратегийг ашигладаг. Ийм үйл ажиллагаануудын дотроос хамгийн их ил тод явагддаг нь хаа саагүй тааралддаг төмөр-хүхрийн уураг болох ферредоксиныг давамгайлах флаводоксины экспрессийн индукц юм. “Төмрийн өлсгөлөнгийн” үед болон тааламжгүй гадаад орчны нөхцөл дор ферредоксины зохицуулга алдагдаж эхэлдэг байна. Харин флаводоксин гэдэг нь электрон зөөвөрлөх чадвартай жижиг усанд уусдаг уургийн молекул юм. Энэ нь донор ба акцепторын хооронд электрон зөөвөрлөх флавины мононуклеотидыг агуулдаг юм. Редоксийн зөөвөрлөгчдийн хувьд тэдний үүрэг нь ферредоксины гүйцэтгэдэг үүрэгтэй яв цав нийцэж байгаа юм.

Гетеротроф бактерид флаводоксин (бас ферредоксин) нь ферредоксин-NADP­­­­­­­+ редуктазийн нөлөөгөөр ихээр багасгагддаг ч бүр мөсөн алга болдоггүй билээ. Орчин үеийн хлоропалстийн өвөг цианобактерийн хувьд флаводоксин болон ферредоксин нь фотосистем нэгийн үед фотосинтезийн замаар багасдаг байна. Ферредоксин нь энгийн үед электроны зөөвөрлөгчийн үүргийг гүйцэтгэдэг ба флаводоксин нь хөнөөлт нөхцөлд экспресс нь идвэхждэг шинж чанартай юм. Ферредоксин бараг бүх төрлийн организмд тохиолддог байхад флаводоксины генийн тархалт илүү хязгаарлагдмал тоотой ажиглагддаг. Харин фотосинтез явуулдаг организмуудын хувьд флаводоксин нь өргөн тохионо. Энэхүү ген нь замгийн ертөнцөд эндосимбиозийн замаар нэвтэрсэн ба энэ нь фотосинтетик эукариотууд үүсэх нөхцөлийг бүрдүүлжээ. Гэвч флаводоксин байх нь цианобактерийг бодвол замганд арай бага тохиодог байна. Флаводоксин нь ерөнхийдөө задгай тэнгисийн организмуудад илүү тохиолддог. Үүний учир нь тэнд шим тэжээлийн бодисын болон гадаад орчны нөхцөл байдал нь ихэвчлэн муу талдаа байдаг юм.

Ургамлын шийдэл

Нарийн бүтцэт дээд ургамлуудад фотосинтез явуулдаг бактериудтай адилаар орлуулах аргыг хэрэглэх боломжгүй байдаг байна. Мэдээжээр флаводоксины ген ургамлын геномд байдаггүй бөгөөд ногоон замгаас хөндийт ургамлууд үүсэх эволюцийн явцын нэгэн хэсэгт энэ ген алдагдсан байж болох юм. Гэсэн ч флаводоксины гений экспресс явагдаж орчны нөлөөнөөс хамгаалах тогтолцооны оронд ургамлууд комплекс, олон алхамт хариу үйлдлүүдийг төмрийн дутагдал болон хөнөөлт нөхцлийн аль алины нь эсрэг ашигладаг байна. Нэгдүгээр тохиолдолд бол хариу урвал олон төрлийн түвшинд явагдана.

Үүнд нь хөнөөлт нөхцлөөс сэргийлэх, хортой нэгдлүүдийг задалж хэрэгцээт бодисыг гаргаж авах болон гэмтлийг засах зэрэг багтана. Хоёрдугаар тохиолдолд маш багаар тохиолддог бодисуудаас төмрийн хэрэгцээгээ хангах стратеги юм. Цианобактерийн флаводоксин нь in vitro нөхцөлд ургамлын энзимүүдтэй үр бүтээмжтэйгээр харилцан үйлчилдэг нь тэмдэглүүштэй зүйл юм. Магадгүй энэ нь гэнэтийн флаводоксиныг хөнөөлт нөхцөлд хэрэглэдэг байсан цианобактери нь ургамалын өвөг байснаас ч болсон байж болох юм. Энэхүү ажиглалтууд нь биднийг ургамалд энэ флавопротейныг дахин суулгаж өгөх хэрэгтэйг хэлж өгч байгаа хэрэг юм. Энэ нь ургамалд фотосинтез яьуулагч микроорганизмын адил ямар ч абиотик стрессийг тэсвэрлэх чадварыг олгох юм.

Хлоропластад флаводоксиныг экспресслэгч тамхины ургамлын загвар ба тодорхойлолт

Цианобактер Anabaena PCC7119-ийн флаводоксины генийг цэцэгт байцааны цоохоортох өвчний вирус 35Sийн промотер болон терминаторын хэсгүүдийн хооронд хиймлээр гаргаж авсан байна. Энэ нь тамхины ургамалыг тогтмол экспресс явуулахад хүргэж байгаа юм.  хлоропластын транзитын пептидийг кодлогч пре-дараалал нь генийн N-терминаль төгсгөлд холбогдсон тул нь энэ нь пластидад нийлэгжих боломжийг олгож байгаа юм. Agrobacterium-ийн трансформацийг ашиглан хэд хэдэн бие даасан сортыг гаргаж авчээ. Эдгээрийг өөр хоорондын эвцэлдүүлэг ашиглан гомозигот болгосон байна. Үүний дараа сегрегантуудын тусламжтайгаар селекцийг хийсэн байна.

Хлоропластдаа 60-аас дээш микроМоль флаводоксиныг экспресслэгч сортыг селекциэр сонгож авсан юм. Учир нь гадны уургийн түвшин нь эндоген ферредоксинтой ойролцоо байдаг юм (ойролцоогоор 80 микроМоль). Ус болон төмрөөр баялаг хэвийн орчинд трансгеник ургамлууд ургасан (ургамал өөрөө шим тэжээлийн бодисын сонголтоо хийнэ) бөгөөд тэдгээр нь трансформаци хийгдээгүй зэрлэг сорттой (WT) адил фенотипийн шинжийг үзүүлж байсан байна. Энэ шинжүүд нь гэвэл өсөлтийн хурд, цэцэглэх үе, үр боловсрох үе зэрэг бөгөөд гадны генийн танилт явагдаж экспресс эхлэх нь ургамал стресст ороогүй үед фенотипийн хувьд ажиглагдахгүй юм.

Флаводоксин-экспресслэгч ургамлууд төмрийн дутагдалтай хөрсөнд ургаж чадна

Өөр өөр төрлийн төмрийг нь хязгаарласан тэжээлийн орчинуудад ургах үед трансгеник ургамлууд WT (wild type) ургамлуудаас ихээр ялгагдаж байжээ. Хөрсийг мөн шүлтлэг усаар усалахад төмрийн ионы багасалт явагддаг бөгөөд энэ үед ч мөн адил трансгеник ургамлууд илүү тэсвэртэй байжээ. Трансформаци хийгдээгүй ургамлуудын навчны өнгө цайрж, өсөлт зогсож, үндсэн түлхүүр метаболизмын урвалууд болох фотосинтез, амин хүчлийн синтез зэрэг нь хязгаарлагдаж байжээ. Харин трансформант ургамлууд нь жингээ нэмж, өсөн фотосинтезийн эрчим трансгеник биш ургамалтай харьцуулахад 40%-иар илүү байжээ. Тэдгээр нь ийм нөхцөлд өөрсдийн амьдралын эргэлтээ гүйцээж, дахин ургах боломжтой үрийг боловсруулж байв. Тогтвортой хэлбэрт сахарын нөөц, завсрын метаболитууд, мөн амин хүчлүүд зэрэг стресст орсон WT ургамлуудад  ихээр буурсан байханд трансгеник ургамалд ажиглагдаагүй байна.

Хлоропласт дахь флаводоксины экспресслэлт нь абиотик стрессийн үед тэсвэрлэлтийг бий болгоно

Пластиддаа флаводоскиныг экспресслэдэг  ургамлууд нь хүрээлэн буй орчны ихээхэн өөрчлөлтүүдийг тэсж чаддаг нь нотлогджээ. Үүнд нь өндөр температур, тэсгим хүйтэн, ган, хүчтэй эрчимт гэрлээр шарах үе, давслагийн хэмжээ ихсэх болон хэт ягаан туяа зэргийг оруулж болно. Тэдгээр нь мөн хлоропластыг паракват хэмээх гербицидээр хордуулсан исэлдүүлэх стрессийн нөхцлийг ч давж гарчээ. Төмрийн дутагдалтай үед WT ургамалд хлороз, некроз, фотосинтез болон метаболизмын бусад процессуудын упаашрилт болон зогсолт зэрэг янз бүрийн гэмтэл ажиглагдсан бөгөөд эцэст нь мөхөлд хүрж байв. Хлоропласт дахь флаводоксины экспресслэлт нь эдгээр бүх илрэх боломжтой гэмтлүүдээс сэргийлэх юм. WT ургамлуудад ихээхэн ажиглагдах ROS-ийн хуримтлал нь трансформант ургамлуудад огт ажиглагддаггүй ажээ.

Флаводоксины хамгаалалтын механик үндэс

Таамаглаж байсанчлан төмрийн дутагдал ба абиотик стресс нь WT буюу энгийн ургамалд хоёул фотосинтезийн электроны зөөвөрлөлтийн гинжин хэлхээнд үүссэн электроны хуваарилалтад тогтворгүй байдлыг үүсгэдэг. Энэ нь ферредоксины хэмжээний бууралт зэрэгтэй холбоотой юм. Флаводоксин пластидын эндоген зам болон редокс гомеостазийг дахин сэргээдэг ба эндоген бодисуудтай үр дүнтэйгээр харилцан үйлчлэлд орно. Жишээ нь, ферредоксин-NADP+ редуктаза, нүүрсхүчлийн хийн ассимиляцид чухал үүрэг гүйцэтгэдэг тиоредоксин редуктаза, ферредоксины хамааралтай явагддаг амин хүчлийн синтезүүд зэрэг болно. Флаводоксин нь антиоксидантаас хамгаалахад маш чухал шаардлагатай нь пероксидоксины идэвхтэй хэлбэрийг регенарцид оруулдагт байгаа юм. Пероксидоксин нь хлоропласт дахь хамгийн түгээмэл пероксидаза юм. Цугласан бүхий л үр дүнгүүд нь флаводоксин нь стрессийн үед электроны зөвөөрөлөлт алдагдах, ROS-ийн хуримтлал бий болохоос сэргийлж, энэ байдал үүссэн тохиолдолд хөнөөлтэй байдлын эсрэг тэмцдэгээрээ ургамалд ашигтай шинж чанараа ихээр үзүүлдэг буюу эрүүл байдлыг хадгалдаг юм гэдгийг илтгэж байна.

Дүгнэлт ба хэтийн төлөв

Хөдөө аж ахуйн ургамлуудыг төмрийн дутагдалтай болон хөнөөлт орчинд тэсвэртэй болгох гэсэн оролдлогууд нь хөдөө аж ахуйн хувьд ашигтай байдал, ургамлын хариу үйлдэл зэрэгтэй холбоотойгоор эвцэлдүүлэгчид болон генетикийн эрдэмтдийн хувьд тулгамдаж буй асуудал болоод байгаа юм. Энэ зорилгод хүрэхийн тулд эндоген хамгаалалтын системийг дэмжих хэрэгтэй юм. Энэхүү хамгаалалтын системүүд нь ROS-ийг задлах, төмрий ионыг шимж аван нөөцлөх зэрэг процессуудад оролцдог байх юм. Энэ аргын амжилттай тал нь янз янз байдаг. Энэ нь ургамлын хариу үйлдэл болон мултигеник байдлаас шалтгаалдаг. Энд тодорхойлсон стратеги нь олон төрлийн ухагдахуун дээр тулгуурласан юм.

Энэ нь стресст орж, төмрийн дутагдалд орсон ургамалд пластид болон эсүүд дундах электрон зөөвөрлөлтийн механизм нь алдагдаж, үндсэн түлхүүр метаболизмын процессууд хязгаарлагдаж, зарим метаболизмын бүхэл бүтэн зам ажилаагүй болж, мөн ROS-ийн хуримтлал бий болдог гэсэн таамаглал дээр үндэслэсэн арга юм. Электрон зөөвөрлөлтийг сэргээдэг гадны уургийг ургамалд ямар нэг аргаар хийж өгөх нь суб-оптималь нөхцөлд үүссэн хөнөөлт үр дагаваруудыг алга болгож ургамлыг эргэн хэвийн байдалд нь оруулдаг юм. Судалгааны ажлын үр дүнгүүд нь олон төрлийн эх үүсвэртэй абиотик стрессүүдийн үед болон төмрийн дутагдлын үед гайхалтай тэсвэртэй байдлыг үзүүлж буй трансгеник ургамлууд нь хөдөө аж ахуйн хувьд чухал ач холбогдолтой байхыг харуулж байна. Трансгеник ургамлууд WT үр удамтай адил хэмжээний төмрийг шингээж авдаг ч энэхүү ургамлуудын бүрэлдэхүүнд орсон төмөр нь ямар нэгэн таагүй нөхцөлд дахин байрлалаа өөрчилөн зөөгдөх боломжтой байдаг юм.

Тэсвэртэй байдлын өсөлтөөс гадна трансформант ургамлууд нь өөр хөдөө аж ахуйн хувьд ач холбогдолтой байхуйц шинж чанаруудыг мөн үзүүлж байна:

  • Тэсвэртэй удмыг ганцхан генийн трансформациар гаргаж авч болно.
  • Трансгенийн бактерийн үүсэлтэй байх нь сайленсинг, ко-супресс, эндогений зохицуулалтын хязгаарлалт зэрэг зүйлс гарах нь ховор байх болно.
  • Ургамал хэвийн нөхцөлд ургаж буй тохиолдолд флаводоксины экспресс фенотипийн хувьд ажиглагддаггүй.

Хлоропластад флаводоксин дахин эргэж ирсэн нь хөнөөлт орчинд фотосинтез явуулагч организмуудын амьд гарах шинж чанарыг сэргээж байгаа хэрэг юм. Энэхүү эртний шинж чанарыг генийн инженерчлэлийн аргаар дээд ургамалд суулгах нь энэ хамгаалалтын процесс ганцаар юм уу бусад хамгаалалтын процессуудтай нийлж ажиллан хүрээлэн буй орчны хатуу хүтүү байдлыг тэсвэрлэх чадвартай, хөдөө аж ахуйн хувьд ашигтай ургамлын удмыг гаргаж авах цоо шинэ боломжийг бүрдүүлж байгаа юм.

Solanaceae-ийн багийн (төмс, улаан лооль) ургамлуудын хувьд хийгдсэн  трансформаци нь үндсэндээ тэсвэрлэх чадвар сайтай фенотипт удмыг гаргажээ. Мөн энэхүү трансформаци нь амуу тариа зэрэг бусад хүнсний ач холбогдолтой ургамлуудад хийгдэж байна. Туршилтын өөр эх үүсвэрүүд болох ямар нэг хэвшилд бэлэн байх промотерүүд, эдийн хувьд онцгой экспрессүүд, трансплантомикс зэрэгтэй хамт флаводоксины трансформацийг хэрэглэх нь хөдөө аж ахуйн ургац хураалтыг нэмэгдүүлэх, газар тариалан эрхлэхэд тохиромжгүй газруудыг тариалах зэрэгт хамгийн ихээр хэрэг болохуйц биотехнологийн арга болж болох ажээ.

Уг орчуулгын эх нь:

CYANOBACTERIAL FLAVODOXIN PROVIDES MULTIPLE STRESS TOLERANCE (Matías Zurbriggen, Vanesa B. Tognetti, Estela M. Valle and Néstor Carrillo, September, 2007) гэсэн судалгааны ажил болно.

Advertisements

Хариулт үлдээх

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Өөрчлөх )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Өөрчлөх )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Өөрчлөх )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Өөрчлөх )

Connecting to %s