Клеточные технологии применяемые к растениям. Клеточная биотехнология в растениеводстве

Клеточная селекция

Клеточная селекция основана на высокой изменчивости популяции соматических клеток, усилении изменчивости с помощью различных мутагенов и на разработке селективных систем, позволяющих выявить и отобрать генетически измененные клоны клеток (мутантные, рекомбинантные и др.). Благодаря свойству тотипотентности из этих клеток регенерируют целые растения.

Спонтанные мутации в популяции клеток наблюдаются редко, поэтому для повышения частоты мутаций используют индуцированный мутагенез. Получение мутантных форм при использовании селекции на клеточном уровне складывается из следующих этапов: 1) обработка мутагеном суспензии клеток или протопластов; 2) перенесение суспензии в селективные условия; 3) выделение развивающихся колоний; 4) отбор измененных резистентных к селективному фактору клонов; 5) индукции органогенеза; 6) регенерация измененных растений.

Методом клеточной селекции получены: линии кукурузы, устойчивые к гельминтоспориозу; линии картофеля: резистентные к фитофторе; растения табака, устойчивые к вирусу табачной мозаики. В культуре клеток получены мутанты с повышенным синтезом незаменимых аминокислот. Так, отобраны штампы клеток моркови и табака, синтезирующие в 20-30 раз больше свободного триптофана по сравнению с исходными родительскими культурами. Этим способом получен целый ряд клеточных линий картофеля, моркови, риса, способных к сверхсинтезу лизина, метионина, пролина, фенилаланина, глицина. Это реальный путь создания растений с повышенным содержанием аминокислот, особенно незаменимых. Используя различные селективные системы, можно вести направленную селекцию по различным хозяйственно-ценным признакам, как то устойчивость к гербицидам, болезням, к различным стрессовым воздействиям (засоление, затопление, низкие и высокие температуры и др.)

Для получения мутантов в каждом случае необходимо разработать схему селекции и доказать генетическую природу измененных клеточных линий. Полученные изменения не всегда бывают связаны с мутациями, а могут носить модификационный характер и не наследоваться. Доказательством мутации является совокупность следующих критериев: 1)частота спонтанно измененных клеток должна быть очень низка; 2) она значительно повышается при использовании мутагенов; 3) измененные клетки способны делиться и длительно расти; 4)стабильность измененного признака сохраняется и при отсутствии селективного давления; 5) обнаруживается продукт измененного гена (морфологические и биохимические маркеры).

Эффективность мутагена в культуре тканей повышается на гаплоидном уровне благодаря проявлению всех рецессивных мутаций в ранних поколениях, а также в культуре протопластов из-за их выравненности при изолировании из однородных тканей. Особенно перспективными источником выделения разнообразных мутаций являются протопласты гаплоидных растений.

Мутагенез и клеточная селекция как в случае соматических, так и половых клеток являются эффективными способами получения генетически измененных форм и новых сортов растений.

В результате генетической изменчивости in vitro возникают сомоклональные варианты – растения, отклоняющиеся от родительского типа. Сомоклональная вариабельность имеет несколько причин: перемещение подвижных генетических элементов, инверсии, траслокации, делеции, генные перестройки, связанные с дифференцировкой, соматической кроссинговер. Наследственная изменчивость в культуре клеток может иметь не только генетическую, но и эпигенетическую природу, то есть возникает вследствие изменения действия генов.

Особый интерес представляют сомоклоныльные варианты злаков как источник получения ценных генотипов. Получены линии пшеницы, ячменя, риса, варьирующие по таким очень консервативным признакам, как высота растений, длина остей, окраска зерна, формаколоса, электрофоретические спектры запасных белков. Сомоклональные варианты успешно используются как эффективный источник изменчивости для улучшения сортов сельскохозяйственных культур.

Биотехнология в растениеводстве - улучшение технологий в селекции растений

Современная биотехнология растений - сумма технологий, которые развиты по молекулярной и клеточной биологии растений, - новая стадия в развитии технологии селекции растений. С помощью этих технологий улучшения признаков может происходить на уровне индивидуального гена, а отдельные гены, определяющие определенную признак, могут быть идентифицированы. За ними может быть проведен отбор, их можно изолировать, ввести, удалить или модифицировать в генотипе растения или в сорте. Вклад биотехнологии в сельскохозяйственное производство заключается в облегчении традиционных методов селекции растений, разработке новых технологий, позволяющих повысить эффективность сельского хозяйства. Методами генетической и клеточной инженерии созданы высокопродуктивные и устойчивые против вредителей, болезней, гербицидов сорта сельскохозяйственных растений. Разработано технику оздоровления растений от накопления инфекций, что особенно важно для культур, которые размножаются вегетативно (картофель и др.). Одной из актуальных проблем является возможность управлять процессом азотфиксации, в том числе возможность введения генов азотфиксации в геном полезных растений, а также управления процессами фотосинтеза. Ведутся исследования по улучшению аминокислотного состава растительных белков, разрабатываются новые регуляторы роста растений , микробиологические средства защиты растений от вредителей и болезней, бактериальные удобрения. На современном этапе развития селекции для его интенсификации эффективное использование таких биотехнологических методов, как культура изолированных тканей, клеток и органов растений, клеточная селекция и генетическая инженерия, которые дают возможность за сравнительно короткие сроки создать и размножить ценный исходный высокопроизводительный материал, гетерозисных гибриды и сорта сельскохозяйственных растений. Разработка основ метода культуры тканей растительных организмов имеет сравнительно короткую историю и начинается с исследований, выполненных Габерландтом в 1902 г. Однако каждое открытие, сделанное в этой области, нашло применение в прикладных исследованиях.

Все проблемы, которые разрабатывают в культуре in vitro, можно разделить на три основные группы: n сохранения генетической информации клеток (микроклональное размножения растений и депонирования, культура зародышей, пыльников и семенных зачатков); n изменение генетической информации способом мутагенеза под влиянием физических и химических факторов (культура каллуса, клеточных суспензий, изолированных протопластов); n перенос и восстановление генетической информации (генно-инженерное конструирование растений с новыми признаками, соматическая гибридизация).

Одним из распространенных направлений метода культуры тканей является микроклональное размножения, при котором получают генетически идентичны формы, что способствует сохранению генетически однородного посадочного материала. Как эксплантатов можно использовать пазушные почки, молодые листья, некоторые элементы цветов и соцветий. Однако такой вид размножения требует конкретизации метода для каждой сельскохозяйственной культуры в связи с особенностями ее генотипа. Технология микроклонального размножения любой культуры объединяет четыре основных этапа: ввод исходной формы в стерильную культуру, собственно микроразмножения, укоренение размноженных побегов, перевод стерильной культуры в условиях открытого грунта. Разработка средств вегетативного размножения элитных растений, гетерозисных гибридов и сортов in vitro позволяет решить проблему быстрого размножения форм, имеющих практическую ценность, а также сохранения материала для использования в рекуррентные селекции.

Микроклональное размножения имеет определенные преимущества по сравнению с традиционными методами размножения: выращивание в искусственных условиях (контролируемых) с меристематических тканей позволяет достичь извлечения вирусов и других патогенных микроорганизмов и получить здоровый посадочный материал; рост растений можно поддерживать в течение многих лет; методом культуры можно размножать формы, не размножаются вегетативно или не дают жизнеспособного семян; можно выбирать генотипы, устойчивые к неблагоприятным условиям выращивания: экстремальные температуры, засуха, засоление и закисление субстрата, угнетающее действие гербицидов и др., а также отбор продуктивных форм в условиях in vitro, скорость и коэффициент размножения достигает 1 :1000000 и дает возможность вдвое-втрое сократить сроки отбора и получения новых растений в селекционных исследованиях.

На современном этапе существует несколько различных детально разработанных методов микроклонального размножения. Различаются они по состоянию исходных клеток и тканей, которые принимают для получения микроклонов. Важнейшим требованием технологии является гарантирование полной стерильности и оптимальных условий для клеточного деления и дифференциации исходной ткани. Затем следует добиться образования большого количества микроклонов и обеспечить их укоренения. Чтобы эффективность микроклонального размножения была высокой, нужно на всех этапах поддерживать оптимальные условия выращивания. Для этого для каждой культуры разрабатывают конкретную методику микроклонального размножения.

Укоренившиеся растения в случае необходимости размещают на депонирование пониженных температур. Это очень важный процесс, поскольку он позволяет задерживать развитие растений и таким образом длительное время сохранять их без пересадки, используя при необходимости. Для переноса стерильных растений в почву надо отбирать среди них здоровые, со светлой, хорошо развитой корневой системой. В репродуцированные культуре тканей видимых морфологических отклонений нет. Генетическая стабильность изолированной культуры наблюдается даже после многократных пассажей, что открывает новые возможности в сохранении генофонда сельскохозяйственных растений. Сохранение и дальнейшее размножение растений в культуре in vitro приобретает большое значение в связи с рекуррентным отбором, поскольку без него невозможно создание гибридов на ЧМ-основе (чоловичостерильний основе). Из выращенных с помощью культуры in vitro маточных растений и корнеплодов получают высококачественные семена. В селекционной практике одновременно с микроклональное размножение растений широко используют метод каллусных культур из эксплантов различных органов, которые являются дополнительным резервом размножения селекционного материала. Он дает возможность практически использовать в селекционном процессе новый тип изменчивости - сомаклональну изменчивость. Каллусных культуры многих сельскохозяйственных растений характеризуются большой нестабильностью. Генетическая вариабельность соматических клеток является одной из причин неоднородности растений, полученных из каллусных тканей. Калусогенезу - это первый этап на пути получения сомаклональних вариантов требует перепрограммирования способов развития клетки. Клетка, переведенная в условия культивирования in vitro, сохраняет свою основную генетическую информацию о целом организм и при наличии соответствующих условий может реализовать ее. Однако физические и химические факторы культивирования, обладают мутагенным действием, а также генетическая гетерогенность соматических клеток эксплантатов создают предпосылки для получения генетически измененных растений. Метод получения сомаклональнои изменчивости позволяет индуцировать не только изменчивость генома, но и плазмоны. В основе феномена сомаклональнои изменчивости лежат сложные процессы структурной и функциональной перестройки генетического аппарата клеток. Используя его, уже получено формы многих сельскохозяйственных культур с ценными признаками. Одной из важных проблем в селекционно-генетических исследованиях перехреснозапильних растений является использование гетерозиса. Основной и наиболее эффективный метод получения стабильных линий является экспериментальная гаплоидия. Исключая многократное самоопыления растений, она позволяет получать гомозиготный материал из обогащенных в генетическом отношении гибридов. Для получения гаплоидных растений используют культуру пыльников, завязи и семенных зачатков. Индукция гаплоидов зависит от генетических свойств растений-доноров, фазы развития семенников, размещение цветоносов на растении и ряда других факторов. Увеличение количества гаплоидов наблюдается в случае изъятия неоплодотворенных семенных зачатков из раскрытых цветков, а также в случае опыления облученным пыльцой донорских растений. Гаплоидов обнаружено во многихсельскохозяйственных культур . Способ получения их в культуре in vitro дает возможность использовать явление гаплоидии не только в генетических исследованиях, но и в практической селекции.

Гетерогенность клеточной популяции суспензионных культур дает возможность получить значительную вариабельность признаков у растений-регенерантов и открывает широкие возможности для генетических и селекционных исследований. Химические компоненты питательной среды и физические условия могут выступать и как мутагенные, экстремальные факторы, вызывающие изменения в нуклеиновых и белковом обменах, структуре, форме и функциях клетки. В данном случае клеточная популяция в условиях культуры in vitro характеризуется физиологической, цитологической и генетической гетерогенностью. Появляются мутанты с измененным морфогенезом, которые можно опереться в селекционно-генетических исследованиях. По клеточной селекции отбор клеточных линий и растений с новыми унаследованными признаками осуществляют на уровне клеток, культивируемых in vitro. Способы культивирования растительных клеток и регенерация из них растений разработаны для многих важных сельскохозяйственных растений. Перечень мутантов с важными сельскохозяйственными признаками, селекцию которых осуществляют на клеточном уровне, очень велик. К ним относятся мутанты, устойчивые к стрессовым факторам, гербицидов, различных заболеваний, засоление и закисление субстрата.

В связи с тем, что возможности совершенствования растений с помощью рекомбинации практически неисчерпаемы, главной задачей является поиск методов управления этим процессом и эффективного выбора ценных генотипов с желаемым комплексом признаков и свойств. Это стало возможным благодаря разработке методов клеточной и генетической инженерии - культуры протопластов и соматической гибридизации и введения генетического материала в растительные клетки и протопласты с помощью трансформируемой ДНК. Первым этапом в этом направлении исследований является разработка метода получения и культивирования жизнеспособных протопластов. Получение жизнеспособных протопластов обусловлено многими факторами, а именно: состав и концентрация ферментов, выбор осмотического раствора, рН-среды, физиологическое состояние ткани, условия перединкубацийнои культивирования. Выделенные протопласты в дальнейшем используют для получения соматических гибридов и соматических цибридов, пересадки органелл, ввод чужеродной информации. Слияние протопластов и соматическая гибридизация позволяют: n скрещивать филогенетически отдаленные виды растений, которые невозможно скрестить обычным половым способом; n получать асимметричные гибриды, которые несут весь генный набор одного из родителей вместе с несколькими хромосомами (или несколькими генами или только органеллами и цитоплазмой) второго; n создавать систему гибридизации, которая исключает одновременно слияния трех и более родительских клеток; получать растения, гетерозиготные по неядерными генами; n преодолевать ограничения, налагаемые генеративных системами несовместимости; n скрещивать формы, которые невозможно гибридизировать половым способом через аномалии в морфогенезе или гаметогенезе родителей; n гибридизировать клетки, несущие различные эпигенетические программы. Используя метод соматической гибридизации изолированных протопластов, селекционеры выводят гибриды от физиологически несовместимых видов сельскохозяйственных культур.

Главными факторами, которые повышают производительность сельского хозяйства , является совершенствование способов выращивания растений, создание продуктивных сортов, улучшения питания растений и защиту урожая. Большое значение для повышения урожая и его сохранности принадлежит также удобрениям и средствам защиты растений. Генетическая инженерия открывает перед селекцией растений новые перспективы, связанные с возможностью переноса в них генов от бактерий, грибов, экзотических растений и даже человека и животных, что является недостижимым для экспериментального мутагенеза и традиционной селекции, в том числе и генов устойчивости. Революционным свершением в генетической трансформации растений стало обнаружение природного вектора - агробактерий для переноса генов и разработка метода микробомбардування растительных объектов микрочастицами металлов с предварительно нанесенной чужеродной ДНК. Три выдающиеся достижения физиологии растений создали основу для интеграции технологии рекомбинантных ДНК в генно-инженерной биотехнологии растений. Во-первых, открытие фитогормонов, регулирующих рост и развитие растений. Во-вторых, разработка методов культивирования клеток и тканей растений in vitro (эти методы дали возможность выращивать клетки, ткани и целые растения в стерильных условиях и проводить их селекцию на селективных средах). В-третьих, установление феномена тотипотентности соматических растительных клеток, который открыл путь к регенерации из них целых растений.

На сегодня генетическая инженерия сельскохозяйственных растений развивается преимущественно в русле классической селекции. Основные усилия ученых сосредоточены на защите растений от неблагоприятных (биотических и абиотических) факторов, снижении потерь при хранении и улучшении качества продукции растениеводства. В частности, это повышение устойчивости к болезням и вредителям, заморозков или засоления почв, удаления нежелательных компонентов из растительных масел, изменение свойств белка и крахмала в пшеничной муке, улучшения лежкости и вкусовых качеств плодов томата и т.д. Сравнению с традиционной селекцией, основные инструменты которой - скрещивание и отбор, главные преимущества генной инженерии - возможность использования принципиально новых генов, определяющих агрономически важные признаки и новые молекулярно-генетические методы мониторинга трансгенов (молекулярные маркеры генов), которые во много раз ускоряют процесс создания трансгенных растений. Селекционеров привлекает возможность целенаправленного генетического "ремонта" сельскохозяйственных растений. Важным направлением является создание генетически модифицированных растений (ГМР) с признаком мужской стерильности. Кроме того, благодаря генетической модификации, растения могут выполнять не свойственную им ранее роль. Это, например, корнеплоды сахарной свеклы, накапливающих, вместо сахарозы, низкомолекулярные фруктозы, или бананы, которые используют как съедобную вакцину. Благодаря введению генов бактерий, высшие растения приобретают свойства участвовать в разрушении чужеродных органических соединений (ксенобиотиков), которые загрязняют окружающую среду. Выращивание ГМР, устойчивых к широкому спектру болезней и насекомых-вредителей, может существенно снизить, а в дальнейшем свести к минимуму пестицидную нагрузки на окружающую среду. Рост площадей под трансгенными культурами в развитых странах происходит намного интенсивнее, чем в развивающихся странах. На сегодня украинские селекционеры испытывают трансгенные сорта кукурузы, сахарной свеклы и рапса, устойчивые к гербицидам; кукурузы, устойчивой к кукурузного мотылька; и картофеля, устойчивого к колорадскому жуку. Создана система органов с привлечением генетиков, селекционеров, генных инженеров, экологов, медиков, токсикологов, которые оценивают трансгенные сорта для определения потенциального воздействия на человека, животных и окружающую среду. И только после таких экспертиз сорта будут допущены к испытанию с соблюдением всех требований к трансгенных сортов узаконенных в Европейском Союзе. При рассмотрении проблемы возможного влияния трансгенных растений на окружающую среду специалисты, в основном, обсуждают такие важные аспекты: n сконструированы гены будут переданы с пыльцой близкородственными диким видам, и их гибридное потомство приобретет свойства повышенной семенной продуктивности или способности конкурировать с другими растениями; n трансгенные сельскохозяйственные растения станут сорняками для сельского хозяйства и вытеснят растения, растущие рядом; n трансгенные растения станут прямой угрозой человеку, домашним и диким животным (например, ввиду своей токсичности или аллергенности). Еще одним аспектом влияния трансгенных растений на окружающую среду является получение трансгенных растений с лучшей способностью использовать минеральные соединения, что, кроме усиления роста, будет препятствовать их смыванию в грунтовые воды и попадание в источники водоснабжения.

Гарантией против нежелательных последствий генетической модификации растений является законодательное регулирование распространения ГМР и разработка связанных с этим методов оценки экологического риска.

Факультет промышленной технологии лекарств

Реферат по элективу «Биотехнология растительных клеточных культур»

Тема: «Лекарственные препараты полученные на основе клеточных культур растений»

Выполнила:

студентка группы № 222

Ященко Мария

Проверила:

Громова Олеся Николаевна

Санкт-Петербург

Введение. 3

Культура клеток растений. 4

Клеточная инженерия растений. 5

Примеры лекарственных веществ, полученные на основе каллусных* культур 7

Биотрансформация. 8

Перспективы получения лекарственных средств на основе клеток растений. 10

Список используемой литературы.. 11

Введение

В решении задач расширения источников получения ЛРС, повышения стабильности и импортозамещению сырьевой базы перспективным направлением представляется метод биотехнологии, основанный на выращивании клеток и тканей ЛР на искусственных питательных средах.

Наша страна обладает огромными территориями находящимися в различных климатический условиях и следовательно обладает различной флорой и фауной. А также имеет сильную школу ботаники и биотехнологии.

В данном реферате мы рассмотрим препараты которые получают с помощью культивирования растений

Культура клеток растений

Культивирование клеток представляет собой процесс, посредством которого in vitro отдельные клетки (или единственная клетка) прокариот и эукариот искусственно выращиваются в контролируемых условиях. На практике термин «культура клеток» относится в основном к выращиванию клеток, относящихся к одной ткани, полученных от многоклеточных эукариот, чаще всего животных. Историческое развитие технологии и методик выращивания культур клеток неразрывно связаны с выращиванием тканевых культур и целых органов.

Существуют иммортализованные («бессмертные») линии клеток, способные размножаться бесконечно. У большинства опухолевых клеток эта способность является результатом случайной мутации, но у некоторых лабораторных клеточных линий она приобретена искусственно, путем активации гена теломеразы.

Клетки выращивают в специальных питательных средах, при постоянной температуре. Как правило, регулируется концентрация в воздухе углекислого газа и паров воды, но иногда также и кислорода. Питательные среды для разных культур клеток различаются по составу, pH, концентрации глюкозы, составу факторов роста и др. Одним из факторов риска при этом является возможность заражения культуры клеток прионами или вирусами. При культивировании одной из важных задач является исключение или сведение к минимуму использование зараженных ингредиентов. Однако на практике это бывает достигнуто не всегда.

Клетки можно выращивать в суспензии, либо в адгезивном состоянии. Некоторые клетки (такие, как клетки крови) в естественных условиях существуют во взвешенном состоянии. Существуют также линии клеток, искусственно измененных таким образом, чтобы они не могли прикрепляться к поверхности; это сделано для того, чтобы увеличить плотность клеток в культуре. Для выращивания адгезивных клеток требуется поверхность, например, культура ткани, или пластик, покрытый элементами внеклеточного матрикса для улучшения адгезивных свойств, а также для стимулирования роста и дифференцировки. Большинство клеток из мягких и твердых тканей адгезивны. Из адгезивного типа культуры выделяются органотипические культуры клеток, которые представляют собой трёхмерную среду, в отличие от обычной лабораторной посуды. Эта система культивирования физически и биохимически наиболее сходна с живыми тканями, но имеет некоторые технические сложности в обслуживании (например, нуждается в диффузии).

Клеточная инженерия растений

Метод рассматривает различные способы получения клеточных культур, культивирования растительных и животных клеток, выделение изолированных протопластов, биологическое конструирование, а также создание экспериментальных ассоциативных систем между культивируемыми клетками высших растений и микроорганизмами.

Десять наиболее употребляемых лекарственных веществ, получаемых из растений

Таблица 1

Лекарственное вещество	Активность	Растение-источник
Стероиды из диосгенина	Противозачаточные средства	Dioscorea deltoidea
Кодеин	Болеутоляющее	Papaver somniferum
Атропин	Антихолинэргическое	Atropa belladonna L.
Резерпин	Снижающее давление	Rauwolfia serpentina L.
Гиосциамин	Антихолинэргическое	Hyoscyamus niger L.
Дигоксин	Тонизирующее сердечную деятельность	Digitalis lanata L.
Скополамин	Антихолинэргическое	Datura metel L.
Дигитоксин	Сердечно-сосудистые	Digitalis purpurea L.
Пилокарпин	Холинэргическое	Pilocarpus jabonandi
Хинидин	Антималярийное	Cinchona ledgeriana

Клеточные технологии, основанные на культивировании in vitro органов, тканей, клеток и изолированных протопластов высших растений, могут облегчить и ускорить традиционный селекционный процесс. Это, прежде всего, следующие технологии: культура семяпочек и зародышей, регенерация растений из тканей летальных гибридов, экспериментальная гаплоидия, криосохранение генофонда, клональное микроразмножение. Клеточная инженерия предлагает новые пути для создания высокопродуктивных форм растений. Это гибридизация соматических клеток, перенос чужеродных генов.

Примеры лекарственных веществ, полученные на основе каллусных* культур

Стевиозид - естественный подсластитель и заменитель сахара, успешно используется вместо искусственных подслащивающих веществ. Исходное растение - Stevia rebaudiana Bertoni.

Арглабин – противоопухолевое соединение. Исходное растение - Artemisia glabella Kar. et Kir. Входит в состав одноименного препарата.

Лаппаконитин - дитерпеновый алкалоид, анаритмическое средство. Исходное растение - Aconitum septentrionale Koelle . Входит в состав препарата Аллапинин

*- Культура каллусных тканей - выращивание в длительной пересадочной культуре тканей, возникших путем пролиферации клеток изолированных сегментов разных органов или самих органов (пыльники, семяпочки и т. д.) растений

Биотрансформация

Очень преспективный метод, использующий ферменты, локализованные в клетке растения, которые способны менять функциональные группы добавленных извне химических соединений. Этот метод пригоден для повышения биологической активности данной конкретной химической структуры и осуществления серии специфических химических реакций за счет включения одного или нескольких последовательно связанных ферментов.

Возможность применения биотрансформации при синтезе некоторых соединений была показана на примере превращения дигитоксина в дигоксин клетками Digitalis lanata (наперстянки шерстистой). После 10-дневной инкубации клеток D.lanata в «ростовой» питательной среде (Мурасигё и Скуга) культуру клеток переносили в «продукционную» среду (8% раствор глюкозы) с субстратом для биотрансформации – дигитоксином. В этих условиях весь дигитоксин в течение 2 дней трансформировался в деацетиллантозид С (дигоксин) и пурпургликозид А 88% и 12% соответственно.

Дигитоксин и дигоксин принадлежат к группе "карденолидов", применяемых для лечения хронической болезни сердца.

В настоящее время названные соединения стоят на шестом и восьмом месте в списке наиболее распространенных препаратов США, но использование дигоксина предпочтительнее из-за его меньшей токсичности, по сравнению с таковой у дигитоксина. Оба соединения в США получают путем экстрагирования плантационно выращиваемых растений, но при этом выделяется в основном дигитоксин.

Недифференцированные культуры Digitalis не образуют сердечных гликозидов, но могут осуществлять определенные реакции биотрансформации субстратов, добавленных в питательную среду. Биотрансформация дигитоксина в дигоксин происходит за счет реакции 12-гидроксилирования, катализируемой ферментом, содержащимся в клетках Digitalis lanata . Работа была проведена с использованием свободных недифференцированных суспензионных культур в Германии в 1977 г, а к настоящему времени внедрена в производство; достигнут выход дигоксина в пределах 700 г/л в 20-ти литровом реакторе за 17 суток культивирования. Таким образом, основные проблемы, связанные с биотрансформацией сердечных гликозидов клетками Digitalis lanata в настоящее время разрешены. Однако для дальнейшего развития этого направления необходима дальнейшая селекция специализированных линий клеток и оптимизация условий их культивирования, сокращение времени ферментации и увеличение срока работы клеток. Основные условия для перевода лабораторных методов культивирования клеток растений в промышленное производство – это экономически оправданные и относительно простые технологии культивирования клеток и выделения конечных продуктов.

Например, производство аймалина на основе меристемных культур Раувольфии стало реальным, когда в ходе селекционной работы и отбора были получены субклоны клеток, которые синтезируют этот алкалоид на порядок выше, чем исходные материнские штаммы.

Производство серпентина на основе суспензионных культур частично дифференцированных клеток меристемы Catharatus roseus оказалось эффективным и экономически оправданным лишь после того, как были получены субклоны, способные накапливать за 10-ти суточный цикл выращивания до25 г сухого вещества на 1 литр суспензионной культуры.

Аналогичная ситуация имела место и при организации биотехнологического производства настойки женьшеня. Количественный выход биологической субстанции в пересчете на сухое вещество каллуса женьшеня было ниже, чем из женьшеня, полученного при плантационном выращивании, примерно в 3-4 раза.

Производство био-женьшеня стало экономически оправданным лишь после того, как удалось повысить продуктивность его каллусных культур, сохранив без изменений реактогенные свойства экстрагируемых лекарственных настоек. Оказалось, что чем более дифференцированы клетки меристемы в культуре, тем выше их продуктивность. Разработана технология получения в культуре так называемых «бородатых» корней, где по условиям роста в скоплении клеток возникают субпопуляции с повышенной дифференцировкой. Эти популяции являются самыми продуктивными по биологически активным веществам.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОТЕХНОЛОГИИ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

Лекция 9

Дополнительная

Основная

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Вопросы для самоконтроля

1) Что такое метанообразование?

2) Сколько фаз в механизме метанообразования?

3) Из чего состоит биогаз?

4) Какие типы биогазовых установок существуют?

1) Волова, Т.Г. Экологическая биотехнология: уч. пособие для университетов / Т.Г. Волова. - Новосибирск: Хронограф, 2007. – 141с.

1) Елинов, Н.П. Основы биотехнологии / Н.П. Елинов. - СПб.: Наука, 1995, 600с.

2) Биотехнология / Под ред. А. А. Баева. – М: Наука, 1984. – 309с.

3) Сельскохозяйственная биотехнология / под. ред. В.С. Шевелухи. – М.: Высшая школа, 2003. – 469 с.

Повышение биологической продуктивности в сельском хозяйстве является предметом активных исследований комплекса различных биологических наук. Биотехнологические методы традиционно используются в сельском хозяйстве для повышения плодородия почв, борьбы с вредителями и возбудителями болезней культурных растений и животных, приготовления продовольственных продуктов, их консервирования и улучшения питательных свойств. При этом удельный вес биотехнологии для развития и повышения эффективности традиционных сельскохозяйственных технологий постоянно возрастает.

В настоящее время особые перспективы в создании и распространении новых культивируемых сортов растений обещает применение новейших методов биотехнологии – клеточной и генетической инженерии. Усилия биотехнологов направлены на увеличение выхода продукции и повышение ее питательности, усиление устойчивости культивируемых биологических видов к неблагоприятным условиям внешней среды, патогенам и вредителям. При этом остается актуальной проблема поддержания разнообразия среди культивируемых видов и сохранения генетических ресурсов в целом.

Микроорганизмы играют большую роль в повышении плодородия почвы, так как в процессе роста и развития улучшают ее структуру, обогащают питательными веществами, способствуют более полному использованию удобрений.

Интенсивное растениеводство обедняет почву азотом, так как значительная его доля ежегодно выносится из почвы вместе с урожаем. С древних времен для восстановления и улучшения почв существует практика использования бобовых растений, способных в симбиозе с азотфиксирующими микроорганизмами восполнять почвенные запасы азота в результате диазотрофности. Большой положительный эффект от возделывания бобовых вызвал постановку исследований явления диазотрофности. Культивирование бобовых положительно влияет на азотный баланс почв, также облегчает борьбу с эрозией и помогает восстанавливать истощенные земли.

Технология получения азотных биоудобрений. Наиболее простой способ инокуляции основан на использовании почвы после выращивания на ней бобовых растений. Этот метод разработан в конце XIX века и применяется до настоящего времени. Недостаток метода – необходимость перемещения достаточно больших объемов почвы (100–1000 кг/га), а также возможность распространения болезней.

Более эффективным оказалось применение для инокуляции семян специальных препаратов азотфиксирующих бактерий. Клубеньковые бактерии рода Rhizobium, развиваясь в корневой системе бобовых растений, в симбиозе с ними фиксируют атмосферный азот, обеспечивая этим азотное питание растений. Процесс азотфиксации протекает только в клубеньках на корнях бобовых растений, которые образуются в результате проникновения бактерий через корневые волоски в корень. Взаимоотношение бактерий с растениями зависит от комплекса условий, включая физиологическое состояние и условия роста растений, а также физиологическую активность и вирулентность бактерий. Под вирулентностью понимают способность бактерий проникать внутрь корня растений и вызывать образование клубенька.

Первая коммерческая разновидность культуры для инокуляции семян (товарное название «Nitragin») была запатентована в Великобритании Ноббе и Хилтнером в 1896 году. Для разных бобовых в то время выпускали 17 вариантов культуры. В 20-е годы выпускалось много разновидностей инокулятов, среди них были чистые культуры азотфиксирующих микроорганизмов, смеси бактерий с песком или торфом, а также культуры, выращенные на агаре или в жидкой среде.

В качестве носителя для бактерий были опробованы различные композиции: смеси торфа с почвой, добавки люцерны и соломы, перегнившие опилки, бентоит и активированный уголь. В настоящее время для поддержания жизнеспособности симбиотических азотфиксирующих бактерий используют разнообразные носители, но лучшим считается торф.

Сухие препараты азотфиксаторов, приготовленные на основе клубеньковых бактерий рода Rhizobium и предназначенные для повышения урожайности бобовых растений (гороха, фасоли, сои, клевера, люцерны, люпина и др.) в настоящее время выпускаются под товарным названием «Нитрагин». Помимо почвенного нитрагина, выпускают также сухой нитрагин – препарат бактерий с содержанием в 1г не менее 9 млрд. жизнеспособных клеток, в качестве наполнителя используют мел, каолин, бентоит. Препараты сухого нитрагина с остаточной влажностью 5–7 % фасуют по 0.2–1.0 кг и хранят при 15 °С в течение 6 месяцев.

Аналог азотных удобрений – другой препарат азотфиксирующих бактерий – «Азотобактерин», который выпускается промышленностью в нескольких вариантах. Бактерии рода Azotobacter являются свободноживущими азотфиксирующими микроорганизмами и обладают высокой продуктивностью азотфиксации (до 20 мг/г использованного сахара). Помимо связывания атмосферного азота, эти бактерии продуцируют биологически активные соединения (витамины, гиббериллин, гетероауксин и др.). В результате этого инокуляция азотобактерином стимулирует прорастание семян и ускоряет рост и развитие растений. Более того, Azotabacter способен экскретировать фунгицидные вещества. Этим угнетается развитие в ризосфере растений микроскопических грибов, многие из которых тормозят развитие растений. Однако бактерии рода Azotobacter весьма требовательны к условиям среды, особенно концентрации в почве фосфатов и микроэлементов, и активно развиваются в плодородных почвах.

В последние годы для изучения биологической азотфиксации стали применять методы молекулярной биологии и новейшие методы генетики.

Установлена возможность с помощью колифага P1 размножать свободноживущую азотфиксирующую бактерию Klebsiella pneumoniae М5 и с ее помощью трансдуцировать nif-гены (гены азотфиксации). Также доказано, что перенос nif-генов возможен с помощью плазмид от штамма-азотфиксатора к штамму, не обладающему диазотрофностью. Обнаружены конъюгативные плазмиды, несущие гены азотфиксации, относительно легко передающиеся при конъюгации от штамма к штамму. П осле этого появились надежды на получение методами клеточной и генной инженерии растений, способных фиксировать атмосферный азот. Однако перенос генов азотфиксации и их экспрессия является чрезвычайно сложной задачей.

Снабжение растений фосфатами. Фосфатные ионы в почве, как известно, не очень подвижны, поэтому вокруг корневой зоны растений часто возникает дефицит фосфора.

Для улучшения питания сельскохозяйственных культур фосфатами эффективен метод применения фосфоробактерина. Препарат получают на основе спор культуры Bacillus megaterium var. phosphaticum . Эти бактерии превращают трудно усвояемые минеральные фосфаты и фосфорорганические соединения (нуклеиновые кислоты, нуклеопротеиды) в доступную для растений форму. Следует отметить, что фосфоробактерин не заменяет фосфорные удобрения и не действует без них. Положительный эффект от применения фосфоробактерина не только связан с доставкой усвояемых фосфатов к растениям, но обусловлен также действием биологически активных веществ (тиамина, биотина, никотиновой и пантотеновой кислот, витамина В12 и др.). Данные биологически активные вещества, попадая на поверхность семян при инокуляции, а затем в ткани растения, стимулируют фосфорное и азотное питание, то есть благоприятно действуют на развитие растений на первых этапах.

План лекции

Тема 5,6. Препарат для сельского хозяйства. Белок одноклеточных микроорганизмов

ПОЛУЧЕНИЕ МИКРОБНОЙ БИОМАССЫ

МОДУЛЬ 2.

Форма проведения лекции: мозговая атака

1 Биотехнология и растениеводство.

2 Биотехнология и животноводство.

3 Технологическая биоэнергетика.

4 Производство кормового белка.

5 Использование дрожжей и бактерий.

6 Использование водорослей и микроскопических грибов.

Проблема для решения: области применения биотехнологии в сельском хозяйстве.

Студенты высказывают идеи для решения этой задачи. Затем идеи анализируются группой экспериментов при помощи и консультировании преподавателя. Правило мозговой атаки – высказываются любые идеи вплоть до самых абсурдных, запрещается критика идей в момент атаки. Все идеи записываются ведущим, и обеспечивается их обозрение участниками. Такая лекция активизирует мыслительную деятельность студентов, развивает эвристические способности.

Культурные растения страдают от сорняков, грызунов, насекомых-вредителей, нематод, фитопатогенных грибов, бактерий, вирусов, неблагоприятных погодных и климатических условий. Перечисленные факторы наряду с почвенной эрозией и градом значительно снижают урожайность сельскохозяйственных растений. Огромный ущерб в картофелеводству наносят колорадский жук, а также гриб Phytophtora -возбудитель ранней гнили (фитофтороза) картофеля.

Кукуруза подвержена опустошительным «набегам» южной листовой гнили, ущерб от которой в США в 1970 г. был оценён в 1 млрд. долларов.

В последние годы большое внимание уделяют вирусным заболеванием растений. Наряду с болезнями, оставляющими видимые следы на культурных растениях (мозаичная болезнь табака и хлопчатника, зимняя болезнь томатов), вирусы вызывают скрытые инфекционные процессы, значительно снижающие урожайность сельскохозяйственных культур и ведущие к их вырождению.

Биотехнологические пути защиты растений от рассмотренных вредоносных агентов включают:

Выведение сортов растений, устойчивых к неблагоприятным факторам;

Химические средства борьбы (пестициды), с сорняками (гербициды), грызунами (ратициды), насекомыми (инсектициды), нематодами (нематоциды), фитопатогенными грибами (фунгициды), бактериями, вирусами.;

Наряду с защитой растений ставится задача повышения продуктивности сельскохозяйственных культур, их пищевой (кормовой) ценности, создание сортов растений, растущих на засоленных почвах, в засушливых и заболоченных районах. Разработки нацелены на повышение энергетической эффективности различных процессов в растительных тканях, начиная от поглощения кванта света и кончая ассимиляцией СО 2 и водно-солевым обменом.