Обзоры. Рубрика в журнале - Сельскохозяйственная биология
Статья обзорная
Грипп лошадей - высокоинфекционное заболевание, характеризующееся тенденцией к быстрому распространению и высокой заболеваемостью среди чувствительного поголовья (К.П. Юров, 2009; S.P. Waghmare с соавт., 2010). Возбудитель гриппа лошадей - РНК-содержащий вирус, относящийся к семейству Orthomyxoviridaе , роду Influеnzavirus (Забережный А.Д. с соавт., 2017). На основании антигенных различий двух поверхностных гликопротеинов (HA и NA) выделяют два подтипа вируса гриппа лошадей (ВГЛ). Первый подтип (H7N7, equi-1), представленный прототипным штаммом A/equine/1/Prague/56, который впервые выделен в Чехословакии в 1956 году, менее вирулентный. Вспышки заболевания, вызванные им, не регистрируются с 1979 года. Второй подтип ВГЛ (H3N8, equi-2) циркулирует в большинстве стран мира, кроме Австралии, Новой Зеландии и Исландии, вызывая энзоотии в Америке и Европе (R. Paillot, 2014; B. Cowled с соавт., 2009; C.O. Perglione с соавт, 2016; A.I. Kydyrmanov с соавт., 2009). Вакцинация против гриппа лошадей, наряду с карантинными и ограничительными мерами, служит одним из основных инструментов по контролю заболевания (S.S...
Бесплатно
Взаимодействие растений с наночастицами благородных металлов
Статья обзорная
Золотые и серебряные наночастицы находят применение в разнообразной биомедицинской практике в качестве носителей лекарственных веществ, усилителей и (или) преобразователей оптического сигнала, иммуномаркеров и др. В обзоре систематизированы результаты публикаций последних лет (2007-2016 годы), демонстрирующие разнообразные итоги воздействия наночастиц золота и серебра на состояние, рост и продуктивность высших растений. Возможная фитотоксичность этих наночастиц активно изучается фактически не более 10 лет. Актуальность подобных исследований связана с установлением целого ряда факторов природного и техногенного характера, приводящих к взаимодействиям растений с наночастицами (B.P. Colman с соавт., 2013; N.G. Khlebtsov с соавт., 2011). О положительном или отрицательном влиянии наночастиц на клетки растений и растительный организм известно очень немного, и эти данные весьма противоречивы (P. Manchikanti с соавт., 2010; M. Carrière с соавт., 2012; C. Remédios с соавт., 2012; N. Zuverza-Mena с соавт., 2016), но не вызывает сомнений, что химическая природа, размер, форма, поверхностный заряд и вводимая доза относятся к основным факторам, обусловливающим процессы внутриклеточного проникновения наночастиц. Объектами наблюдений были как модельные (арабидопсис), так и культурные (соя, рапс, бобы, рис, редька, томаты, тыква) растения. Показано, что наночастицы серебра токсичнее наночастиц золота, что обусловлено более активной диффузией ионов серебра с их поверхности. Известно, что ионы серебра эффективно ингибируют биосинтез этилена, регулирующего в растении процессы при стрессе, старении (созревании) и др., в то время как ионы золота не влияют на биосинтез и сигналинг этого фитогормона. В целом токсичность ионов металлов заметно превосходит таковую у наночастиц. Механизм фитотоксического действия наночастиц зачастую связывают с накоплением в тканях растения активных форм кислорода. Перспективным подходом при продолжении исследований представляется использование суспензионных культур клеток (E. Planchet с соавт., 2015). Таким образом, проблема фитотоксичности наночастиц далека от убедительного решения. Срок, в течение которого эти исследования проводятся, по-видимому, еще мал для того, чтобы все аспекты проблемы были выяснены так, как того требуют принципы биобезопасности. Противоречивые (зачастую противоположные) данные о влиянии наночастиц золота и серебра на растения объясняются, на наш взгляд, различиями в условиях экспериментов (неодинаковые размеры и заряды наночастиц, вводимые дозы, длительность наблюдения и др.). Однако полученные результаты с очевидностью выявляют необходимость скоординированной программы исследований для установления корреляций между параметрами частиц, дизайном эксперимента и наблюдаемыми биологическими эффектами.
Бесплатно
Влияние освещения на время яйцекладки и качество куриных яиц (обзор)
Статья обзорная
Яйцекладка - сложный процесс, в котором время яйцекладки (ВЯ), цикл яйцекладки (ЦЯ) и интервал яйцекладки (ИЯ) взаимообусловлены (B.G. Roy с соавт. 2014). Настоящий обзор посвящен оценке влияния освещения на время яйцекладки и его связи с показателями качества яиц и продуктивностью кур ( Gallus gallus domsticus L.). ВЯ напрямую сопряжено со временем овуляции, которое, в свою очередь, зависит от времени пикового выброса лютеинизирующего гормона в кровь передним отделом гипофиза (S.C. Wilson с соавт., 1984). В стандартных 24-часовых свето-темновых циклах при однократном чередовании света и темноты яйцекладка происходит в основном за световой период (F. Noddegaard, 1998; Г.А. Кирдяшкина с соавт. 2009), а при режимах прерывистого освещения ассиметричного типа - в течение «субъективного дня» (P.D. Lewis с соавт., 1990; А.Ш. Кавтарашвили с соавт. 2002; А.Ш. Кавтарашвили, 2007). Снесение большей части яиц от суточного сбора происходит примерно через 5-6 ч после включения света (A.H. Zakaria, 2005), что соответствует среднему ВЯ через 13-15 ч после наступления темноты (K. Lillpers, 1991; P.H. Patterson, 1997; R.J. Etches, 1990; А.Ш. Кавтарашвили с соавт., 2019). Среднее ВЯ определяется в результате сложного взаимодействия сигналов времени «рассвета» и «заката» при превалирующем влиянии последнего (S.S. Liou с соавт., 1987; B.M. Bhati, с соавт., 1988). Увеличение продолжительности свето-темнового цикла на 1 ч (в циклах 24-30 ч) при одинаковой продолжительности фотопериода приводит к сокращению среднего ВЯ на 1,89-1,90 ч. Удлинение же продолжительности темнового периода на 1 ч внутри каждого цикла сдвигает ВЯ на 0,26-0,27 ч в сторону «заката». ВЯ влияет на качество яиц. Так, масса яиц, снесенных утром, выше, чем снесенных в более поздний период (E. Tůmová с соавт., 2010; M. Akif Boz с соавт., 2014; S. Samiullah с соавт., 2016; A.J. Kryeziu с соавт., 2011). В одних исследованиях (R.H. Harms, 1991; E. Tůmová с соавт., 2009) масса, толщина и прочность скорлупы были лучше у утренних яиц, в других (E. Tůmová с соавт., 2005, 2007; A.J. Kryeziu с соавт., 2011; C. Hrnčár с соавт., 2013) - в середине дня. У утренних яиц выше интенсивность коричневой окраски (S. Samiullah с соавт., 2016; A.J. Kryeziu с соавт. 2011) и содержание кальция в скорлупе (E. Tůmová с соавт. 2014), но ниже содержание холестерина (на 22,8 %) (E. Tůmová с соавт., 2008; M.A. Abdalla с соавт. 2018), фосфора и магния (E. Tůmová с соавт. 2014), чем у полуденных яиц. Куры, характеризующиеся ранней по времени яйцекладкой, имеют более длинный ЦЯ и более продуктивны по сравнению с теми, которые несутся в более позднее время дня. Величина коэффициента наследуемости (h2) ВЯ находится в диапазоне от 0,38 до 0,78 (K. Lillpers, 1991). Существует положительная коррелятивная связь ( r = 0,54) между продолжительностью ЦЯ и яйценоскостью (M. Bednarczyk с соавт., 2000; P. Miandmients с соавт., 1993). В связи с вышеизложенным целесообразно и перспективно включать показатель среднего ВЯ и длины ЦЯ в программу селекции по улучшению яичных и мясных кроссов. Кроме того, оптимизация ВЯ позволит рационализировать сбор яиц и улучшить их качества на птицефабриках. Влияние освещения на ВЯ и качество яиц изучалось в основном при постоянном освещении. Необходимы углубленные исследования в условиях прерывистого светового дня как при индивидуальном (с учетом порядкового номера яиц в ЦЯ), так и при групповом содержании кур.
Бесплатно
Гемадсорбция при африканской чуме свиней
Статья обзорная
Свойство вызывать гемадсорбцию при репродукции вируса африканской чумы свиней (АЧС) в культурах клеток костного мозга свиньи (КМС), лейкоцитов свиньи (ЛС) или перевиваемых клеток в присутствии эритроцитов свиньи характерно для большинства его изолятов (W.A. Malmquist, D. Hay, 1960). Это используется в диагностике болезни по аутогемадсорбции в крови свиней, при титровании вируса в культурах клеток, селекции аттенуированных вариантов в лабораторных условиях (А.Д. Середа с соавт., 2014). Реакция задержки гемадсорбции (РЗГАд) вместе с биопробой на иммунных свиньях применяется для классификации изолятов вируса АЧС по сероиммунотипам (Н.И. Митин с соавт., 1985). Оценка гетерогенности популяции вируса АЧС по количественной гемадсорбции («плотная», «промежуточная», «рыхлая») используется в качестве фенотипического признака изолятов, штаммов и вариантов вируса АЧС (V. Makarov с соавт., 2016). Еще один измеряемый количественно признак при гемадсорбции - доля окружности эритроцитов при их контактах с зараженными макрофагами. Установлены количественные различия сывороток крови свиней по активности в РЗГАд при постановке реакции с референтными вирулентными и полученными из них аттенуированными вариантами. Эти результаты ждут своего объяснения. Потеря способности индуцировать гемадсорбцию не критична для репродукции вируса АЧС, но часто сопровождается снижением вирулентности возбудителя. Поэтому аттенуированные варианты вируса АЧС получают, как правило, посредством селекции предельными разведениями из популяций вирулентных изолятов, выделенных из клонов с пониженной способностью к гемадсорбции (Д.В. Колбасов с соавт., 2014). При репродукции вируса развитие гемадсорбции предшествует его экзоцитозу. Вирионы не играют существенной роли в механизме гемадсорбции, однако их взаимодействие с мембраной эритроцитов помогает диссеминации вируса по организму свиней и более эффективному проникновению в клетки кишечника клещей (L.K. Dixon и соавт., 2004). Гемадсорбирующие свойства вируса АЧС определяются его трансмембранным высокогликозилированным белком CD2v (J.M. Rodríguez с соавт., 1993). Возникновение негемадсорбирующих авирулентных изолятов, вероятно, происходит в результате сдвига открытой рамки считывания (ORF) в генах EP402R и EP153R, кодирующих соответственно CD2v и лектиноподобный белок (D.A. Chapman с соавт., 2008). Высказано предположение, что гемадсорбция обусловлена взаимодействием углеводных остатков олигосахаридов гликопротеинов вируса АЧС с лектиноподобным рецептором эритроцитов свиньи.
Бесплатно
Статья обзорная
За последние годы генная инженерия стала одним из методов генетического улучшения возделываемых растений, в том числе эффективным инструментом изменения состава запасных белков зерна у злаковых культур - основного источника продуктов питания для человека. В обзоре описаны разные подходы, используемые в этих исследованиях, а именно введение генетических конструкций, которые обеспечивают синтез белков, отсутствующих у сорта-реципиента; индуцируют РНК-сайленсинг генов, кодирующих белки с низкой питательной ценностью; регулируют пул аминокислот в эндосперме зерновки. Рассматриваются работы, в которых сообщается о введении дополнительных генов высокомолекулярных глютенинов ( 1Dx5, 1Ax1, 1Bx17, 1By18, 1Dy10 и др.) в геномы различных линий и сортов мягкой пшеницы. В этих работах были созданы трансгенные линии с улучшенными хлебопекарными свойствами зерна (повышенная сила муки и эластичность теста). Помимо прикладного значения, такие исследования позволяют понять роль отдельных генов высоко- и низкомолекулярных глютенинов в формировании признаков качества муки. Приводятся примеры получения безмаркерных трансгенных линий пшеницы, экспрессирующих гены 1Dy10 и 1Bx14, а также переноса генов высокомолекулярных глютенинов в геномы других злаковых культур - ржи, кукурузы, сорго. Обсуждаются возможности использования РНК-интерференции для получения информации о механизмах образования белковых телец, стекловидного эндосперма, а также роли различных классов проламинов и глютенинов в технологических свойствах муки и теста. Приводятся примеры создания трансгенной кукурузы с улучшенной питательной ценностью посредством РНК-сайленсинга генов зеинов, подавление синтеза которых ведет к накоплению других белков с более высоким содержанием лизина и триптофана, трансгенного сорго с улучшенной переваримостью белков за счет сайленсинга гена g-кафи-рина (белка, образующего поверхностный слой белковых телец, устойчивого к действию пепсина), трансгенной пшеницы с подавленным синтезом глиадинов, мука которой обладает низкой токсичностью для людей, подверженных целиакии и вынужденных соблюдать безглютениновую диету. Приводится пример природного РНК-сайленсинга: у мутанта риса со сниженным уровнем глютелина в локусе Lgc1 обнаружена делеция между двумя кодирующими последовательностями, одна из которых имеет инвертированную ориентацию. Описываются генно-инженерные подходы для повышения содержания лизина: введение нечувствительных к ретроингибированию генов дигидропиколин-синтазы (DHPS) и аспартаткиназы, усиливающих синтез лизина; подавление экспрессии гена zlkr / sdh, регулирующего его катаболизм; введение генов, контролирующих синтез белков с высоким содержанием лизина (гистонов и др.). Обсуждаются перспективы использования генно-инженер-ных методов создания сортов с улучшенной питательной ценностью зерна, которые связаны с применением безмаркерных технологий, повышением точности встраивания генетических конструкций, применением методов редактирования генома с помощью искусственно сконструированных нуклеаз.
Бесплатно
Статья обзорная
Поступления из Средиземноморского региона в коллекции генетических ресурсов зернобобовых ВИР составляют 12 % от ее объема. Пятая часть поступлений (1262) - образцы, собранные Н.И. Вавиловым в 1926-1927 годах в его экспедиции по этому богатейшему флористическому региону. Имеются также сборы П.М. Жуковского, В.Ф. Дорофеева, К.З. Будина и других коллекторов из ВИР. Многие образцы получены по выписке или в результате обмена с селекционными учреждениями стран Средиземноморского побережья и генбанками мира. В Средиземноморье - одной из «горячих точек» мирового биоразнообразия находится один из центров происхождения культурных растений, в том числе некоторых экономически значимых видов зернобобовых. Ценность гермоплазмы из этого региона определяется тем, что здесь произрастает множество эндемичных видов как культивируемых, так и диких родичей зернобобовых культур, введено в культуру множество видов зернобобовых (в том числе бобы, вигна, вика, люпин, нут, чечевица, чина), интродуцированы и стали неотъемлемой частью сельскохозяйственного производства фасоль и соя. В статье обсуждается ботаническое и генетическое разнообразие более 5,5 тыс. образцов средиземноморского происхождения, сохраняемых в коллекции ВИР, с историей их поступлений. Согласно открытой Н.И. Вавиловым закономерности в географическом распределении признаков гермоплазма из Средиземноморья фенотипически дифференцирована в зависимости от места происхождения. Образцы, возделываемые в странах западного и северного Средиземноморья, в течение многих веков подвергались тщательному отбору, культивировались на плодородных почвах, в условиях мягкого климата и в большинстве своем характеризуются мощным габитусом, крупными плодами и семенами. В засушливых условиях южной и восточной частей средиземноморского бассейна произрастают скороспелые растения, адаптированные к засухе и жаре (Н.И. Вавилов, 1962). Это открытие Н.И. Вавилова лежит в основе адресного (соответствующего эколого-географическим условиям) предоставления исходного материала из коллекции ВИР для региональных селекционных программ. В статье впервые приведены сведения об особенностях Средиземноморского генофонда каждой сохраняемой в коллекции зернобобовой культуры. Поступления дифференцированы в зависимости от значения представителей рода (вида) или культуры в сельскохозяйственном производстве Средиземноморского региона. В коллекции гороха, сои, фасоли поступали преимущественно сорта научной селекции. Пополнение коллекций люпина, вигны, нута, бобов, чины, вики осуществлялось в основном местными сортами. По отдельным родам (вика, чина, люпин) в коллекцию включены многочисленные виды дикорастущих родичей культур. По всем культурам приведены примеры источников аллелей генов ценных признаков для селекции, выявленные в результате многолетнего изучения коллекции ВИР. Представлены примеры использования Средиземноморского генофонда в создании отечественных и зарубежных сортов.
Бесплатно
Дефензины растений: биологическая роль, механизмы действия и методы анализа
Статья обзорная
Одной из актуальных проблем современного сельского хозяйства остается потеря урожая вследствие различных биотических и абиотических факторов. У растений существует многокомпонентная система защиты, включающая создание защитных барьеров, активацию реакции гиперчувствительности и синтез антимикробных пептидов, которые представляют собой низкомолекулярные соединения, проявляющие широкий спектр активности против грибов, бактерий и вирусов. К антимикробным пептидам растений относятся несколько групп соединений, в том числе дефензины - богатые цистеином пептиды, состоящие из 45-54 аминокислот. По-видимому, это один из наиболее распространенных классов антимикробных пептидов, которые участвуют в различных защитных реакциях и обнаруживаются у всех живых существ (B.P. Thomma с соавт., 2002). Гены растительных дефензинов экспрессируются в разных органах растений, где их белковые продукты необходимы при биотическом и абиотическом стрессах, то есть эти пептиды крайне важны с точки зрения селекции сортов, устойчивых к патогенам и абиотическим стрессам. Дефензины характеризуются сильной вариабельностью последовательностей, что, вероятно, коррелирует с разнообразием механизмов действия этих пептидов, способных как проникать внутрь клетки патогена, так и индуцировать гибель клетки, оставаясь на ее поверхности (T.M. Shafee с соавт., 2016). Большинство растительных дефензинов обладают антифунгальной, некоторые - антибактериальной активностью, которая может сочетаться с антимикотическими свойствами. Для небольшого числа дефензинов показано участие в обеспечении устойчивости к тяжелым металлам, холодовому стрессу, засухе, засолению и в процессах онтогенеза. Современные методические подходы позволяют проводить эффективный поиск новых форм активности дефензинов, исследуя дикорастущие немодельные растительные объекты. Интенсивное изучение их транскриптомов стало возможным с развитием секвенирования следующего поколения (Next Generation Sequencing). Для корректного аннотирования последовательностей высоковариабельных пептидов небольшого размера в пределах семейства необходимо применять специальные программы, в частности SPADA (Small Peptide Alignment Discovery Application), алгоритм работы которой заключается в проведении множественного выравнивания последовательностей известных представителей генного семейства и построении предсказательной модели для поиска новых членов этого семейства (P. Zhou с соавт., 2013). При анализе большого числа генов, кодирующих дефензины, предсказание активности вновь выявляемых дефензинов и обнаружение консервативных аминокислот также возможно с использованием методов вычислительной биологии. Подход, основанный на множественном выравнивании последовательностей и кластерном анализе, позволяет разделить дефензины на группы со сходной функциональной активностью (N.L. van der Weerden с соавт., 2013). Таким образом, сочетание современных методов молекулярной и вычислительной биологии существенно повышает эффективность изучения этой группы защитных белков.
Бесплатно
Статья обзорная
Жирнохвостые овцы, на долю которых приходится 25 % мировой популяции овец, широко распространены в странах Африки, Азии (A. Davidson, 1999), на Ближнем Востоке (S.P. Alves c соавт., 2013), а также в России (И.М. Дунин с соавт., 2013). Курдючный овечий жир был важным ингредиентом национальной кухни у многих этнических групп (С. Perry, 1995; A. Hajihosseinlo с соавт., 2015). В настоящее время растет спрос на постную пищу и снижение потребления жира, в связи с чем преимущества повышенного жироотложения в области хвостов у овец теряют значимость для производства продуктов питания (A. Nejati-Javaremi c соавт., 2007; M. Moradi c соавт., 2012). Развитие технологий геномного редактирования (N.A. Zinovieva с соавт., 2018) делает актуальным поиск генов, обусловливающих фенотип жирного хвоста, для их последующего нокаута при сохранении других ценных свойств жирнохвостых пород. В настоящем обзоре обобщены результаты исследований по идентификации генов-кандидатов, ассоциированных с признаком жирного хвоста. Для идентификации генов-кандидатов используются различные методы: поиск локусов под давлением селекции (signatures of selection) на основе расчета различий в частотах аллелей (значения Fst) или гаплотипов между популяциями (метод hapFLK) (M.H. Moradi c соавт., 2012; M.I. Fariello c соавт., 2013; C.M. Rochus c соавт., 2018); полногеномные ассоциативные исследования (genome-wide association study, GWAS), для проведения которых необходимо создать базу фенотипической вариабельности изучаемого признака (S.S. Xu c соавт., 2017); анализ вариации числа копий (copy number variation, CNV), способных изменять экспрессию генов из-за делеции или дублирования генов в регионах вариации (C. Zhu c соавт., 2016; Q. Ma c соавт., 2017; V. Bhanuprakash c соавт., 2018); изучение экспрессии генов с помощью технологии RNA-seq (RNA sequencing), основанной на транскриптомном анализе с использованием технологии секвенирования нового поколения (next generation sequencing, NGS) (W.A. Hoeijmakers, 2013). Суммируя результаты исследований, можно выделить наиболее значимые гены-кандидаты, ассоциированные с депонированием жира в хвостовой области у овец: BMP2 и VRTN (Z. Yuan c соавт., 2017; S. Mastrangelo c соавт., 2018; Z. Pan c соавт., 2019); PDGFD (C. Wei c соавт., 2015; S. Mastrangelo c соавт., 2018); гены семейства Homeobox (D. Kang c соавт., 2017; A.A. Yurchenko c соавт., 2019; A. Ahbara c соавт., 2019); SP9 (Z. Yuan c соавт., 2017; D. Kang c соавт., 2017); WDR92 и ETAA1 (Z. Yuan c соавт., 2017; L. Ma c соавт., 2018); CREB1 (S.S. Xu c соавт., 2017; L. Ma c соавт., 2018); FABP4 (M.R. Bakhtiarizadeh c соавт. 2013; B. Li c соавт., 2018); PPARA, RXRA, KLF11, ADD1, FASN, PPP1CA и PDGFA (C. Zhu c соавт., 2016; Q. Ma c соавт., 2017). Для поиска генов-кандидатов, вовлеченных в формирование жирного хвоста у российских пород, и последующего проведения полногеномных ассоциативных исследований заложена ресурсная популяция овец, полученная от скрещивания длинножирнохвостой карачаевской и короткотощехвостой романовской пород (ФНЦ животноводства - ВИЖ им. академика Л.К. Эрнста).
Бесплатно
Статья обзорная
Тритикале (× Triticosecale Wittmack) - новая сельскохозяйственная культура, объединяющая в себе ценные свойства пшеницы и ржи. К преимуществам тритикале относятся способность произрастать на бедных, кислых, подтопляемых почвах, более высокое, чем у пшеницы, содержание белка в зерне, устойчивость ко многим грибным заболеваниям. Недостатки тритикале - щуплость зерна, склонность к прорастанию зерна на корню, полеганию, некоторая токсичность зерна вследствие содержания алкилрезорцинолов, а также более длительный по сравнению с родительскими формами вегетационный период. Из всех групп генов наибольшее влияние на продолжительность вегетационного периода злаковых культур оказывают Vrn (response to vernalization, реакция на яровизацию). Яровые растения имеют один или несколько доминантных генов Vrn , у озимых все гены vrn рецессивные. Мягкая пшеница может иметь гены Vrn-A1 , Vrn-B1 , Vrn-D1 , расположенные соответственно в хромосомах 5AL, 5BL, 5DL (A.J. Worland, 1996), ген Vrn-D4 в околоцентромерном районе хромосомы 5D (N...
Бесплатно
Микробное сообщество почвы: физиологическое разнообразие и методы исследования
Статья обзорная
Исследование таксономического и функционального разнообразия ассоциации почвенных микроорганизмов имеет исключительно большое теоретическое значение для понимания структуры микробного сообщества почвы, характера взаимодействия отдельных видов микроорганизмов, входящих в это сообщество, а также их участия в процессах почвообразования и круговороте веществ. В настоящей статье дается краткая история представлений о функционировании микробного комплекса почвы, обеспечивающего трансформацию и минерализацию органического вещества в процессах почвообразования. Почва как среда обитания микроорганизмов гетерогенна и гетерофазна, что определяет микрозональный характер распределения и жизнедеятельности микроорганизмов, обитающих в ней. Структура ассоциации микроорганизмов и ее физиологические параметры изменяются во времени и пространстве, подвержены значительному влиянию природных и антропогенных факторов (Д.Г. Звягинцев, 1987), что вызывает методические трудности и определяет значительную вариабельность результатов при оценке почвенной микрофлоры в работах разных авторов. В настоящем обзоре обсуждаются методические подходы при определении физиологического разнообразия ассоциации почвенных микроорганизмов. Традиционные методы применения элективных питательных сред на протяжении столетия позволили выявить многочисленные физиологические группы микроорганизмов и составить представление об их роли в круговороте веществ, процессах почвообразования и питании растений. Однако за последние 20 лет подобные работы практически не дали ничего принципиально нового как в экологических исследованиях, так и в агрономии. В конце 1990-х годов для изучения физиологического разнообразия были предложена методика анализа спектра потребления органических субстратов (СПС) природной ассоциацией микроорганизмов на базе системы BIOLOG, используемой ранее главным образом в медицинской и общей микробиологии для характеристики исследуемого штамма (J.L. Garland, A.L. Mills, 1991). Такой подход получил дальнейшее развитие (H. Insam, 1997; М.В. Горленко, П.А. Кожевин, 2005 и др.). Разработаны модификации этого метода (EсoPlates, Эколог и др.), различающиеся по набору органических субстратов, которые, как полагают авторы, с наибольшей вероятностью присутствуют в природных средах. Приборное обеспечение системы Эколог (М.В. Горленко, П.А. Кожевин, 2005) позволяет определить не только спектр используемых микроорганизмами органических субстратов, но и дать количественную оценку потребления каждого из них. Для обработки и интерпретации значительного объема информации, получаемой при анализе почвенных образцов, предложен аппарат многомерной математической статистики, рангового распределения, кластерный анализ, а также экологические индексы Шеннона и Пиелу. Метод СПС (мультисубстратное тестирования) имеет высокую производительность, хорошую разрешающую способность (104), удовлетворительную воспроизводимость и служит высокотехнологичным и эффективным инструментом оценки физиологического разнообразия. В статье рассматриваются положительные и отрицательные стороны метода. СПС отражает в той или иной степени потенциал аэробной почвенной микрофлоры, использующей низкомолекулярные органические соединения в процессах катаболизма. Однако наличие нескольких модификаций системы, а также вопросы технического характера служат причиной того, что затруднено сопоставление результатов, полученных разными авторами, отсутствует унифицированный протокол анализа СПС, который требуется для выполнения сравнительных экологических исследований и создания соответствующих национальных и международных баз данных. Таким образом, система анализа спектра потребления органических субстратов находится в состоянии развития и апробации и с накоплением экспериментальных данных и их критического анализа имеет хорошие перспективы для использования в области экологии почвы, изучения взаимоотношения микроорганизмов и растений, а также оценки действия антропогенных факторов.
Бесплатно
Статья обзорная
Аскомицетные рода Fusarium, выделенного в качестве отдельной таксономической группы в 1809 году Генрихом Фридрихом Линком (Heinrich Friedrich Link), распространены по всему миру и занимают различные экологические ниши. Их обнаруживают в почве и растениях в качестве эндофитов, сапротрофов либо паразитов. Заболевания сельскохозяйственных культур, вызванные представителями рода Fusarium, ежегодно наносят существенный ущерб, выражаемый сотнями миллионов долларов. Помимо снижения урожая и ухудшения его качества, опасность заражения культурных растений возбудителями фузариоза обусловлена их способностью продуцировать токсические метаболиты (фузариотоксины). В 1930-1940-х годах потребление перезимовавшего в поле зерна, содержащего фузариотоксины, привело к гибели десятков тысяч людей в Поволжье и на Урале. Приведенные факты делают необходимым тщательное изучение морфологии, биохимии и генетики этих организмов. На сегодняшний день не существует универсальной таксономической системы рода Fusarium, поэтому во многих случаях идентифицировать штамм с точностью до вида затруднительно. Высокая изменчивость морфологических структур с одной стороны, и их сходство у близкородственных видов - с другой, создают огромные проблемы для исследователей, использующих классические методы идентификации и систематизации представителей этой группы. Все более важную роль в изучении разнообразия представителей рода Fusarium играют методы, основанные на применении ДНК-маркеров, позволяющие идентифицировать вид по характерной последовательности нуклеотидов его ДНК. Применение такого подхода дало возможность выявить целый ряд новых видов в составе рода. Так, в исследованиях Т. Yli-Mattila с соавт. (2009, 2011) использование мультилокусного филогенетического анализа позволило выделить в качестве новых видов F. sibiricum и F. ussurianum, которые были обнаружены в Сибири и на Дальнем Востоке и морфологически сходны соответственно с F. langsethiae и F. graminearum. Авторами настоящей статьи с помощью ДНК-маркеров впервые на территории России идентифицирован вид F. torulosum, морфологически сходный с F. avenaceum. Не менее важно и то, что анализ меж- и внутривидового полиморфизма ДНК делает возможным создание высокоспецифичных систем молекулярной детекции грибов рода Fusarium, в том числе поражающих растения и синтезирующих токсины. Использование таких систем, например описанных M. Nicolaisen с соавт. (2009) или A.A. Stakheev с соавт. (2011), позволяет не только своевременно обнаружить заражение растений продуцентами микотоксинов, но и количественно оценить их содержание в пробе. В то же время ряд проблем остаются нерешенными: в частности, до сих пор идут споры о наиболее информативном и корректно отражающем эволюционную историю рода маркере; кроме того, использование различных концепций вида (морфологической, биологической, филогенетической) усложняет задачу создания единой универсальной таксономической системы рода. В настоящем обзоре обсуждаются основные достижения и проблемы филогенетики рода Fusarium, и перспективы использования молекулярно-генетического подхода в исследовании этой группы организмов.
Бесплатно
Статья обзорная
Создание низкорослых (карликовых) форм зерновых культур, устойчивых к полеганию, привело к значительному повышению урожайности в 1960-1970-х годах и было одной из главных задач «зеленой революции», направленной на преобразования в сельском хозяйстве развивающихся стран (G.S. Khush, 2001). В настоящее время признак карликовости широко используется в селекции. Помимо компактности и устойчивости к полеганию, карликовые формы эффективнее утилизируют питательные вещества и более устойчивы к болезням (К.У. Куркиев с соавт., 2006). В этой связи в последние годы возрастает интерес к изучению факторов, предопределяющих рост растений. Показано, что многие низкорослые сорта, участвовавшие в «зеленой революции», несли мутации в генах, ответственных за метаболизм или передачу сигнала фитогормона гиббереллина (ГА) (M. Ueguchi-Tanaka с соавт., 2001; T. Sakamoto с соавт., 2004). ГА вовлечены во многие этапы развития растения, в том числе прорастание семян, рост стеблей и корней (E. Tanimoto, 2012; P. Hedden, V. Sponsel, 2015). Однако изменения на различных этапах ГА-зависимых процессов могут приводить как к низкорослости, так и к высокому росту. Выявлению ключевых звеньев, целенаправленные изменения в которых приведут к созданию желаемых низкорослых форм, поможет только четкое схематичное понимание взаимодействия генетических и молекулярных механизмов, вовлеченных в ГА-контроль роста растений. В статье рассмотрены пути биосинтеза и деактивации гиббереллинов. Обсуждаются механизмы поддержания пула активных ГА. Среди известных к настоящему времени многочисленных ГA, продуцируемых растениями, физиологически активны только ГА1, ГА3, ГА4, ГА5 и ГА7. В продукцию этих активных гиббереллинов вовлечены ГА20-оксидазы и С3,β-оксидазы (или С3,β-гидроксилазы), катализирующие последние реакции биосинтетического пути. С2,β-оксидазы - основные ферменты, которые могут быстро инактивировать активные ГА посредством добавления к молекуле гидроксильной (-ОН) группы. Проанализированы современные представления о ГА-сигналинге, в который вовлечены рецептор гиббереллинов GID1, негативные регуляторы ГА-сигналинга DELLA-белки, SCF E3-убиквитин-протеин-лигаза и 26S-протеасома, транскрипционные факторы с ДНК-связывающим доменом, гиббереллин-регулируемые гены. Накопленные к настоящему времени данные дают основание предполагать, что в трансдукции гиббереллинового сигнала молекула ГА индуцирует деградацию репрессора DELLA через взаимодействие GID1-DELLA с убиквитин-протеин-лигазным комплексом E3 SCFSLY1/GID2 (T.-P. Sun, 2011). Таким образом, низкий рост может быть связан с нарушениями биосинтеза ГА или накоплением репрессоров ГА-сигналинга DELLA-белков, а высокий рост - с повреждением ферментов деактивации ГА или с потерей репрессивной функции DELLA-белков (H. Claeys c соавт., 2014). Обсуждается участие гиббереллина в сложной гормональной регуляции роста растений, которое часто реализуется посредством контроля репрессивной функции DELLA (P. Achard с соавт., 2003). Особое внимание уделяется характеристике мутаций генов, приводящих к изменению роста растений - карликовости или гигантизму.
Бесплатно
Получение авермектинов: биотехнологии и органический синтез
Статья обзорная
В предлагаемом обзоре проанализированы результаты исследований по различным аспектам совершенствования технологии получения авермектинов - 16-членных макроциклических лактонов, обладающих широким спектром противопаразитарного действия при высоком терапевтическом индексе и безвредности для млекопитающих (W.C. Campbell, 2012). Согласно опубликованным данным, уникальная способность авермектинов подавлять развитие насекомых, нематод и клещей связана с возможностью блокировать передачу нервного импульса в нервно-мышечном синапсе. Сущность этого механизма действия, приводящего к параличу и гибели паразитов, заключается в стимуляции выброса ионов хлора, деполяризации мембраны клеток и патологическом нарушении ее функций (A.J. Wolstenholme с соавт., 2016). Из известных 8 компонентов (А1a, А1b, А2а, А2b, B1a, B1b, В2a и В2b) авермектинового комплекса, продуцируемого микроорганизмом Streptomyces avermitilis , наиболее активны против возбудителей паразитозов авермектины группы В1 (S...
Бесплатно
Статья обзорная
В обзоре обсуждаются результаты исследований по влиянию цитокининов на развитие азотфиксирующих клубеньков у бобовых растений, а также молекулярные механизмы такого влияния и взаимодействия с компонентами сигнального каскада, активируемого индукторами клубенькообразования - бактериальными сигналами Nod-факторами. Позитивная роль цитокининов при клубенькообразовании была впервые показана в экспериментах с экзогенным 6-бензиламинопурином (6-БАП), добавление которого вызывало образование клубенькоподобных структур на корнях бобовых растений (K.R. Libbenga, P.A.A. Harkers, 1973). В пользу предположения об участии цитокининов в контроле клубенькообразования свидетельствовали и эксперименты по инокуляции бобовых растений бактериальными штаммами, дефектными по синтезу Nod-факторов, но выделяющими транс-зеатин (J.B. Cooper, S.R. Long, 1994). В результате у растений формировались клубенькоподобные структуры, в которых наблюдали индукцию экспрессии генов ранних нодулинов, специфичных для симбиоза. На современном этапе исследований выявление у бобовых растений мутантов по генам, кодирующим рецепторы к цитокининам, позволило подтвердить предположение о вовлечении цитокининов в контроль клубенькообразования. У мутантов Medicago truncatula с нарушением функции гена рецептора цитокинина CRE1 ( cytokinin response1 ) и Lotus japonicus с нарушением функции гена LHK1 ( Lotus histidine kinase1 ) наблюдалось подавление развития клубеньков (S. Gonzalez-Rizzo и соавт., 2006; J.D. Murray и соавт., 2007). При этом подавление восприимчивости растений к цитокининам влияло как на развитие инфекционных нитей, так и на формирование клубеньков. Напротив, усиление функции генов LHK1 и CRE1 у L. japonicus и M. truncatula c использованием генно-инженерных подходов, приводило к образованию клубенькоподобных структур (L. Tirichine и соавт., 2007; E. Ovchinnikova и соавт., 2011). В статье рассмотрены пути биосинтеза и активации цитокининов, а также особенности рецепции и распространения ответа. Накопление цитокининов при развитии симбиоза может происходить за счет индукции экспрессии генов, контролирующих биосинтез/акти-вацию этих гормонов, но молекулярные механизмы такой активации еще предстоит выяснить. Анализ показал, что цитокинины вовлекаются в передачу сигнала от Nod-фактора после стадии, контролируемой одним из ключевых регуляторов сигнального пути - кальций-кальмодулин-зависимой киназой. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что активация рецептора к цитокининам зависит от Nod-факторов. Экспрессия генов, кодирующих транскрипционные факторы NSP2, ERN1 и NIN, была значительно снижена у мутантов cre1 и lhk1. Это позволяет сделать вывод, что активация рецептора к цитокининам предшествует вовлечению этих транскрипционных факторов в передачу сигнала (L. Tirichine и соавт., 2007; J. Plet и соавт., 2011). Проведенный анализ показывает, что цитокинины участвуют в регуляции ранних стадий органогенеза и контроле инфекционного процесса, но они также могут быть вовлечены в контроль дифференцировки клубеньков. Помимо локального контроля клубенькообразования, цитокинины участвуют и в системном контроле - в авторегуляции клубенькообразования. Таким образом, цитокинины могут играть различную роль в клубенькообразовании, в зависимости от времени и места их активации.
Бесплатно
Трансгенная птица - создание и области применения (обзор)
Статья обзорная
Технологии трансгенеза в птицеводстве могут быть направлены на улучшение качественных и количественных характеристик продукции (Л.Г. Коршунова, 2011), создание птицы, генетически устойчивой к инфекционным заболеваниям и продуцирующей с яйцом рекомбинантные белки различного назначения (D. Cao с соавт., 2015). Для получения трансгенных животных чаще всего прибегают к микроинъекции ДНК в зиготы. Однако особенности размножения птиц создают серьезные проблемы для исследователей. Курица образует в сутки одну оплодотворенную яйцеклетку, которая очень велика и нежна для каких-либо манипуляций с ней. Для нормального эмбрионального развития ей необходимы третичные оболочки - белковая, подскорлупные и скорлупа. Дробление куриной яйцеклетки начинается уже в белковом отделе яйцевода, а в свежеснесенном яйце имеется 50-60 тыс. клеток. Первая трансгенная птица была получена с помощью ретровирусных векторов. В нормальных условиях ретровирусы сами включаются в геномную ДНК хозяина и реплицируются. На сегодняшний день трансгенные куры и перепела получены посредством ретровирусного (D.W. Salter с соавт., 1989; R.A. Bosselman с соавт., 1989; L.B. Crittenden с соавт., 1992) и лентивирусного трансгенеза (H.A. Kaleri с соавт., 2011; A.H. Seidl с соавт., 2013; Н.А. Волкова с соавт., 2015). Эффективные технологии модификации генома кур и перепелов продолжают разрабатываться. К ним относят метод ZFNs (zinc finger nucleases), TALENs (transcription activator-like effector nucleases) (T.S. Park с соавт., 2014), CRISPR/Cas9 (I. Oishi с соавт., 2016; Q. Zuo с соавт., 2016). Технология CRISPR/Cas9 позволяет достичь дальнейшего прогресса в генетических манипуляциях с птицей и создания линий с отредактированным геномом (N. Veron с соавт., 2015). Птичьи эмбрионы, главным образом эмбрионы курицы ( Gallus gallus domesticus ) и перепела ( Coturnix japonica ), более века служили моделью в эмбриологических исследованиях позвоночных. Современные целенаправленные генные манипуляции на эмбрионе цыпленка как модели in vivo стали возможны благодаря системе редактирования CRISPR/Cas9 (V. Morin с соавт., 2017). К другим методам создания трансгенных птиц относится получение химер при подсадке в эмбрионы чужих эмбриональных клеток в качестве переносчиков чужеродной ДНК (J.N. Petitte с соавт., 1990; J.Y. Han с соавт., 2017; Н.А. Волкова с соавт., 2017). Трансгенез с использованием сперматозоидов для доставки в зиготу инородного генетического материала представляется весьма заманчивым, поскольку искусственное осеменение широко используется в птицеводстве (E. Harel-Markowitz с соавт., 2009; А.В. Самойлов с соавт., 2013). Использование спермиев для переноса чужеродной ДНК в яйцеклетки птиц в сочетании с технологией CRISPR/Cas9 позволит значительно сократить время и ресурсы, затрачиваемые на создание трансгенных особей с целевым изменением генотипа в первом поколении, что открывает новые возможности для селекции (C.A. Cooper с соавт., 2017). Классической технологией безвирусного трансгенеза остается микроинъекция ДНК в зиготу. Метод включает прямую инъекцию генной конструкции в цитоплазму свежеоплодотворенной яйцеклетки курицы с последующей инкубацией до вылупления. Яйцеклетка для инъекции должна быть получена сразу после оплодотворения, следовательно, ее движение вниз по яйцеводу прерывается. Далее используется специально разработанная система культивирования (C. Mather, 1994). Другой вариант микроинъекций ДНК в яйцеклетку птиц предусматривает образование ее третичных оболочек естественным образом в половых путях птицы. В основе метода лежит хирургическая операция, которая обеспечивает доступ к яйцеклетке, инъекцию в нее ДНК и имплантацию обратно в яйцевод для формирования полноценного инкубационного яйца (Р.В. Карапетян, 1995). Так были созданы трансгенные куры и перепела с различными генными конструкциями (Р.В. Карапетян, 1996; Л.Г. Коршунова с соавт., 2013).
Бесплатно
