Тема: Предмет та методи сільськогосподарської біотехнології.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

ДИСЦИПЛІНИ «ОСНОВИ БІОТЕХНОЛОГІЇ РОСЛИН»

ДЛЯ СТУДЕНТІВ АГРОНОМІЧНОГО ФАКУЛЬТЕТУ ВНАУ

Лекція 1.

Тема: Предмет та методи сільськогосподарської біотехнології.

1. Біотехнологія як наука, її мета та завдання;

2. Використання біотехнології в рослинництві та інших галузях народного господарства;

3. Історія розвитку біотехнології;

4. Культура ін вітро, основні терміни та поняття.

1.Швидкий ріст населення Земної кулі спонукає до збільшення виробництва продуктів харчування. Відомо, що 1,9 млрд. тон (99%) уживаної сухої речовини людство одержує в якості продуктів землеробства, 1% - з морів, океанів і прісноводних басейнів. Рослинні продукти складають 93% їжі людини, інші 7% - тваринного походження. Істотне збільшення врожаю с.г. культур за останні десятеліття досягнуто за рахунок хімізації, механізації і меліорації сільського господарства, що призвело до виникнення ряду економічних та екологічних проблем: забруднення навколишнього середовища, виснаження енергетичних, грунтових, водних та біологічних ресурсів. Постало питання пошуку нових підходів, які б дозволили не тільки підвищити врожаї і поліпшити якість культур, але були б економічно вигідними і не завдавали шкоди навколишньому середовищу.Одним з таких підходів є біотехнологія.

Біотехнологія - це сукупність технічних прийомів, що передбачають використання живих клітин або біологічних мікромолекул з метою вирішення конкретних або глобальних проблем біосфери та людства.

Термін «біотехнологія» походить від грецьких слів “bios” -життя , “techne” – майстерність,“logos”- вчення. Сама назва вказує про поєднання можливостей біології і техніки. Клітинна і генетична інженерія рослин, тварин і людини, виробництво антибіотиків, біогазу, штучного білку, інсуліну, гормонів росту, алколоїдів, біовимивання благородних металів, пестецидів за допомогою бактерій – це далеко не повний перелік питань, якими займається світова біотехнологія.

Біотехнологія рослин –це сукупність технічних прийомівдля модифікацій, поліпшення, створення та розмноження рослинних організмів, одержання з них корисних речовин. Фактично - це вирощування і маніпуляції з клітинами, тканинами і органами рослин поза оганізмом на штучних поживних середовищах у контрольованих умовах, що дозволяє:

1. проводити швидке розмноження у дуже великих кількостях;

2. отримувати безвірусний матеріал;

3. поліпшувати існуючі та створювати нові сорти рослин;

4. вивчати складні процеси росту та розвитку рослин;

5. створювати принципово нові біологічні технології для сільського господарства, медецини, харчової та хімічної промисловості.

Основна мета досліджень біотехнології – це поліпшення існуючих та одержання нових сортів, видів, гібридів високопродуктивних форм рослин з поліпшеними показниками якості продукції і стійких до хвороб та шкідників (корисними ознаками для людини).Для цього у сучасній біотехнології виділено три основних напрями:

· технології, що грунтуються на використанні культури клітин, тканин та органів рослин;

· ДНК-технології (молекулярно-генетичні методи аналізу рослин);

· отримання трансгенних рослин.

Варто підкреслити, що застосування біотехнологічних методів не можливе без традиційних методів генетики, селекції, фізіології, біохімії, тощо.

2.Рослинні клітини, при порівнянні з клітинами тварин і людини, мають велику перевагу – здатність у визначених умовах і на відповідних живильних середовищах регенерувати (відновлювати) повноцінні рослини. Дослідження багатьох вчених (Хаберленда, 1902р., Уайта, 1934р, Готре, 1934р) показали, що ізольовані клітини рослин діляться і дають початок недиференційованій масі, названій калусом. А зусилля багатьох вчених (Скуг, Міллер, 1957р), показали, що при повторному поміщенні цієї тканини на живильне середовище з фітогормонами дає успішне культивування і регенерацію рослин з бажаними корисними ознаками.

Людство очікує створення таких клітинних культур, за допомогою яких можна буде виготовляти цінні лікарські препарати, боротися з рядом спадкових, ракових серцево-судинних і інших захворювань, сприяти очищенню і поліпшенню екологічного стану навколишнього середовища. Молекули ДНК, виділені з будь-яких організмів, можуть бути розірвані у визначених точках окремих сегментівза допомогою спеціальних ферментів, а також зшиваються за допомогою інших ферментів, у результаті чого утворюються нові рекомбінантні ДНК. Зміна геному на клітинному рівні відкриває нові можливості для лікування хвороб людини, у діагностиці вірусних хвороб рослин, мікробіологічного виробництва ферментів, амінокислот, вітамінів та ін. хім. речовин (інсулін, інтерферон).

Генетична інженерія відкриває перед селекцією рослин нові перспективи, пов’язані з можливістю перенесення в них генів від бактерій, грибів, екзотичних рослин та навіть людини і тварини, що долає бар’єри, які існують в традиційній селекції. Вже зараз використовуються методи штучного запліднення в пробірці, клонування, трансплантації ембріонів, одержання трансгенних тварин і рослин.

Слід зазначити, що великі корпорації зарубіжних країн, особливо США, інвестують великі кошти в програми з використання геннної інженерії, особливо створення нових форм трансгенних рослин.

Передбачається, що прибуток від використання трансгенних рослин уже до 2020 року може скласти від 50 до 100 млрд. доларів.

3. Перші спроби культивування ізольованих тканин рослин були зроблені наприкінці XIX - на початку XX стол. німецькими вченими Г. Рехінгером (1893р), який одержав і вивчав калусні формування на коренеплодах цукрового буряка, Г.Хаберландтом,який першим чітко обгрунтував ідею про можливість вирощування окремих рослинних тканин на штучних живильних середовищах. Детальна розробка цього методу була здійснена у 30-х роках американцем Пилипом Уайтом і французом Роже Готре. Це був перший історичний етап в розвитку біотехнології як науки.

У період між 1940-1960 рр. учні і послідовники Уайта закріплюють успіх. Збільшується число видів рослин, тканини яких вирощуються ін вітро (in vitro) – це є другий період історичного розвитку біотехнології.

1949р. – Ф. Калінін почав роботи з культивування ізольованих тканин і органів рослин в Україні.

1957р. – Ф.Скуг і К.Міллер (США) довели можливість одержання коренів і пагонів з калусної тканини при дії цитокінінів та ауксинів. Ж.Морель (Франція) встановив дію гібереліну на проліферацію меристеми, її диференціацію і розвиток цілої рослини.

1957р. – Р.Бутенкорозпочалафізіолого-біохімічні дослідження з культивування ізольованих клітин і тканин в умовах регенерації.

1958-1959 рр. – Ф.Стюарт, Дж. Рейнгардт експерементально довели можливість соматичних клітин утворювати зародкоподібні структури (соматичні зародки (нестатеві)).

Початок 70-х років характеризує розвиток нових напрямків біотехнології рослин – соматичної гібридизації і генної інженерії. Серед основних робіт:

1970-і роки –початок робіт з культивування ізольованих тканин і органів в інституті ботаніки АН УРСР. В Нікітському Ботанічному саду розпочаті роботи з культивування ізольованих зародків плодових культур (А.Здруйковська-Ріхтер).

1971-1975рр. – К.Као (Канада), Е.Кокінг (Великобританія), Е Такебе (Японія) розпочали роботи з ізолювання та злитя протопластів.

1980-і роки – Ю. Глєба, В.Сидоров, М.Півень, І Комарницький, Т.Пастернак (Україна) розпочали ряд робіт з ізольованими протопластами. Отримано соматичні гібриди та цибриди, розпочаті перші роботи з генетичної трансформації.

1990-і роки – Е. Пірузян, В.Андріанов, В.Метт, І. Стехін (СРСР) – початок робіт з клонування генів і одержання перших трансгенних рослин.

1994 р. –В США зареєстровано першу трансгенну рослину харчового використання – томат «Флейвр-Сейвр», що характеризується подовженим строком післязбирального зберігання.

1999-2000 рр. –кількістьтрансгенних сортів рослин у світі досягає 120 і вони займають 40 млн. га посівних площ.

2002-2005 рр. – посівні площі під трансгенними культурами в світі становлять більше 57 млн. га.

4. Біотехнологію рослин можна уявити як проведення різних фізіологічних або генетичних маніпуляцій з клітинами, тканинами, органами рослин, протопластами в штучних контрольованих умовах освітлення, живлення, температури, тобто, в умовах «ін вітро» (від лат. “vitrum” означає скло). Цей термін вказує, що робота проводиться в стерильних і контрольованих умовах у лабораторному посуді (пробірках, колбах, чашках Петрі та ін.). На противагу термін «ін віво» означає, що перебіг процесів у живому організмі відбувається в природніх умовах. А поміщення в умови ін вітро протопластів, клітин або експлантів вживається термін «введення в культуру». Експланти –будь-які частинки тканин, органів рослин, які вводяться в культуру (апекси пагонів або коренів, шматочки листків, бруньки, бутони, зародки, пиляки та ін.)

Структурна організація рослин як біологічних систем складається з різних рівнів: клітина – тканина – орган – організм – популяція. Всі рівні мають свою спецефічність та ступінь складності, але головний взаємозв’язок полягає у тому, що кожна елементарна клітина зберігає у собі всю генетичну інформацію про свій ріст та розвиток. Якщо клітину вилучити з рослини і перенести у штучні контрольовані умови, то відбувається відновлення цілого з частини. Таким чином, кожна рослинна клітинамає потенційні властивості стати повноцінною рослиною, або кажут - вона тотипотентна.

Тотипотентність (від лат. totus – весь, цілий, potencia – сила) – властивість клітин реалізувати власну генетичну інформацію, яка забезпечує їх диференціацію і розвиток до цілого організму. Тотипотентність клітин складає основу наукової ідеології біотехнології рослин. Такі методи біотехнології рослин як мікроклональне розмноження, соматичний ембріоїдогенез, культура зародків і гаплоїдів, соматична гібридизація і генна інженерія пов’язані з реалізацією тотипотентності клітин рослин трьома шляхами:

1. формування зачатків коренів або стебла бепосередньо з ексланта чи клітини;

2. формування зародкоподібних структур бепосередньо з ексланта чи клітини;

3. формування зачатків коренів,стебла або зародкоподібних структур через калусну тканину.

Калусна тканина – це маса неспеціалізованих клітин, які утворюються в результаті пошкодження або при вирощуванні експланта на штучному поживному середовищі.