С помощью клеточной инженерии получают и размножают ценные сорта растений

Обновлено: 17.09.2024

Селекция — отбор и создание новых сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов с нужными человеку свойствами.

Породы животных, сорта растений, штаммы микроорганизмов — это совокупности особей, созданные человеком и обладающие какими-либо ценными для него качествами. Теоретической основой селекции является генетика.

Основные методы селекции

Отбор

В селекции действует естественный и искусственный отбор. Искусственный отбор бывает бессознательным и методическим. Бессознательный отбор заключается в сохранении человеком лучших особей для разведения и употреблении в пищу худших без сознательного намерения вывести более совершенную породу или сорт. Методический отбор осознанно направлен на выведение нового сорта или породы с желаемыми качествами. В процессе селекции наряду с искусственным отбором не прекращает своего действия и естественный отбор, который повышает приспособляемость организмов к условиям окружающей среды.

Сравнительная характеристика естественного и искусственного отбора

Показатели	Естественный отбор	Искусственный отбор
Исходный материал для отбора	Индивидуальные признаки организмов	Индивидуальные признаки организмов
Отбирающий фактор	Условия среды (живая и неживая природа)	Человек
Путь благоприятных изменений	Остаются, накапливаются, передаются по наследству	Отбираются, становятся производительными
Путь неблагоприятных изменений	Уничтожаются в борьбе за существание	Отбираются, бракуются, уничтожаются
Направленность действия	Отбор признаков, полезных особи, популяции, виду	Отбор признаков, полезных человеку
Результат отбора	Новые виды	Новые сорта растений, породы животных, штаммы микроорганизмов
Формы отбора	Движущий, стабилизирующий, дизруптивный	Массовый, индивидуальный, бессознательный (стихийный), методический (сознательный)

Массовый отбор — выделение из исходного материала целой группы особей с желательными признаками и получение от них потомства.
Индивидуальный отбор — выделение отдельных особей с желательными признаками и получение от них потомства.

Массовый отбор чаще применяют в селекции растений, а индивидуальный — в селекции животных, что связано с особенностями размножения растений и животных.

Гибридизация

Методом отбора нельзя получить новые генотипы. Для создания новых благоприятных комбинаций признаков (генотипов) применяют гибридизацию. Различают внутривидовую и межвидовую (отдалённую) гибридизацию.

Внутривидовая гибридизация — скрещивание особей одного вида. Применяют близкородственное скрещивание и скрещивание неродственных особей.

Близкородственное скрещивание (инбридинг) (например, самоопыление у растений) ведёт к повышению гомозиготности, что, с одной стороны, способствует закреплению наследственных свойств, но с другой — ведёт к снижению жизнеспособности, продуктивности и вырождению. Скрещивание неродственных особей (аутбридинг) позволяет получить гетерозисные гибриды. Если сначала вывести гомозиготные линии, закрепив желательные признаки, а затем провести перекрёстное опыление между разными самоопыляющимися линиями, то в результате в ряде случаев появляются высокоурожайные гибриды. Явление повышенной урожайности и жизнеспособности у гибридов первого поколения, полученных при скрещивании родителей чистых линий, называется гетерозисом. Основная причина эффекта гетерозиса — отсутствие проявления вредных рецессивных аллелей в гетерозиготном состоянии. Однако уже со второго поколения эффект гетерозиса быстро снижается.

Межвидовая (отдалённая) гибридизация — скрещивание разных видов.

Используется для получения гибридов, сочетающих ценные свойства родительских форм (тритикале — гибрид пшеницы и ржи, мул — гибрид кобылы с ослом, лошак — гибрид коня с ослицей). Обычно отдалённые гибриды бесплодны, так как хромосомы родительских видов отличаются настолько, что невозможен процесс конъюгации, в результате чего нарушается мейоз. Преодолеть бесплодие у отдалённых гибридов растений удаётся с помощью полиплоидии. Восстановление плодовитости у гибридов животных более сложная задача, так как получение полиплоидов у животных невозможно.

Полиплоидия

Полиплоидия — увеличение числа хромосомных наборов.

Полиплоидия позволяет избежать бесплодия межвидовых гибридов. Кроме того, многие полиплоидные сорта культурных растений (пшеница, картофель) имеют более высокую урожайность, чем родственные диплоидные виды. В основе явления полиплоидии лежат три причины: удвоение хромосом в неделящихся клетках, слияние соматических клеток или их ядер, нарушение процесса мейоза с образованием гамет с нередуцированным (двойным) набором хромосом. Искусственно полиплоидию вызывают обработкой семян или проростков растений колхицином. Колхицин разрушает нити веретена деления и препятствует расхождению гомологичных хромосом в процессе мейоза.

Индуцированный мутагенез

В естественных условиях частота возникновения мутаций сравнительно невелика. Поэтому в селекции используется индуцированный (искусственно вызванный) мутагенез — воздействие на организм в условиях эксперимента каким-либо мутагенным фактором для возникновения мутации с целью изучения влияния фактора на живой организм или получения нового признака. Мутации носят ненаправленный характер, поэтому селекционер сам отбирает организмы с новыми полезными свойствами.

Клеточная и генная инженерия

Селекция растений, животных и микроорганизмов

Селекция растений Для селекционера очень важно знать свойства исходного материала, используемого в селекции. В этом плане очень важны два достижения отечественного селекционера Н. И. Вавилова: закон гомологических рядов в наследственной изменчивости и учение о центрах происхождения культурных растений.
Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости: виды и роды, генетически близкие (связанные друг с другом единством происхождения), характеризуются сходными рядами в наследственной изменчивости. Так, например, у мягкой и твёрдой пшеницы и ячменя существуют остистые, короткоостые и безостые колосья. Зная наследственные изменения у одного вида, можно предвидеть нахождение сходных изменений у родственных видов и родов, что используется в селекции. Чем ближе между собой виды и роды, тем больше сходство в изменчивости их признаков. Н. И. Вавиловым закон был сформулирован применительно к растениям, а позднее подтверждён для животных и микроорганизмов.
В селекции растений наиболее широко используются такие методы, как массовый отбор, внутривидовая гибридизация, отдалённая гибридизация, полиплоидия.
Большой вклад в селекцию плодовых растений внёс отечественный селекционер И. В. Мичурин. На основе методов межсортовой и межвидовой гибридизации, отбора и воздействия условиями среды им были созданы многие сорта плодовых культур. Благодаря его работам многие южные сорта плодовых культур удалось распространить в средней полосе нашей страны.
Многие сорта культурных растений являются полиплоидными. Таковы некоторые сорта пшеницы, ржи, клевера, картофеля, свёклы и т. д. Сочетание отдалённой гибридизации с последующим получением полиплоидных форм позволило преодолеть бесплодие отдалённых гибридов. В результате многолетних работ Н. В. Цицина и его сотрудников были получены гибриды пырея и пшеницы, пшеницы и ржи (тритикале).
К наиболее важным достижениям селекции растений следует отнести создание большого количества высокопродуктивных сортов сельскохозяйственных растений.

Селекция животных

Как и культурные растения, домашние животные имеют диких предков. Процесс превращения диких животных в домашних называют одомашниванием (доместикацией). Почти все домашние животные относятся к высшим позвоночным животным — птицам и млекопитающим.
В селекции животных наиболее широко используются такие методы, как индивидуальный отбор, внутривидовая гибридизация (родственное и неродственное скрещивание) и отдалённая (межвидовая) гибридизация.
Использование индивидуального отбора связано с половым размножением животных, когда получить сразу много потомков затруднительно. В связи с этим селекционеру важно определить наследственные признаки самцов, которые непосредственно у них не проявляются (жирномолочность, яйценоскость). Поэтому оценка животных может быть осуществлена по их родословной и по качеству их потомства. Имеет определённое значение также учёт экстерьера, то есть совокупности внешних признаков животного. Подбор производителей в животноводстве особенно актуален в связи с применением в настоящее время искусственного осеменения, позволяющего получить от одного организма значительное число потомков. Родственное скрещивание ведёт к гомозиготности и чаще всего сопровождается уменьшением устойчивости животных к неблагоприятным факторам среды, снижением плодовитости и т. п. Для устранения неблагоприятных последствий используют неродственное скрещивание разных линий и пород. На основе межпородного скрещивания были созданы высокопродуктивные сельскохозяйственные животные (в частности М. Ф. Иванов создал высокопродуктивную породу свиней Белая украинская, породу овец Асканийская рамбулье). Неродственное скрещивание сопровождается гетерозисом, сущность которого состоит в том, что гибриды первого поколения имеют повышенную жизнеспособность и усиленное развитие. Примером эффективного использования гетерозиса служит выведение гибридных цыплят (бройлерное производство).
Отдалённая (межвидовая) гибридизация животных приводит к бесплодию гибридов. Но благодаря проявлению гетерозиса широко используется человеком. Среди достижений по отдалённой гибридизации животных следует отметить мула — гибрида кобылы с ослом, бестера — гибрида белуги и стерляди, продуктивного гибрида карпа и карася, гибридов крупного рогатого скота с яками и зебу, отдалённых гибридов свиней и т. д.

Селекция микроорганизмов

К микроорганизмам относятся прокариоты — бактерии, сине-зелёные водоросли; эукариоты — грибы, микроскопические водоросли, простейшие.
В селекции микроорганизмов наиболее широко используются индуцированный мутагенез и последующий отбор групп генетически идентичных клеток (клонов), методы клеточной и генной инженерии.
Деятельность микроорганизмов используют в промышленности, сельском хозяйстве, медицине. Ферментативную активность микроорганизмов (грибов и бактерий) используют в производстве молочных продуктов, хлебопечении, виноделии и др. С помощью микроорганизмов получают аминокислоты, белки, ферменты, спирты, полисахариды, антибиотики, витамины, гормоны, интерферон и пр.
Выведены штаммы бактерий, способные разрушать нефтепродукты, что позволит использовать их для очистки окружающей среды. Ведутся работы по перенесению генетического материала азотфиксирующих микроорганизмов в геном почвенных бактерий, которые этими генами не обладают, а также непосредственно в геном растений. Это позволит избавиться от необходимости производить огромное количество азотных удобрений.

Биотехнология — комплексная наука, разрабатывающая способы получения необходимых человеку веществ с помощью живых организмов..

Биотехнологические процессы давно используются в производстве хлеба, молочнокислых продуктов, вина, пива.

Объекты биотехнологии — микроорганизмы (бактерии, цианобактерии, грибы, протисты). Их особенности: короткий жизненный цикл, интенсивное размножение, большое разнообразие биохимических свойств, лёгкое получение мутантов.

В селекции микроорганизмов основными методами являются индуцированный мутагенез и отбор групп сходных по генотипу клеток с заданными свойствами.

В промышленных масштабах используется такое направление биотехнологии, как микробиологический синтез.

Микробиологический синтез — получение с помощью микроорганизмов ценных веществ: витаминов, белков, ферментов, лекарств и т. д.

Например, так получают незаменимую аминокислоту лизин (её добавляют в корм животных), антибиотики, уксусную и лимонную кислоты.

Из растительных клеток можно вырастить целый организм. С помощью этого метода получают и размножают ценные сорта растений.

К методам клеточной инженерии относится также гибридизация , т. е. слияние клеток . Разработаны методы гибридизации половых и соматических клеток.

Получение гибридных клеток, совмещающих свойства лимфоцитов и раковых клеток, позволяет быстро получить антитела.

добавление в ДНК кишечной палочки соответствующих человеческих генов дало возможность получать с помощью этой бактерии гормоны инсулин и соматотропин, необходимые в медицине.

Организмы, в геном которых встроены гены других видов, называют трансгенными , или генетически модифицированными (ГМО).

Клеточная инженерия — КЛЕТОЧНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ, конструирование специальными методами клеток нового типа. Клеточная инженерия включает реконструкцию жизнеспособной клетки из отдельных фрагментов разных клеток, объединение двух целых клеток, принадлежащих различным видам

Клеточная инженерия связана с культивированием отдельных клеток или тканей на специальных искусственных средах|средах. Доказано, что если взять кусочки ткани и отдельные клетки из разных органов|органов, допустим|допустим, растений, хотя это возможно и у животных, и пересадить их на специальные среды|среды, содержащие минеральные соли|соли и другие вещества, то они способны расти. Это значит, что в таких изолированных от организма тканях и клетках продолжаются клеточные деления.

Новейшим методом клеточной селекции у растений, уже давшим огромный эффект, является метод|метод гаплоидов. Гаплоидные клетки имеют половинный набор хромосом. Пыльцевые зерна|зёрна (пыльца) имеют гаплоидный набор хромосом. Сейчас разработан метод|метод проращивания пыльцевых зёрен на искусственных средах|средах в пробирках и получения из них полноценных гаплоидных растений. Какое это имеет отношение к селекции? У полученных гибридов берут пыльцу, на питательных средах|средах в пробирках регенерируют из неё гаплоидные растения, а затем удваивают у них число хромосом и сразу получают полностью гомозиготные диплоидные растения. Так как мы берём пыльцу из гибридных растений и получаем через гаплоидные растения сразу гомозиготные диплоидные, то остаётся только оценить их и затем размножить лучшие.

При гибридизации соматических клеток растений их предварительно освобождают от плотной клеточной оболочки, а затем проводят слияние изолированных протопластов. В этом случае, как и при гибридизации клеток животных, также удаётся преодолевать барьеры нескрещиваемости, которые существуют при обычной (половой|половой) гибридизации растений разных видов и родов|родов. Из гибридной растительной клетки на специальной среде можно вырастить клеточную массу – каллюс, дифференцирующуюся в нормальное целое растение с корнями, стеблями|стеблями и т. д. Такое гибридное растение можно высадить в землю и выращивать и размножать обычными способами. Эти методы, в отличие от традиционных, позволяют сравнительно легко и быстро получать достаточное количество генетически разнообразного исходного материала для селекции. Их применение привело, напр., к увеличению урожайности ряда культур – картофеля, цитрусовых и др.

Другое направление клеточной инженерии – манипуляции с безъядерными клетками, свободными ядрами и другими фрагментами, сводящиеся к комбинированию разнородных частей клетки. Эти эксперименты, а также микроинъекции в клетку хромосом, красителей и т. п. проводят для выяснения взаимных влияний ядра|ядра и цитоплазмы, факторов, регулирующих активность генов, и т. п.

Путём соединения клеток разных зародышей на ранних стадиях их развития выращивают мозаичных животных, или химер, состоящих из двух различающихся генотипами видов клеток. С помощью таких экспериментов изучают процессы дифференцировки клеток и тканей в ходе развития организма.

Ведущиеся уже не одно десятилетие опыты по пересадке ядер соматических клеток в лишённые ядра|ядра (энуклеированные) яйцеклетки животных с последующим выращиванием зародыша во взрослый организм с кон. 20 в. получили широкую известность как клонирование животных.

Преимущество клеточной инженерии в том, что она позволяет экспериментировать с клетками, а не с целыми организмами. Последнее гораздо сложнее, а иногда и невозможно, особенно в случае млекопитающих животных и человека или при получении отдалённых гибридов. Методы клеточной инженерии в медицине, сельском хозяйстве или биотехнологии часто применяют в сочетании с генной инженерией.

Видео по теме : Клеточная инженерия

Каждый живой организм состоит из клеток: начиная от бактерии, заканчивая высшими млекопитающими. Высшие организмы состоят из органов|органов, органы|органы состоят из тканей, ткани состоят из клеток. Всё|Все свойства любого организма определяются его геномом, который находится в клетке (в любой|любой из клеток данного организма).

Генная и клеточная инженерия (это одно понятие) занимается вопросами связи между устройством ДНК и наследственными свойствами организмов. Конечно, она вооружена такими методами, о которых раньше, например, во времена Менделя, и мечтать не смели|смели.

Метод|Метод клеточной инженерии заключается на современном этапе в том, что специалисты получают фрагменты ДНК различных организмов и встраивают их в ДНК организма, выбранного как объект исследования. Этот метод|метод на языке учёных, обожающих специальные термины, называется экспрессией рекомбинантных ДНК. В качестве инструмента берутся рестриктазы — особые бактериальные ферменты, способные расщеплять ДНК. Их и называют образно — биологическими ножами.

Цель, которую несёт в себе клеточная инженерия: получение лекарств, выведение качественных сортов культурных растений, создание новых пород животных, и как высшая точка — избавление нашей цивилизации от всех болезней. Те, кто спорит (не хочется называть их мракобесами) должны иметь в виду, что один только синтетический инсулин спас и спасает миллионы диабетиков и продлевает им жизнь на десятки лет!

Опасения по поводу генной инженерии берут начало|начало с момента её рождения в 1972-ом году, когда группа П. Берга (США) синтезировала первую рекомбинантную ДНК из онкогенного вируса обезьян SV40 и E.coli. Последнее — это кишечная палочка, без которой человек не может жить. И в неё встроен вирус, вызывающий рак. Учёные в прямом смысле испугались, и даже не стали продолжать работы в тот момент. Наступил долгий период постановки исследований под строжайший контроль государства, сравнимый с контролем над работами по ядерному оружию.

К счастью, сложность и стоимость биологических генных работ сопоставима по сложности и стоимости с атомными исследованиями, и поэтому не по карману потенциальным террористам.

Клеточная технология и инженерия

Ключевые слова: клеточная технология и инженерия, клеточная инженерия, метод культуры клеток и тканей, тотипотентностъ, микроклоналъное размножение растений, соматическая гибридизация, гибридомы, моноклональные антитела, метод трансплантации ядер, клонирование.
Раздел ЕГЭ: 3.9. Биотехнология, ее направления. Клеточная и генная инженерия, клонирование…

Клеточной инженерией называют эксперименты с изолированными клетками организмов, которые позволяют конструировать клетки нового типа путём гибридизации и слияния клеточных структур (ядер, митохондрий, хлоропластов) для получения организмов с заданными свойствами. Предпосылкой к развитию клеточной инженерии стала клеточная технология, использующая методы выращивания клеток и тканей на питательных средах (in vitro).

Микроклональное размножение растений

Выращивание клеток и тканей на питательных средах получило название метода культуры клеток и тканей. Его создание связано с работами американского и французского учёных

Ф. Уайта и Р. Готре, проводившимися в начале XX в. Положительные результаты впервые были получены на моркови. Кусочек растительной ткани — эксплант — был выделен из корнеплода растения и помещён на питательную среду, содержащую минеральные соли, аминокислоты, гормоны и другие необходимые для роста и развития вещества. В результате митотического деления эксплант образовал однородную неспециализированную клеточную массу — каллус, клетки которого обладали тотипотентностью (от лат. totus — целый и potentia — сила) — способностью давать начало любому типу клеток. При разделении клеток и добавлении в питательную среду фитогормонов ауксинов и кининов, обеспечивающих рост и дифференцировку клеток, были получены небольшие по размеру растения-регенеранты, похожие на проростки. Эти растения отмыли от питательной среды и пересадили на поле, где они развились в полноценные экземпляры моркови.

Микроклональное размножение моркови

Таким образом, метод культуры клеток и тканей позволяет размножить какое-либо растение в искусственно созданных условиях, т. е. создать его клон. Главное преимущество микроклонального размножения растении по сравнению с семенным размножением состоит в том, что с его помощью можно за короткое время получить большое число генетически однородных особей, способных к быстрому росту, обладающих калиброванными качествами и не заражённых возбудителями болезней. В настоящее время в некоторых европейских странах, например Голландии и Финляндии, весь посадочный материал получают с помощью метода культуры клеток и тканей. В России существуют питомники микроклонального размножения овощных, плодовых и декоративных культур, в которых производят посадочный материал для выращивания картофеля, томатов, смородины, яблони, земляники, роз, гвоздик и др.

Соматическая гибридизация

Искусственное объединение целых клеток с образованием гибридных геномов называют соматической гибридизацией. С помощью метода клеточной технологии были созданы отдалённые гибриды соматических клеток не только растений, но и животных.

Путём соматической гибридизации клеток культурного картофеля (Solarium tuberosum) и дикого (Solarium chacoense) был выведен новый сорт, отличающийся необычайной мощностью куста и устойчивый к ряду заболеваний. Для гибридизации использовались протопласты клеток двух видов картофеля, лишённые клеточной стенки и имеющие только наружную плазматическую мембрану. Они выращивались на питательной среде, где и происходило их слияние с образованием гибридного каллуса и дальнейшее развитие из него соматического гибридного растения. Благодаря хозяйственно ценным признакам полученный соматический гибрид картофеля стал затем широко использоваться в практической селекции. Половой же гибрид этих двух видов картофеля такими признаками не обладает.

Гибридизация картофеля: 1 — родительская форма S. tuberosum; 2 — соматический гибрид; 3 — родительская форма S. chacoense; 4 — половой гибрид

Иные задачи стоят перед клеточной инженерией в отношении работы с животными клетками. Например, важным вопросом иммунологии является регуляция иммунного ответа организма на конкретный антиген. Его решение позволит преодолеть проблемы трансплантационного (при пересадке органов и тканей), противоопухолевого и противовирусного иммунитета. Разработка направления клеточной инженерии, связанного с созданием антител определённой специфичности, приближает решение этих проблем.

Для получения таких антител конструируют гибридомы (от лат. hybrida — помесь и ота — опухоль) — гибридные клетки, образованные из протопластов лимфоцитов селезёнки иммунизированных животных и раковых клеток. Гибридомы производят один вид антител — моноклональные антитела (свойство, характерное для лимфоцитов) и способны неограниченно размножаться (свойство раковых клеток). В 1975 г. немецкий и английский учёные Г. Кёллер и Ц. Милыитейн описали методику получения моноклональных антител от гибридомы В-лимфоцитов селезёнки мышей и опухолевых клеток мышиной плазмоцитомы (рис. 269). За эту работу они были удостоены Нобелевской премии.

В настоящее время получено большое разнообразие моноклональных антител (от разных гибридом). Их используют в медицине для нейтрализации дифтерийного и столбнячного токсинов, змеиных ядов, для распознавания антител и антигенов, а также биологически активных веществ (гормонов, ферментов), находящихся в крови, плазме и лимфе. Моноклональные антитела обладают преимуществом перед кровяными сыворотками, так как по специфичности действия служат идеальными реагентами на конкретный антиген. Введённые в организм моноклональные антитела блокируют антигены, поэтому их применяют с целью ранней диагностики онкологических заболеваний. Моноклональные антитела способны доставлять к клеткам опухоли радиоактивные вещества, позволяющие точно обнаружить её местонахождение в организме, а также лекарственные препараты, обеспечивающие разрушение опухоли.

Реконструкция яйцеклеток и клонирование животных

В 1952 г. американские учёные Р. Бриггс и Т. Кинг разработали хирургический метод трансплантации ядер эмбриональных клеток лягушки. Осуществляли такую трансплантацию с помощью микропипетки. Учёные установили, что если брать ядра из клеток зародыша на стадии бластулы, то примерно в 80 % случаях зародыши благополучно развиваются и превращаются в нормальных головастиков. Реконструированные таким способом яйцеклетки давали начало новому полноценному организму, причём его признаки полностью определялись генами, содержащимися в хромосомах пересаженных в яйцеклетки ядер.

Результатом этих работ стало открытие способности соматических ядер обеспечивать нормальное развитие яйцеклеток в зародыши. Эксперименты доказали, что наследственный материал соматических клеток способен сохраняться полноценным в функциональном отношении, а дифференцировка клеток является результатом активности и блокировки определённых генов. Методом трансплантации ядер соматических клеток в яйцеклетки получены клоны амфибий, рыб, мышей, кроликов, овец и др.

Развитие взрослой лягушки из реконструированной яйцеклетки

Уникален опыт по клонированию домашних овец. В 1997 г. была опубликована статья шотландского учёного Яна Уилмута, в которой сообщалось, что в результате использования донорского ядра клетки молочной железы овцы породы Финский дорсет было получено клональное животное — овца по кличке Долли. В эксперименте использовались не только эмбриональные клетки, но и фибробласты (клетки соединительной ткани) плода, а также клетки молочной железы взрослой овцы. Все три типа клеток принадлежали разным породам овец и имели одинаковое число хромосом — 54. Деление клеток всех трёх типов на определённой стадии останавливали и ядра клеток овцы-донора пересаживали в ооциты овцы-реципиента.

Читайте также: