КЛЕТОЧНАЯ И ТКАНЕВАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ

Биотехнология

Под редакцией

академика РАСХН В.С.Шевелухи

 

 

Рекомендовано

Министерством общего

И профессионального образования

Российской Федерации

В качестве учебника для студентов

Высших учебных заведений,

Обучающихся по сельскохозяйственным,

Естественнонаучным

И педагогическим специальностям,

И магистерским программам

 

 

Москва

«Высшая школа»

1998

УДК 631.147

ББК 40.0

С 29

 

Авторы:B.C. Шевелуха, Е.А. Калашникова, СВ. Дегтярев, Е.З. Кочиева, М.И. Прокофьев, Н.Н. Но­виков, В.М. Ковалев, Д.В. Калашников

Рецензенты:Нижегородская сельскохозяйственная академия: д-р биол.наук Л.И. Созонова (зав. каф. ботаники и физиологии расте­ний); канд. биол. наук. В.И. Цветкова (каф. ботаники и физиологии рас­тений); канд. биол. наук Ю.Ф. Красавцев (каф. разведения и генетики с/х животных)

 

С 29 Сельскохозяйственная биотехнология: Учеб./В.С. Шевелуха, Е.А. Калашникова, СВ. Дегтярев и др.: Под ред. B.C. Шевелухи — М.: Высш. шк., 1998.—416 с.

ISBN 5-06-003535-2

Учебник отражает современное состояние биотехнологии как науки и областей ее применения, содержит основные положения, методы и за­кономерности по биологии клеточных и тканевых культур, клональному микроразмножению и клеточной селекции растений; генетической инже­нерии и трансгенных растений и животных, включая молекулярные ос­новы конструирования векторных систем и применение •биотехнологиче­ских методов в растениеводстве и животноводстве. Значительное внима­ние уделено биотехнологическим процессам получения оздоровленного посадочного материала и кормовых препаратов для сельскохозяйствен­ных животных. Рассмотрены молекулярные и экологические аспекты применения фиторегуляторов. Обобщены основные достижения по при­менению биотехнологических методов и процессов в агропромышленном производстве.

 

ISBN 5-06-003535-2                      © Издательство «Высшая школа», 1998

Введение

Биотехнология как наука является важнейшим разделом со­временной биологии, которая, как и физика, стала в конце XXв. одним из ведущих приоритетов в мировой науке и экономике. Мировое признание она получила начиная с 1953 г. после вы­дающегося открытия Джеймса Уотсона и Френсиса Крика о структуре и пространственной организации двойной спирали ДНК. Рождение нового направления в биологии — генетиче­ской инженерии — условно можно отнести к 1972 г., когда в ла­боратории Бэрга впервые была синтезирована рекомбинантная молекула ДНК, что окончательно закрепило за биотехнологией важнейшее место в «табели о рангах» современных наук. «Межпиковые» работы выдающихся биологов А.А. Баева, А.Н. Белозерского, Эйвери, Г. Гамова, К. Кораны, Ф. Жакоба, Ж. Моно, Беквиста, Ю.А. Овчинникова, А.С Спирина, Р.В. Петро­ва и других дополнили последовательный ряд важнейших от­крытий по идентификации генов, выделению молекул ДНК из растительных, микробиальных и животных клеток, расшифров­ке генетического кода и механизмов экспрессии генов у прока­риот.

В 50-е годы в биологии возникает еще одно важное направ­ление— клеточная инженерия и связанная с ней клеточная биотехнология. Создателями этих направлений являются П.Ф. Уайт (США) и Р. Готре (Франция). В эти же и последующие годы в Российской Академии наук А.А. Курсанов и Р.Г. Бутен-ко развернули исследования в этой области и привлекли к ним многих молодых ученых отраслевых академий и вузов.

Генетическая и клеточная инженерия определили главнейшее ядро и направления современной биотехнологии, методы которой получили в 80-е годы широкое развитие и используются во мно­гих областях науки и производства в нашей стране и за рубе­жом. Биотехнология как наука может рассматриваться в двух измерениях — современном и традиционном классическом. Но­ вейшая биотехнология — это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования

3

генетически трансформированных биологических объектов для интенсификации производства или получения новых видов про­ дуктов различного назначения.

В традиционном, классическом, понимании биотехнология — это наука о методах и технологиях производства различных ве­ществ и продуктов с использованием природных биологических объектов и процессов (хлебопечение, квашение, виноделие, пиво­варение и др.).

Высшим достижением новейшей биотехнологии является ге­нетическая трансформация, перенос чужеродных генов и дру­гих материальных носителей' наследственности в клетки расте­ний, животных и микроорганизмов, получение трансгенных ор­ганизмов с новыми или усиленными свойствами и признаками. По своим целям и возможностям в перспективе это направле­ние является стратегическим. Оно позволяет решать коренные задачи селекции биологических объектов на устойчивость, вы­сокую продуктивность и качество продукции при оздоровлении экологической обстановки во всех видах производств. Однако для достижения этих целей предстоит преодолеть огромные трудности в повышении эффективности генетической трансфор­мации и прежде всего в идентификации генов, создании их бан­ков клонирования, расшифровке механизмов полигенной детер­минации признаков и свойств биологических объектов, обеспе­чении высокой экспрессии генов и создании надежных векторных систем. Уже сегодня во многих лабораториях мира, в том числе и в России, с помощью методов генетической инже­нерии созданы принципиально новые трансгенные растения", животные и микроорганизмы, получившие коммерческое при­знание.

Клеточная биотехнология, основанная на тотипотентности клеток, их способности к регенерации и продуцированию ими важнейших соединений вторичного синтеза, обеспечила уско­ренное получение новых важных форм и линий сельскохозяйст­венных растений, используемых в селекции на устойчивость, продуктивность и качество; размножение ценных генотипов, оз­доровление растений от вирусов, получение ценных биологиче­ских препаратов пищевого, кормового и медицинского назначе-ния. В этой области также возникло много трудностей, главны­ми из которых являются повышение частоты регенерации и осуществление нормального онтогенеза, расширение спектра и силы сомаклональных вариаций, усиление экспрессии генов, контролирующих важнейшие признаки и вторичный метабо­лизм веществ.

 

 

4

Всплеск исследований по биотехнологии в мировой науке произошел в 80-х годах, когда новые методологические и мето­дические подходы обеспечили переход к эффективному их ис­пользованию в науке и практике и возникла реальная возмож­ность извлечь из этого максимальный экономический эффект. Научно обоснованный прогноз свидетельствует о том, что в XXI в. биотехнологическая продукция составит не менее 20% всего объема товаров, поступающих на мировой рынок.

В нашей стране значительное расширение научно-исследо­вательских работ и внедрение их результатов в производство также было достигнуто в 80-е годыу В этот период в стране бы­ла разработана и активно осуществлялась первая общенацио­нальная программа по биотехнологии, были созданы межве­домственные биотехнологические центры, подготовлены квали­фицированные кадры специалистов-биотехнологов, организова­ны биотехнологические лаборатории и кафедры в селекционных центрах, отраслевых и зональных научно-исследовательских уч­реждениях и вузах. Наибольших результатов в области сель­скохозяйственной биотехнологии в эти годы достигли научные учреждения и учебные заведения ветеринарного и микробиоло­гического профилей, разработавшие методы и технологии полу­чения новых препаратов профилактического и терапевтического действия, а также штаммы микроорганизмов на генно-инже­нерной основе. В эти же годы были созданы лаборатории по трансплантации зигот и эмбрионов в животноводстве и новых форм и линий растений в селекционных центрах.

Однако в дальнейшем внимание к проблемам биотехноло­гии в стране ослабло, а их финансирование сокращено. В ре­зультате развитие биотехнологических исследований и их прак­тическое использование в России замедлилось, что привело к отставанию от мирового уровня, особенно в области генетиче­ской инженерии. В целях быстрейшего устранения этих недос­татков исследования необходимо усиление контактов с между­народными биотехнологическими центрами и научными учреж­дениями развитых и развивающихся стран — США, Велико­британии, Франции, Германии, Японии, Италии, Индии, Китая и других, а также усиление государственной поддержки этих исследований, что позволит в дальнейшем выйти в области био­технологии на мировой уровень. По клеточной биотехнологии результаты исследований ученых нашей страны уже сегодня не уступают зарубежным, а по ряду важных направлений и пре­восходят их.

Современный специалист, работающий в агропромышлен­ном производстве, может и должен овладеть методами биотех-

5

нологии, уметь использовать их для увеличения производства продукции сельского хозяйства, улучшения ее качества и эколо­гической чистоты, защиты природы от загрязнения и повыше­ния устойчивости всего агропромышленного производства. В этих целях в 1986 г. Московской сельскохозяйственной академи­ей им. К.А. Тимирязева впервые была создана кафедра сель­скохозяйственной биотехнологии, а затем такие кафедры были созданы во многих других вузах.

Настоящий учебник по сельскохозяйственной биотехнологии подготовлен с учетом мирового состояния биотехнологии как науки и отрасли производства и предназначен для студентов высших учебных заведений, обучающихся по сельскохозяйст­венным, естественнонаучным и педагогическим специальностям и магистерским программам.

Коллектив авторов учебника будет искренне благодарен всем за замечания и предложения по улучшению содержания учебника. Авторский коллектив: академик РАСХН B.C. Шеве-луха (введение, гл. 7), доцент Е.А. Калашникова (гл. 1), доцент СВ. Дегтярев (гл. 2 и 3 разд. 1—6), доцент Е.З. Кочиева (в гл. 3 разд. 7—12), член-корр. РАСХН М.И. Прокофьев (гл. 4), про­фессор Н.Н. Новиков (гл. 5), профессор В.М. Ковалев и доцент Д.В. Калашников (гл. 6).

 

ГЛАВА 1

КЛЕТОЧНАЯ И ТКАНЕВАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ

КУЛЬТУРА КЛЕТОК  И ТКАНЕЙ

Клеточная биотехнология базируется на использовании культуры клеток, тканей и протопластов. Для того чтобы мани­пулировать клетками, нужно выделить их из растения и соз­дать такие условия, при которых они могли бы жить и размно­жаться вне растительного организма. Метод культивирования изолированных клеток и тканей на искусственных питательных средах в стерильных условиях (invitro) получил название куль­туры изолированных тканей и приобрел особое значение в свя­зи с возможностью использования его в биотехнологии.

Биотехнология известна с давних времен, но как самостоя­тельная прикладная наука сформировалась в середине 70-х го­дов нашего столетия, когда человечество осознало необходи­мость первоочередного решения на принципиально новых осно­вах главнейших проблем современности — продовольственной, энергетической, ресурсной, загрязнения окружающей среды и др. Биотехнологические процессы базируются на использова­нии биосинтетического потенциала микроорганизмов, расти­тельных и животных клеток, тканей и органов, культивируемых на искусственных питательных средах. В настоящее время во многих странах мира развитию биотехнологии придается перво­степенное значение в силу ряда существенных преимуществ пе­ред другими видами технологий: биотехнологические процессы обладают низкой энергоемкостью, почти безотходны, экологиче­ски чистые. Вместе с тем, эти технологии предусматривают ис­пользование стандартного оборудования и препаратов, а также проведение исследований круглый год, независимо от климати­ческих условий, занимая при этом незначительные площади. Эти преимущества имеют непосредственное отношение к куль­туре клеток, тканей и органов растений.

 

 

7

Роль культуры изолированных клеток и тканей в биотехноло­гии следует рассматривать в трех направлениях. Первое связано со способностью изолированных растительных клеток продуциро­вать ценные для медицины, парфюмерии, косметики и других от­раслей промышленности вещества вторичного синтеза: алкалои­ды, стероиды, гликозиды, гормоны, эфирные масла и др. Как правило, вторичные вещества получают из каллусной ткани, вы­ращенной на твердой (агаризованной) или жидкой (суспензион­ная культура) питательной среде. На основе клеточных техноло­гий получают такие медицинские препараты, как диосгенин из клеток диоскореи, аймолин из клеток раувольфии змеиной, тони­зирующие вещества из клеток женьшеня, используемые в меди­цине и парфюмерии. Продуктивность культивируемых клеток в результате клеточной селекции может значительно превышать продуктивность целых растений. Преимуществом такого способа получения веществ вторичного синтеза является также возмож­ность использовать для этой цели растения, не произрастающие в наших природных условиях, и получать продукцию круглый год.

Второе направление — это использование культуры изоли­рованных тканей для размножения и оздоровления посадочного материала от вирусов и других патогенов. Этот метод, назван­ный клональным микроразмножением растений, позволяет по­лучать от одной меристемы сотни тысяч растений в год.

Третье направление — использование изолированных клеток в селекции растений, дающее возможность получать быстрорасту­щие растения, устойчивые к различным неблагоприятным факто­рам среды: засухе, засолению, низким и высоким температурам, фитопатогенам, тяжелым металлам и др. Вместе с тем, это на­правление предусматривает создание новых растений путем слияния изолированных протопластов и получения неполовых (со­матических) гибридов. Перенос в изолированные протопласты чу­жеродных генов с помощью методов генной инженерии позволяет получать в дальнейшем растения с новыми наследуемыми свой­ствами. Культивирование изолированных пыльников и семяпочек на искусственных питательных средах дает возможность получать гаплоиды, культивирование зародышей — прием, позволяющий получать растения из невсхожих (с плохо развитым эндоспермом) гибридных семян. А оплодотворение в пробирке позволяет пре­одолеть нескрещиваемость некоторых растений.

Успех в применении культуры клеток и тканей в первую очередь зависит от оптимизации физиологических процессов, обеспечивающих нормальное деление клеток, их дифференци-ровку и регенерацию из них взрослых растений. Наиболее сложной является регенерация растений из отдельных клеток. В первую очередь это касается злаковых растений. Поэтому

8
важнейшее значение имеет выяснение механизма морфогенеза invitro, регенерации и лежащих в их основе процессов.

Попытки культивировать изолированные от растений ткани делались давно, и в истории развития этого метода можно вы­делить несколько этапов.

I э т а п (1892—1902 гг.) связан с именами таких немецких исследователей, как Г. Хаберландт, Фехтинг, Рехингер. Они пытались культивировать в растворе сахарозы различные рас­тительные ткани, однако рост их не был получен. Лишь для сегментов стеблей одуванчика и тополя был получен первич­ный каллус и определен минимальный размер сегмента, спо­собного к каллусогенезу. Не достигнув экспериментальных ус­пехов, эти исследователи высказали ряд идей и гипотез, кото­рые нашли свое подтверждение значительно позже. Так, Хаберландт выдвинул гипотезу о тотипотентности любой живой растительной клетки, т. е. способности клеток реализовывать
свой потенциал развития и давать начало образованию целого растения при определенных условиях культивирования.

II этап (1902—1922 гг.) ознаменовался созданием первых питательных сред для культивирования тканей животных. Эти среды были природного происхождения и содержали, как пра­вило, плазму крови и зародышевую жидкость. Попытки вырас­тить изолированные растительные ткани на искусственных пи­тательных средах, содержащих растительные экстракты, оказа­лись неудачными, так как в экспериментах использовалисьмало подходящие для проявления ростовой активности клеткии ткани высших растений.

III этап (1922—1932 гг.). В этот период независимо друг от друга американский ученый В. Робине и немецкий ученый Котте показали возможность культивирования на твердых пи­тательных средах меристемы кончиков корня томатов и кукуру­зы. Однако через определенное время растительные ткани бу­рели и погибали. Подлинное развитие метода культуры тканей растений началось с 1932 г.

IV этап (1932—1940 гг.) связан с именем французского ученого Р. Готре, который показал возможность долгого куль­тивирования в условиях invitro растительных тканей за счет периодического пересаживания их на свежую питательную сре­ду. Это открытие дало новый толчок в работе по культуре тка­ни, который ознаменовался нарастающим числом новых объек­тов, успешно введенных в культуру.

V этап (1940—1960 гг.). С открытием в 1955 г. нового класса фитогормонов-цитокининов, и в частности кинетина, бы­ла получена возможность стимулировать деление клеток кусоч­ка ткани сердцевинной паренхимы табака, лишенной проводя-

9

щих пучков и камбия. В зависимости от концентрации и соот­ношения стимуляторов роста можно было усиливать деление клеток экспланта, поддерживать рост каллусной ткани, инду­цировать морфогенез. В этот период было оценено положитель­ное действие натуральных экстрактов типа эндосперма кокосо­вого ореха, каштана, кукурузы и других растений для поддер­жания неорганизованного клеточного роста и стимуляции процессов морфогенеза в культуре каллусных тканей и клеточ­ных суспензий.

VI эт а п (1960—1975 гг.). Наиболее важным событием это­го периода была разработка профессором Ноттингемского уни­верситета Э.К. Коккингом метода получения ферментативнымпутем изолированных протопластов из корней и плодов томатаи культивирования их в контролируемых условиях. Позже в 1970 г. в той же лаборатории Пауэром с сотр. было осуществ­лено искусственное слияние протопластов, что открыло новыйпуть к созданию соматических гибридов. Еще один метод, раз­работанный в этот период,— это микроразмножение растений вусловиях invitro с использованием меристемной культуры.Первоначально этот метод был разработан французским уче­ным Ж- Морелем для получения оздоровленного посадочногоматериала орхидей.

VII этап (1975 г.— по настоящее время). Продолжаетсябыстрое развитие техники invitro, изучение биологии культиви­руемых объектов, разрабатываются методы электрослиянияизолированных протопластов, методы мутагенеза и клеточной селекции, методы получения гаплоидных растений, совершенст­вуется метод глубинного культивирования клеток с использова­нием изолированных протопластов и векторов, созданных на ос­нове Ti- и Ri-плазмид Agrobacteriumtumefaciensи А. rhizogenes . С помощью методов генной инженерии разработан эффективный метод переноса генов для двудольных растений.Таким образом, за последние десятилетия был сделан большойшаг вперед в развитии технических приемов работы с изолированными тканями и клетками растений. Однако объектом ис­следования, как правило, служили однодольные и двудольныетравянистые растения и в редких случаях — древесные.

 

 

---

Дата добавления: 2021-01-20; просмотров: 690; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!