Біотехнологія в рослинництві

Бiотехнологiя в рослинництвi Реферат на тему: Бiотехнологiя в рослинництвi Сучасна бiотехнологiя рослин — сума технологiй, що розвиненi iз молекулярної та клiтинної бiологiї рослин — є новою стадiєю в розвитку технологiї селекцiї рослин. З її допомогою полiпшення ознак може проходити на рiвнi iндивiдуального гену. Окремi гени, якi визначають певну ознаку, можуть бути iдентифiкованi, iзольованi, введенi, виключенi або модифiкованi в генотипi чи сортi рослини, за ними може проводитися вiдбiр. Внесок бiотехнологiї в рослинництво полягає в полегшеннi традицiйних методiв селекцiї рослин, розробцi нових технологiй, якi дозволяють пiдвищити ефективнiсть сiльськогосподарського виробництва. Методами генної та клiтинної iнженерiї створенi високопродуктивнi й стiйкi проти шкiдникiв, хвороб та iнших негативних чинникiв сорти сiльськогосподарських рослин. Розроблена технiка оздоровлення рослин вiд iнфекцiй, що особливо важливо для культур, якi розмножуються вегетативно. Ведуться дослiдження з полiпшення амiнокислотного складу рослинних бiлкiв, розробляються новi регулятори росту рослин, мiкробiологiчнi засоби захисту останнiх вiд шкiдникiв та хвороб, бактерiальнi добрива. Одним iз актуальних питань бiотехнологiї є керування процесами азотфiксацiї та фотосинтезу, зокрема можливiсть введення вiдповiдних генiв у геном культурних рослин. Вони дають можливiсть за короткий термiн створити та розмножити цiнний вихiдний високопродуктивний матерiал, гетерозиснi гiбриди та сорти сiльськогосподарських рослин. Розробка основ методу культури тканин рослинних органiзмiв має порiвняно коротку iсторiю i починається з дослiджень, виконаних Габерландтом у 1902 роцi. Проте кожне вiдкриття, зроблене в цiй галузi, знайшло використання в прикладних дослiдженнях. Усi проблеми, що вирiшуються в культурi in vitro, можна подiлити на три основнi групи: 1. збереження генетичної iнформацiї клiтин (мiкроклональне розмноження та депонування, культура зародкiв, пилякiв i насiннєвих зачаткiв); 3. перенесення та iнтеграцiя генетичної iнформацiї (генно-iнженерне конструювання рослин з новими ознаками, соматична гiбридизацiя). Одним iз найпоширенiших напрямiв методу культури тканин є мiкроклональне розмноження, при якому отримують генетично iдентичнi форми, що сприяє збереженню генетично однорiдного посадкового матерiалу. Як експлант можна використовувати пазушнi бруньки, молодi листки, окремi елементи квiтiв та суцвiть. Проте такий вид розмноження потребує конкретизацiї для кожної сiльськогосподарської культури через особливостi її генотипу. Технологiя мiкроклонального розмноження будь-якої культури включає чотири основнi етапи: введення вихiдної форми в стерильну культуру, власне мiкророзмноження, укорiнення розмножених пагонiв, переведення стерильної культури в ґрунт. Розробка прийомiв in vitro для елiтних рослин, гетерозисних гiбридiв та сортiв дає змогу розв’язати проблему швидкого розмноження форм, що мають практичну цiннiсть, а також збереження матерiалiв для використання їх у рекурентнiй селекцiї. iнших патогенних мiкроорганiзмiв i отримати здоровий садивний матерiал; рiст рослин можна пiдтримувати протягом багатьох рокiв; можна застосовувати для форм рослин, якi не розмножуються вегетативно або не дають життєздатного насiння; можливiсть вести вiдбiр генотипiв, стiйких до несприятливих зовнiшнiх умов (екстремальнi температури, засолення та закислення субстрату, пригнiчуюча дiя гербiцидiв тощо) а також продуктивнiших форм; швидкiсть та коефiцiєнт розмноження досягає 1:1000000 i дає можливiсть в 2–3 рази скоротити строки вiдбору та отримання нових рослин в селекцiйних дослiдженнях. Нинi iснує кiлька рiзних детально розроблених методiв мiкроклонального розмноження. Рiзняться вони станом вихiдних клiтин та тканин, якi беруться для отримання мiкроклонiв. Найважливiшою вимогою технологiї є забезпечення повної стерильностi та оптимальних умов для клiтинного дiлення та диференцiацiї вихiдної тканини. Потiм необхiдно досягти утворення великої кiлькостi мiкроклонiв та забезпечити їхнє вкорiнення. Для того, щоб ефективнiсть мiкроклонального розмноження була високою, необхiдно на всiх етапах виконання пiдтримувати оптимальнi умови вирощування. Тому для кожної культури розробляється своя методика мiкроклонального розмноження. пересадок, використовуючи по мiрi необхiдностi. Для переведення стерильних рослин у ґрунт необхiдно вiдбирати здоровi екземпляри iз свiтлою добре розвиненою кореневою системою. В репродукованiй культурi тканин видимi морфологiчнi вiдхилення не зустрiчаються. Генетична стабiльнiсть iзольованої культури спостерiгається навiть пiсля багатократних пасажiв, що вiдкриває новi можливостi для збереження генофонду сiльськогосподарських рослин. Збереження та подальше вегетативне розмноження рослин в культурi in vitro набуває великого значення в зв’язку з рекурентним вiдбором, без якого неможливе створення гiбридiв на ЧС-основi (чоловiчостерильнiй основi). Із вирощених з допомогою культури in vitro маточних рослин та коренеплодiв отримують високоякiсне насiння. В селекцiйнiй практицi поряд iз мiкроклональним розмноженням рослин широко використовується метод калусних культур iз експлантiв рiзних органiв, якi є додатковим резервом розмноження селекцiйного матерiалу. Вiн дає можливiсть практично використовувати в селекцiйному процесi новий тип мiнливостi — сомаклональну. Калуснi культури багатьох сiльськогосподарських рослин характеризуються великою нестабiльнiстю. Генетична варiабельнiсть соматичних клiтин є однiєю з причин неоднорiдностi рослин, отриманих iз калусних тканин. Калусогенез — це перший етап на шляху отримання сомаклональних варiантiв, що потребує перепрограмування шляхiв розвитку клiтини. Клiтина, переведена в умови культивування in vitro, зберiгає свою основну генетичну iнформацiю про цiлий органiзм i при наявностi вiдповiдних умов може реалiзувати її. Проте фiзичнi та хiмiчнi фактори культивування, що мають мутагенну дiю, а також генетична гетерогеннiсть соматичних клiтин експланту створюють передумови для виникнення генетично змiнених рослин. Метод отримання сомаклональної мiнливостi дає змогу iндукувати не лише мiнливiсть геному, але й плазмону. В основi феномену сомаклональної мiнливостi лежать складнi процеси структурної i функцiональної перебудови генетичного апарату клiтин. Використовуючи його, вже отримано форми багатьох сiльськогосподарських культур з цiнними ознаками. Однiєю iз основних проблем в селекцiйно-генетичних дослiдженнях перехреснозапильних рослин є використання гетерозису. Основним i найефективнiшим методом отримання стабiльних лiнiй є експериментальна гаплоїдiя. Виключаючи багаторазове самозапилення рослин, вона дає можливiсть отримувати гомозиготний матерiал iз збагачених у генетичному вiдношеннi гiбридiв. Для отримання гаплоїдних рослин використовують культуру пилякiв, зав’язi й насiннєвих зачаткiв. Індукцiя гаплоїдiв залежить вiд генетичних властивостей рослин-донорiв, фази розвитку насiнникiв, мiсця розташування квiтконосiв на рослинi та ряду iнших факторiв. Збiльшення кiлькостi гаплоїдiв спостерiгається при вилученнi незаплiднених насiннєвих зачаткiв iз розкритих квiток, а також при запиленнi опромiненим пилком донорських рослин. Гаплоїди виявленi у багатьох сiльськогосподарських культур. Спосiб отримання їх у культурi in vitro дає можливiсть використовувати явище гаплоїдiї не тiльки в генетичних дослiдженнях, але i в практичнiй селекцiї. Гетерогеннiсть клiтинної популяцiї суспензiйних культур дає змогу отримати значну варiабельнiсть ознак у рослин-регенерантiв i вiдкриває широкi можливостi для генетичних i селекцiйних дослiджень. Хiмiчнi компоненти поживного середовища та фiзичнi умови можуть виступати i як мутагеннi, екстремальнi фактори, якi викликають змiни в нуклеїновому та бiлковому обмiнах, структурi, формi й функцiях клiтини. В такому випадку клiтинна популяцiя в умовах культури in vitro характеризується фiзiологiчною, цитологiчною та генетичною гетерогеннiстю. З’являються мутанти зi змiненим морфогенезом, якi можна взяти за основу в селекцiйно-генетичних дослiдженнях. При клiтиннiй селекцiї вiдбiр клiтинних лiнiй i рослин з новими успадкованими ознаками ведеться на рiвнi клiтин, що культивуються in vitro. Прийоми культивування рослинних клiтин i регенерацiя з них рослин розробленi для ряду важливих сiльськогосподарських культур. До них вiдносяться мутанти стiйкостi до стресових факторiв, гербiцидiв, рiзних захворювань, засолення та закислення субстрату тощо. У зв’язку з тим, що можливостi удосконалення рослин за допомогою рекомбiнацiї практично невичерпнi, головним завданням є пошук методiв управлiння цим процесом та ефективного вiдбору найбiльш цiнних генотипiв з бажаним комплексом ознак i властивостей. Це стало можливим завдяки розробцi методiв генної iнженерiї — культури протопластiв i соматичної гiбридизацiї, введення генетичного матерiалу в рослиннi клiтини та протопласти за допомогою трансформованої ДНК. Першим етапом у цьому напрямку дослiджень є розробка методу отримання i культивування життєздатних протопластiв. При цьому враховується ряд факторiв — склад i концентрацiя ферментiв, вибiр осмотичного розчину, рН середовища, фiзiологiчний стан тканини, умови передiнкубацiйного культивування. Видiленi протопласти в подальшому використовують для отримання соматичних гiбридiв та соматичних цибридiв, пересадки органел, введення чужорiдної iнформацiї. Злиття протопластiв та соматична гiбридизацiя дають можливiсть: схрещувати фiлогенетично вiддаленi види рослин, якi неможливо схрестити звичайним статевим шляхом; отримувати асиметричнi гiбриди, якi несуть весь генний набiр одного iз батькiв поряд з кiлькома хромосомами, генами чи лише органелами i цитоплазмою другого; створити систему гiбридизацiї, яка включає одночасно злиття трьох i бiльше батькiвських клiтин; отримувати рослини, гетерозиготнi за неядерними генам; долати обмеження, якi накладаються генеративними системами несумiсностi; схрещувати форми, якi неможливо гiбридизувати статевим шляхом через аномалiї в морфогенезi чи гаметогенезi батькiв; гiбридизувати клiтини, що несуть рiзнi епiгенетичнi програми. Використовуючи метод соматичної гiбридизацiї iзольованих протопластiв, селекцiонери отримують гiбриди вiд фiзiологiчно несумiсних видiв сiльськогосподарських культур. врожаю. В доповнення до селекцiї бiльш урожайних i стiйких сортiв вагомий внесок у пiдвищення врожаю i його збереженiсть вносять добрива i засоби захисту рослин. вiдкриває перед селекцiєю рослин новi перспективи, зокрема можливiсть перенесення в них генiв вiд бактерiй, грибiв, екзотичних рослин i навiть людини та тварини, в тому числi й генiв стiйкостi, що є недосяжним для експериментального мутагенезу та традицiйної селекцiї. Революцiйним звершенням у генетичнiй трансформацiї рослин стало виявлення природного вектору — агробактерiй для переносу генiв та розробка методу мiкробомбардування рослинних об’єктiв мiкрочастинками металiв з попередньо нанесеною чужерiдною ДНК. Три видатнi досягнення фiзiологiї рослин створили основу для iнтеграцiї технологiї рекомбiнантних ДНК в генно-iнженерну бiотехнологiю рослин. По-перше, вiдкриття фiтогормонiв, якi регулюють рiст i розвиток рослин. По-друге, розробка методiв культивування клiтин i тканин рослин in vitro (цi методи дали можливiсть вирощувати клiтини, тканини i цiлi рослини в стерильних умовах та проводити їх селекцiю на селективних середовищах). По-третє, встановлення феномену тотипотентностi соматичних рослинних клiтин, який вiдкрив шлях до регенерацiї з них цiлих рослин. На сьогоднiшнiй день генетична iнженерiя сiльськогосподарських рослин розвивається переважно в руслi класичної селекцiї. Основнi зусилля вчених зосередженi на захистi рослин вiд несприятливих (бiотичних та абiотичних) факторiв, покращеннi якостi та зменшеннi втрат при зберiганнi продукцiї рослинництва. Зокрема, це пiдвищення стiйкостi проти хвороб, шкiдникiв, заморозкiв, солонцюватостi ґрунту тощо, видалення небажаних компонентiв iз рослинних олiй, змiна властивостей бiлку i крохмалю в пшеничному борошнi, покращення лежкостi та смакових якостей овочiв та iн. Порiвняно з традицiйною селекцiєю, основними iнструментами якої є схрещування i вiдбiр, генна iнженерiя дає можливiсть використання принципово нових генiв, якi визначають агрономiчно важливi ознаки, i нових молекулярно-генетичних методiв монiторингу трансгенiв (молекулярнi маркери генiв), що в багато разiв прискорюють процес створення трансгенних рослин. Селекцiонерiв приваблює можливiсть цiлеспрямованого генетичного “ремонту” рослин. Важливим направленням є створення генетично модифiкованих рослин (ГМР) з ознакою чоловiчої стерильностi. Крiм того, завдяки генетичнiй модифiкацiї рослини можуть виконувати не властиву їм ранiше функцiю. Прикладом є коренеплоди цукрових бурякiв, якi накопичують замiсть сахарози низькомолекулярнi фруктами, банани, якi використовують як їстiвну вакцину. Завдяки введенню генiв бактерiй вищi рослини набувають властивостi руйнувати чужорiднi органiчнi сполуки (ксенобiотики), що забруднюють оточуюче середовище. Вирощування ГМР, стiйких до широкого спектру хвороб та комах-шкiдникiв, може суттєво знизити, а в подальшому звести до мiнiмуму пестицидне навантаження на оточуюче середовище. i рiпаку, стiйкi роти гербiцидiв; кукурудзи, стiйкої проти кукурудзяного метелика, а також картоплi, стiйкої проти колорадського жука. Створено систему органiв, якi з залученням спецiалiстiв (генетикiв, селекцiонерiв, генних iнженерiв, екологiв, медикiв, токсикологiв) оцiнюють трансгеннi сорти для визначення потенцiйного впливу на людину, тварин i навколишнє середовище. Лише пiсля таких експертиз сорт допускається до випробування з дотриманням усiх вiдповiдних вимог, прийнятих у Європейському Союзi. трансгеннi рослини стануть прямою загрозою для людини, домашнiх та диких тварин (наприклад через їхню токсичностi або алергеннiсть). Ще одним важливим аспектом є отримання трансгенних рослин з кращою здатнiстю використовувати мiнеральнi речовини, що, крiм посилення їх росту, буде перешкоджати змиву таких сполук у ґрунтовi води та потраплянню в джерела водопостачання. достатнiй iнформованостi агрономiв, селекцiонерiв, насiннєводiв, потенцiйних покупцiв щодо особливостей продуктiв iз генетично модифiкованих рослин. В Українi та рядi iнших країн прийнятi закони, якi попереджують несанкцiоноване розповсюдження трансгенного насiннєвого матерiалу, що забезпечує монiторинг у посiвах, а також маркування харчових товарiв, виготовлених iз продуктiв ГМР або з їх додаванням. 1. Наукове забезпечення сталого розвитку сiльського господарства. Лiсостеп. Київ – 2004 р. 2 томи. 2. Нацiональний аграрний унiверситет. books.nauu.kiev.ua