ЭЛЕКТРОФОРЕЗ БЕЛКОВ СЕМЯН И СЕЛЕКЦИЯ

Химики давно обнаружили, что растворенные белки, помещенные в электрическое поле, начинают передвигаться до тех пор, пока собственный заряд белковых молекул и некоторые другие их физические свойства не приведут к остановке этого движения. Разные белки будут мигрировать на различное расстояние, и, подвергая смесь белков разгонке в определенном электрическом поле (электрофорез — как называют этот метод), можно добиться разделения смеси белков на отдельные составляющие. В 1959 году американские исследователи Р. Джонс, Н. Тэйлор и Ф. Сенти использовали метод электрофореза для анализа растворимых в спирте белков зерен пшеницы (они называются запасными) и доказали, что эти белки представляют собой смесь молекул с различной электрофор-тической подвижностью, что позволит определить их происхождение.

Другое направление исследований электрофореза запасных белков семян злаковых культур, также оказавшееся важным для селекционных целей. В генетике твердо установлено, что каждый

[smszamok]

индивидуальный белок синтезируется под контролем определенного гена (в каждой хромосоме может последовательно располагаться друг за другом несколько тысяч генов). Это правило справедливо и в отношении запасных белков семян злаковых культур — пшеницы, ржи, ячменя, овса. Первый вопрос, который интересовал одесских ученых, касался как раз связи генов запасных белков и хромосом. Как располагаются эти гены в хромосомах? Лежат Начав разбираться в этом хитросплетении причин и следствий, Кенефик обнаружил важную особенность холодостойких форм ячменя. Копии генов у них образовывались нормально, то есть синтез информационных РНК шел так же, как и у чувствительных к холоду форм.

Но дойти до рибосом эти и-РНК не успевали. В клетках ячменя, устойчивых к холоду, образовывались особые ферменты, так называемые рибонуклеазы, которые разрушали молекулы и-РНК, как только они синтезировались. Не получая новых матриц для синтеза белков, растения притормаживали свой обмен, как бы впадали в спячку, и в таком заторможенном состоянии переживали холод. В то же время у неустойчивых к холоду форм ячменя нужного вида ри-бонуклеаз не оказывалось, поэтому распада и-РНК не происходило, общий обмен, и в особенности синтез белков на холоде, даже усиливался. Растение быстро растрачивало энергетические запасы и погибало.

Выяснив причину гибели растений ячменя, Кенефик перешел к чисто селекционным экспериментам. Он запросил у селекционных станций, расположенных во всех штатах США, наиболее холодостойкие формы ячменя. Проверил их уровень синтеза на холоде соответствующих рибонук-леаз и, найдя формы с активными рибону-клеазами, дал рекомендации селекционерам для скрещивания наиболее холодостойких форм.

Зеленой революцией назвали переворот в урожайности пшениц, ставший возможным благодаря выведению в 1968 году мексиканским генетиком и селекционером Норманом Борлаогом новых высокоурожайных и полукарликовых сортов пшеницы-Сорта Борлаога отличались способностью тем больше увеличивать урожай, чем больше удобрений вносили на поля, Это сорта так называемого интенсивного типа. Борлаог — пока единственный селекционер, получивший Нобелевскую премию мира. Вторая отличительная особенность — гигантский колос на коротком стебле. Питательные вещества, синтезируемые растениями, не расходуются на рост соломины, а в основном перекочевывают в колос. Карликовость пшениц —важнейшая первопричина повышенной урожайности. Задолго до экспериментов мексиканского ученого один офицер английских войск, расквартированных в Индии, нашел случайно низкорослую пшеницу и высеял ее у себя дома. Эту карликовую форму Борлаог и использовал при своих скрещиваниях с длинностебельными сортами,

Карликовые формы использовал не только Борлаог. Выдающийся селекционер академик Павел Пантеяеймоноеич Лукьяненко также широко пользовался карликами и создавал новые сорта низкорослых пшениц. И надо сказать, что сорта Лукьяненко, так же как пшеницы некоторых других советских селекционеров, не уступают в урожайности сортам Борлаога.

Какие процессы на молекулярном уровне характеризуют растения-карлики? Физиологи, изучая механизмы роста и развития растений, открыли соединения, контролирующие эти процессы (кстати, уместно упомянуть, что первым обнаружил ростовые гормоны выдающийся русский ученый Н. Г. Холодный). Ростовые гормоны в соответствующей концентрации могут резко усиливать процессы роста. К исследованиям физиологов растений подключились биохимики. Их интересовал уже не конечный результат — ускорение роста и развития, а молекулярная расшифровка этого процесса. Что является побудительной причиной ускоренного роста? Таких причин было несколько, остановимся на главной. Важнейшим фактором, лимитирующим рост, является наличие в клетках доступных форм таких химических соединений, Как простые сахара. Клетка вырабатывает их из крахмала, служащего как бы складом для хранения углеводов. Но для того, чтобы превратить крахмал (полисахарид) в простые сахара, нужны специальные ферменты — амилазы. Эти ферменты разрезают массивные молекулы полисахарида-крахмала на нужные короткие отрезки. Таким образом, зависимость прямая: чем больше в клетке амилаз, тем больше они «наработают» простых Сахаров, тем активнее идет ускоренное развитие проростка.

Что же определяет содержание амилаз в клетке? Оказалось, количество в эндосперме семян копий гена, ведущего синтез данного фермента. А гормоны, и в частности гибберелло-вая кислота, активизируют работу генов амилазы. В единицу времени клетка дает больше копий с этих генов в виде молекул и-РНК, а следовательно, и больше синтезирует молекул амилазы. Это открытие и послужило основой для применения гибберелловой кислоты в качестве главного инструмента при поиске карликовых форм. Сотрудники сельскохозяйственной исследовательской службы США Г. Фик из Северной Каролины и К. Квалсет из Калифорнийского университета в Дэвисе нашли простой способ отбора карликов пшеницы на уровне первых проростков, появляющихся из семян.

[/smszamok]

Они опрыскивали проростки гибберелло-вой кислотой. Те растения, которые имели В эндосперме семян МНОГО копий генов амилаз, отвечали на это увеличением выработки данного фермента. Проростки начинали резво расти, развиваться. А у потенциальных карликов мало копий амилазных генов В эндосперме семян — их рост не усиливается. Селекционеру остается выбросить длинных «акеелерантов» и работать дальше только с карликами. Как видим, конечный результат этих исследований и предложенный на их основе метод выглядят до предела простыми. Но основание этой простоты, тысячи и тысячи исследований ученых различных специальностей, большие и малые открытия, проникновение в глубь сокровенных жизненных процессов.