План:

1.          Особливості селекції рослин, тварин та мікроорганізмів.

2.          Особливості сучасної біотехнології.

3.          Завдання генної та клітинної інженерії.

Література: Загальна біологія: Підруч для 11 кл./ М.Є. Кучеренко та інш. 2006. с. 97-104

1. Основними методами селекції рослин є гібридизація і штучний добір, які здебільшого застосовують одночасно. Для одержання великої кількості вихідного матеріалу в селекційній роботі використовують різні форми штуч­ного добору: масовий та індивідуальний. У селекції рослин застосовують різні форми гібри­дизації: споріднене, неспоріднене і міжвидове схрещу­вання. Як вам уже відомо, міжвидові гібриди рослин часто безплідні. Проте їх можна розмножувати веге­тативно або за допомогою самозапилення. Крім того, безпліддя міжвидових гібридів рослин долають, по­двоюючи кількість хромосом, тобто створюючи поліплоїдні форми. Ці форми порівняно з вихідними диплоїдними, мають більші розміри, підвищені жит­тєздатність і продуктивність. Поліплоїдні набори хро­мосом (порівняно зі спорідненими дикими видами) мають різні культурні рослини: картопля, суниці са­дові, деякі сорти цукрового буряка, м'якої пшениці тощо. Останнім часом створено високопродуктивні поліплоїдні сорти жита, гречки, кукурудзи, проса, льону, кавунів тощо.

Широко застосовують у селекції рослин щеплення — особливий спосіб штучного об'єднання частин різних рослин. Частину рослини, яку прищеп­люють, називають прищепою, а рослину, до якої її прищеплюють, - підщепою. Щеплення відрізняєть­ся від справжньої гібридизації тим, що приводить лише до неспадкових змін фенотипу прищепленої рос­лини, оскільки генотипи прищепи й підщепи не змінюються. Щеплення застосовують з різною метою. Насамперед для підсилення бажаних змін фенотипу внаслідок поєднання властивостей прищепи й підще­пи і поширення їх на весь новостворений організм. На­приклад, прищеплення до зимостійкої дички живців від південних високопродуктивних сортів плодових культур забезпечує поєднання високих смакових яко­стей прищепи з холодостійкістю підщепи. Саме так відомий російський селекціонер І.В. Мічурін створив новий сорт груші бере зимова, районований у середній смузі Росії та на півночі України.

Більшість сортів плодових культур е наслідком му­тацій у нестатевих клітинах, тому при розмноженні насінням вони повертаються до фенотипів батьківсь­ких форм. Отже, єдиними способами підтримати їхні властивості є або вегетативне розмноження, або щеп­лення до дички.

Унаслідок взаємодії прищепи й підщепи дістають нові корисні властивості, які можна використовувати в подальшій селекційній роботі.

Корисні властивості гібридів, одержані внаслідок щеплення, слід постійно підтримувати, періодично проводячи повторні щеплення, щоб уникнути виро­дження сорту.

У селекції рослин різні форми гібридизації застосо­вують спільно з дією мутагенних факторів. Подаль­шим добором серед мутантних нащадків створюють сотні нових сортів культурних рослин (пшениці, жита, ячменю, кукурудзи тощо), які за низкою показників переважають вихідні форми.

У селекції тварин застосовують ті самі методи, що і в селекції рос­лин, проте є і певні відмінності, пов'язані з особливос­тями організму тварин. Так, свійським хребетним тваринам притаманне лише статеве розмноження, тому безплідних міжвидових гібридів не можна роз­множувати вегетативно. В селекції тварин, як прави­ло, не застосовують масовий добір, оскільки кількість нащадків у них незначна і тому кожна особина стано­вить собою певну цінність.

Організм тварини має високий ступінь інтеграції, тому в селекційній роботі слід враховувати те, що у разі зміни певної ознаки можуть змінюватися й інші, пов'язані з нею. В селекції тварин застосовують як спо­ріднене схрещування (для переведення певних генів у гомозиготний стан), так і неспоріднене чи віддале­ну гібридизацію (для створення нових порід). Оскільки споріднене схрещування часто знижує життєздатність організмів, його застосовують лише як певний етап у селекційній роботі. Негативні його наслідки усувають за допомогою схрещування представників різних ліній або порід, що сприяє переведенню несприятливих реце­сивних алелей у гетерозиготний стан.

Широко використовують у селекції тварин і явище гетерозису. Наприклад, схрещуючи дюрокджерсійську і беркширську породи свиней, одержують нащадків, які за неповний рік досягають маси до 300 кг і більше, а схрещуючи м'ясні породи курей — корніш з білим плімутроком - скороспілих бройлерів.

Проте спадкові ознаки тварин, які цікавлять люди­ну, в особин однієї зі статей можуть не проявлятися. Наприклад, у самців великої рогатої худоби не про­являються такі ознаки, як молочність і жирномо­лочність, у півнів - несучість. Тому для з'ясування цих властивостей застосовують метод визначення яко­стей плідників за якостями їхніх нащадків. Він полягає в тому, що від плідників певної статі одержу­ють нащадків протилежної статі й порівнюють їхню продуктивність із середніми показниками по породі. Якщо вони виявляться вищими, то таких плідників можна використовувати у подальшій селекційній ро­боті. Але час використання таких плідників може бути обмеженим, оскільки перевірка їхніх якостей за якос­тями нащадків триває роками. Щоб не залежати від цього, в селекції тварин статеві клітини плідників зберігають при пониженій температурі, а потім за до­помогою штучного осіменіння дістають потрібну кількість нащадків.

Останнім часом зародків цінних порід тварин одер­жують штучно (як кажуть, «у пробірці»), а згодом для подальшого розвитку пересаджують у матку самки іншої породи. Це дає можливість дістати велику кількість нащадків з новими або цінними для люди­ни ознаками.

Мікроорганізми (прокаріоти і деякі мікро­скопічні еукаріоти, наприклад дріжджі) нині широко використовують у різних галузях народного господар­ства. За допомогою мікроорганізмів людина виробляє різноманітні антибіотики, вітаміни, амінокислоти, гормони тощо. Дріжджі використовують у хлібопе­карській, спиртовій, виноробній промисловості, у пи­воварінні тощо. Виведено гриби, здатні синтезувати кормові білки з відходів рослинництва і навіть нафти. Мікроорганізми виробляють основну кількість харчової лимонної кислоти. Створено штами мікро­організмів, які можуть вилучати рідкоземельні еле­менти й дорогоцінні метали з руд і промислових відходів. Для виробництва необхідних речовин і пре­паратів створена окрема галузь промисловості — мікро­біологічна. Мікроорганізми застосовують і у боротьбі зі шкідниками сільського і лісового господарств, а та­кож кровосисними та паразитичними видами.

Мікроорганізми мають низку особливостей, які вар­то враховувати в селекційній роботі. Насамперед бага­тьом із них не властивий статевий процес, і тому щодо них неможливо застосувати звичайну гібридизацію. Для збільшення різноманітності вихідного матеріалу використовують дію мутагенних факторів, а потім відбирають найпродуктивніші штами для подальшої селекційної роботи. У деяких випадках проводять штучне схрещування різних штамів за допомогою вірусів-бактеріофагів, здатних переносити спадкову інформацію від однієї бактеріальної клітини до іншої.

Багато мікроорганізмів має гаплоїдний набір хро­мосом або кільцеву молекулу ДНК (прокаріоти), що дає змогу мутаціям проявлятися вже в першому по­колінні нащадків. А завдяки швидким темпам роз­множення мікроорганізмів можна одержувати значну кількість нащадків.

У селекції мікроорганізмів широко застосовують методи генетичної і клітинної інженерії, про які ви дізнаєтеся у наступному параграфі.

2. Біотехнологія — су­купність промислових методів, у яких використову­ють живі організми або біологічні процеси. Людина з давніх-давен застосовує біотехнологічні процеси для виробництва різних речовин і харчових продуктів (сирів, молочних продуктів, тіста, пива тощо), але сам термін «біотехнологія» (від грец. біос - життя, технос — мистецтво і логос — учення) запровадили лише в 70-х роках XX століття.

У наш час різні види бактерій і грибів використову­ють у мікробіологічній промисловості для виробниц­тва антибіотиків, вітамінів, гормонів, ферментів, кормових білків тощо. У харчовій промисловості висо­копродуктивні штами мікроорганізмів дають змогу збільшити випуск високоякісних продуктів харчуван­ня (кисломолочних, сирів, пива), кормів для тварин (силос, кормові дріжджі) тощо.

Біотехнологічні процеси застосовують і для очищен­ня навколишнього середовища, зокрема стічних вод і ґрунту від побутового і промислового забруднення. Методи біологічного очищення ґрунтуються на здат­ності певних видів бактерій розкладати органічні сполуки, які потрапляють у довкілля. Завдяки селекційній роботі створено штами мікроорганізмів, здатних розкладати ті сполуки, які природні види не можуть мінералізувати. Для очищення стічних вод, природних водойм і ґрунту застосовують властивості деяких організмів накопичувати органічні та неор­ганічні сполуки або певні хімічні елементи у своїх клітинах (деякі види бактерій, водоростей, найпро­стіших).

Біотехнологічні процеси враховують і під час розроблення біологічних методів боротьби зі шкідни­ками сільського і лісового господарств, а також парази­тичними і кровосисними видами. Використовуючи штами певних видів мікроорганізмів (бактерій, грибів), виготовляють препарати, які ефективно зни­жують чисельність шкідливих видів, не забруднюючи при цьому довкілля токсичними сполуками. Необ­хідною умовою використання біологічних препаратів у біологічному методі боротьби е їхня безпечність для корисних видів організмів.

Останнім часом у розробці біотехнологічних про­цесів все ширше застосовують методи генетичної і клітинної інженерії, які дають можливість одержати різноманітні сполуки і препарати.

3. Генетич­на (генна) інженерія — прикладна галузь молекуляр­ної біології, яка розробляє методи перебудови геномів організмів вилученням або введенням окремих генів чи їхніх груп. Генна інженерія здійснює:

- синтез генів поза організмом, видалення з клітин і перебудову окремих генів;

- копіювання і розмноження виділених або синте­зованих генів;

- введення генів або їхніх груп у геном інших організмів;

- експериментальне поєднання різних геномів у одній клітині.

Для перенесення синтезованих або виділених генів, крім вірусів, використовують і плазміди (переважно одержані з клітин бактерій). Плазміди - позахромосомні фактори спадковості, найчастіше являють собою кільцеві молекули ДНК прокаріотів (наприк­лад, генетичний апарат мітохондрій і хлоропластів).

Об'єктами досліджень генетичної інженерії є пере­важно прокаріоти, хоча вчені працюють і з генами еукаріотів. Наприклад, у геном бактерій було введе­но гени пацюка і людини, які відповідають за синтез гормону інсуліну, і бактерії почали синтезувати цей гормон. Методами генетичної інженерії одержані білки-інтерферони, які захищають організм людини і тварин від вірусних інфекцій, гормон росту тощо. Що­річно зростає перелік медичних препаратів, одержа­них за допомогою методів генетичної інженерії.

Перед генетичною інженерією, незважаючи на її молодість, відкриваються значні перспективи. Крім розв'язання перелічених вище питань, у майбутньо­му генетична інженерія буде здатна вирішувати і гло­бальніші завдання. Серед них: видалення дефектних алелей на найранніших етапах індивідуального роз­витку і заміна їх нормальними, поєднання в одному геномі генів різних організмів тощо.

Наприклад, перенесення з клітин азотфіксуючих бактерій генів, які відповідають за фіксацію атмосфер­ного азоту, в клітини вищих рослин, значно скоротило б витрати на виробництво і внесення в ґрунт нітрат­них добрив.

Результати досліджень генетичної інженерії мають виняткове значення і для теоретичної біології. Завдя­ки їм зроблено важливі відкриття щодо тонкої будови генів, їхнього функціонування, структури геномів різних організмів. Подальший розвиток генетичної інженерії пов'язаний зі створенням банків генів, тоб­то колекцій генів різноманітних організмів.

Робота з геномами вищих організмів, крім техніч­них труднощів, пов'язана і з етичними проблемами. Втручання в генотип хребетних тварин і особливо лю­дини, навіть із найкращими намірами, може спричи­нити непередбачувані наслідки.

Клітинна (тканинна) інженерія — галузь біотехнології, в якій застосовують методи виділення клітин з організму і перенесення їх на поживні се­редовища, де вони продовжують жити і розмножу­ватися. Крім того, клітинна інженерія здійснює гібридизацію соматичних клітин організмів різних видів, родів, родин тощо. Тобто здійснює схрещуван­ня організмів, яке неможливо зробити іншим спосо­бом (людини і миші, людини і моркви, курки й дріжджів тощо). Гібридизація нестатевих клітин дає змогу створювати препарати, які підвищують стійкість організмів проти різних інфекцій, а також лікують ракові захворювання.

Завдяки вирощуванню нестатевих клітин певних видів організмів на поживному середовищі створюють культуру клітин (тканин) для отримання цінних речовин, що значно знижує собівартість лікарських препаратів (наприклад, препарати лікарської росли­ни женьшеню). Оскільки нестатеві клітини, як пра­вило, містять усю спадкову інформацію про організм, то існує можливість вирощувати з них значну кількість організмів з однаковими спадковими властивостями.

Перспективним напрямом клітинної інженерії є клонування організмів. Клон (від грец. клон - гілка, нащадок) — сукупність клітин або особин, які виник­ли від спільного предка нестатевим способом. Отже, клон складається з однорідних у генетичному відно­шенні клітин або організмів.

При клонуванні з незаплідненої яйцеклітини ви­даляють ядро і пересаджують у неї ядро нестатевої клітини іншої особини. Таку штучну зиготу переса­джують у матку самки, де зародок і розвивається. Ця методика дає можливість одержувати від цінних за своїми якостями плідників необмежену кількість нащадків, які є їхньою точною генетичною копією. Методом клонування вирощують різні організми.

Рекомендовано дивись онлайн:

Генетическая инженерия сегодня