Хромосомная инженерия

Научиться целенаправленно руководить наследственностью организмов — давняя мечта ученых. При гибридизации новое растение наряду с цепными признаками получает и целый ряд ненужных: гибрид содержит по половине наборов хромосом от каждого из родителей.

Уже в начале XX в. возникла мысль перенести от одного растения в другое только одну, нужную хромосому с генами, контролирующими ценные признаки. Однако ни в то время, ни сейчас не могли выделять и переносить отдельные хромосомы хирургически. Исследователи разработали специальные схемы скрещивания растений. Тогда этот способ изменения наследственности называли замещением хромосом, теперь появился новый термин — хромосомная инженерия.

Перенос отдельных хромосом связан с созданием анеуплоидных форм, у которых недостает одной хромосомы — моносомик (2n—1) — или на одну хромосому больше — трисомик (2n+1). В 20-е годы А. Блэксли и Д. Беллинг впервые создали полную серию линий моно- и трисомиков дурмана. Двенадцать типов хромосом растения заметно отличаются друг от друга по размерам и другим признакам. По каждой из возможных хромосом были получены растения, у которых одна хромосома в наборе представлена не дважды, а трижды или в единственном числе. Трисомики хорошо различались между собой по внешним признакам, размеру и форме коробочки, величине растения. Значит, различия между хромосомами приводят к развитию определенных признаков.

В связи с нарушением процессов образования гамет все три- и моносомики имели пониженную плодовитость, однако от них удается получать потомство. Полные серии тех и других были получены у табака, пшеницы, томатов, ячменя. Перенос хромосом имеет особо важное значение при создании сельскохозяйственных растений, устойчивых к болезням и неблагоприятным условиям среды.

Большую работу по созданию серии моносомиков, а также нуллисомиков, у которых отсутствовали две идентичные хромосомы, провел американский ученый Э. Сире у сорта пшеницы Чайнис Спринг. Стало возможным создавать серии анеуплоидных линий у любых сортов мягкой пшеницы. Моно- или нуллисомик по какой-либо хромосоме скрещивают с нормальными растениями. Все потомство нуллисомика будет представлено моносомными формами, а в потомстве моносомика последние составят половину растений. Затем гибриды вновь скрещивают с нормальными растениями нового сорта. Такую гибридизацию повторяют шесть раз. В результате хромосомы моносомика полностью заменяются хромосомами нового сорта, а нужная хромосома остается в единственном числе. В итоге создана новая линия моносомика. При самоопылении моносомиков в потомстве образуются нулли-, моносомики и нормальные растения. Методом замещения хромосом была передана культурным сортам томата от диких видов устойчивость к заболеванию фузариозом и нематодой.

Сейчас хорошо разработан способ добавления хромосом одного вида злаковых растений к хромосомному набору другого. Японский цитогенетик Д. Омара осуществил добавление отдельных хромосом ржи в хромосомный набор пшеницы. Вначале он скрестил пшеницу с рожью и получил гибрид, который снова скрестил с пшеницей. При самоопылении последнего в потомстве появлялись растения пшеницы с дополнительными хромосомами ржи. Наблюдалось различное генетическое действие отдельных хромосом ржи и их влияние на хозяйственные признаки. Линии с добавленными хромосомами отличались от пшеницы и друг от друга по высоте растений, толщине соломы, размеру и форме колосьев. Повысилась зимостойкость пшеницы, устойчивость к ложной мучнистой росе и ржавчине, переданные ей от хромосом ржи.

Таким же образом удалось добавить пшенице хромосомы злакового растения гайнальдии. Были получены линии пшеницы с шестью из семи возможных хромосом гайнальдии. Добавление первой и второй хромосом оказывало заметное влияние на повышение плотности колоса у пшеницы с добавленными хромосомами.

Вместе с тем при замещении целых хромосом не всегда оказывалось возможным получить растения только с нужными признаками. Ведь в каждой хромосоме много генов, и среди них есть нежелательные. Были разработаны методы, позволяющие переносить только участки хромосом с отдельными генами. Такой способ применили для переноса небольших сегментов чужеродной хромосомы дикого вида пшеницы в культурный — разломом и обменом кусочками хроматина. В результате был перенесен ген, обусловливающий устойчивость к листовой ржавчине.

Поскольку в естественных условиях разрыв хромосом очень редок, ученые предложили использовать облучение. Наиболее эффективными оказались облучение гибридных семян тепловыми нейтронами, хранение семян в кислороде с последующей обработкой рентгеновскими лучами, введение радиоизотопов в растения при образовании половых клеток и сразу после оплодотворения.

Разрабатываются методы пересадки отдельных хромосом от одного вида к другому без скрещивания. Из клеток хомячка удалось выделить чистые хромосомы. Их переносили в среду, где находились клетки мыши. Характерной особенностью этой линии клеток была неспособность синтезировать один из ферментов, в то время как клетки хомячка этот фермент имели. После привнесения хромосом хомячка клетки мыши помещали на среду, где все клетки, неспособные синтезировать фермент, погибали. Часть клеток на этой селективной среде продолжала успешно расти. Такая же работа была выполнена с использованием другого фермента — тимидинкиназы.

Цитологические исследования показали, что в клетки животных легко проникали хромосомы и их фрагменты. Но в дальнейшем обнаружить их в клетках не удавалось. Напрашивался вывод, что большая часть проникших в клетки хромосом хомячка разрушается ферментами и только отдельные участки встраиваются в хромосомы клеток мыши и нормально функционируют.

В клетки китайского хомячка перенесли хромосомы человека. Оказалось, что в хромосомы хомячка встроились два гена, ответственные за синтез ферментов тимидинкиназы и галактокиназы.