Вопрос. Каллусная ткань, характеристика

Цели и задачи биотехнологии, как науки

Биотехнология - приклодная область биологии, разрбататывающая новые технологии с использованием живых организмов, выращивают их на ИПС(искуственные питательные среды) для получения нужных человеку веществ -гармоны, антибиотики, инсулин и т.д.

Объекты: бактерии и вирусы, дрожжи и микроскопические грибы, клетки растений и животных,нуклеиновые кислоты.

Главные напрвления: клеточная, кланирование и генная инженерия.

Во-первых, поддержание и активация путей обмена клеток, ведущих к накоплению целевых продуктов при заметном подавлении других реакций различияа у культивируемого организма;

 во-вторых, получение клеток или их составных частей (преимущественно — ферментов) для направленного изменения сложных молекул (на-пример, рестриктазы, изомеразы и т. д.);

 в-третьих, углубление и совершенствование рДНК-биотехнологии и клеточной инженерии на предмет получения особо ценных результатов в фундаментальных и прикладных разработках;

в-четвертых, создание безотходных и экологически безопасных биотехнологических процессов;

в-пятых, совершенствование и оптимизация аппаратурного оформления биотехнологических процессов с целью достижения максимальных выходов конечных продуктов при культивировании естественных видов с измененной наследственностью методами клеточной и генной инженерии;

в-шестых, повышение технико-экономических показателей биотехнологических процессов по сравнению с существующими.

Основные направления в развитие биотехнологии

Сельское хозяйство

1.получение новых пород животных, сортов растений, тканевых и клеточных культур

2.создание новых методов селекции (включая клонирование)

3.создание новых методов хранения и переработки пищевой продукции

4.получение белков и витаминов для увиличения ценности кормов

5.получение гербецидов и биосинтексициды с использованем вирусов, бактерий, низжих грибов и простейших, вырабатыв токсины губительные для вредных насекомых.

Промышленность

1.производство сырья для текстильной промышленности

2.получение метанола, этанола, биогаза для энергетики и хим.промышленности

3.переработка производственных и хозяйственных отходов.

3) медицина и ветеринария: получение вакцин, антибиотиков, витамин, интертерона, ферметов.

Кнтроль за состояием охраны среды

1.разрушение ксенобиотов (вещества, полученные синтетическим путем, не синтезируются и не разрушаются живыми организмами - полиэтилен)

2.утилизация промышленных отходов.

Вопрос № 3 Объекты биотехнологии.

Причины выбора объектов:

1. клетки способны вырабатывать нужные для человека вещества - белки, углеводы, витамины, гармоны и др.

2. биосинтез этих веществ внутриклеточ. экономичнее, технологичнее и доступнее, чем химический синтез

3. эти веществ аможно получать из отходов с/х, рыбной и пищевой промышленности, а также рост сырья - молочная сыворотка, древесная и т.д.

4. высокая скорость синтеза бактериальными клетками (размножение через 2п-60мин.), дрожжевыми (1,5-2часа), животными (24часа) позволяют получать большую биомассу клеток и веществ, которые синтезируются этими клетками.

Объекты биотехнологии: многочисленные представители групп живых организмов — микроорганизмы (вирусы, бактерии, протисты, дрожжи и др.), растения, животные, а также изолированные из них клетки и субклеточные структуры (органеллы). Биотехнология базируется на протекающих в живых системах физиолого-биохимических процессах, в результате которых осуществляются выделение энергии, синтез и расщепление продуктов метаболизма, формирование химических и структурных компонентов клетки.

Широкое применение в биотехнологии нашли культуры животных и растительных клеток. Известно, что строение, физиология и биотехнология животных и растительных клеток более сложные, чем у бактериальных клеток. Из культур животных и растительных клеток можно извлечь более широкий ассортимент продуктов сложной, цепной реакции, но процесс культивирования растительных и животных клеток более трудоемкий и дорогостоящий. Из культур тканей растений можно получать разнообразные соединения, используемые в медицине (алкалоиды, противовоспалительные вещества, противолейкозные и противоопухолевые, противобактериальные, сердечные и почечные средства, ферменты, витамины, опиаты и др.), сельском хозяйстве, химической и других отраслях промышленности. Животные клетки используют как для получения продукции, так и для выращивания в клетках вирусов с целью получения из них вакцин и диагностических препаратов.

 

Вопрос № 4 Клеточная биотехнология.

Клеточная биотехнология основывается на применении клеток, тканей и протопластов. Чтобы успешно управлять клетками, необходимо отделить их от растения и создать им все необходимые условия для успешного существования и размножения вне организма растения. Такой метод выращивания и размножения клеток носит название «культуры изолированных тканей» и получил особое значение из-за возможности применения в биотехнологии.

Клеточная инженерия — выращивание клеток вне организма на специальных питательных средах.

В основе клеточной инженерии лежит использование методов культивирования изолированных клеток и тканей на искусственной питательной среде в регулируемых условиях. Это стало возможным благодаря способности растительных клеток в результате регенерации формировать целое растение из единичной клетки. Условия регенерации разработаны для многих культурных растений — картофеля, пшеницы, ячменя, кукурузы, томатов и др. Работа с этими объектами делает возможным использование в селекции нетрадиционных методов клеточной инженерии — соматической гибридизации, гаплоидии, клеточной селекции, преодоления нескрещиваемости в культуре и др.

 

вопрос. Каллусная ткань, характеристика

Культура каллусных тканей представлена каллусными клетками, реже опухолевыми клетками. Она состоит из клеток недефференцированных или слабо дефференцированных, способных к неорганич. и неорганизов. росту. Каллус может образовываться на:

1. изолированных кусочках тканях-иксплантах, на НПС, инвитро

2. в местах поражения и травм у растений при этом образуется раневая паренхима, защищает место поранения. Каллусная ткань аморфна. Не имеет выраженной аналитической культуры, в зависимости от условий выращивания имеет резкую консистенцию:

1. рыхлую-состоит из недефференцировано сильно оводненных, лекго отделяющих друг от друга клеток, используется для получения суспензий;

2.средняя плотность- состоит из клеток, содержащих учасик мирестемы;

3.плотная - имеет самый высокий уровень дифференцировки, клетки содержат эл.камбия и проводящие системы.

Каллусная ткань, выращиваемая поверхностным способом, представляет собой аморфную массу тонкостенных паренхимных клеток, не имеющую строго определенной анатомической структуры. Цвет массы может быть белым, желтоватым, зеленым, красным. В зависимости от происхождения и условий выращивания каллусные ткани бывают:

- рыхлые, сильно оводненные, легко распадающиеся на отдельные клетки;

- средней плотности, с хорошо выраженными меристематическими очагами;

- плотные, с зонами редуцированного камбия и сосудов.

Как правило, в длительной культуре на средах, содержащих ауксины, каллусные ткани теряют пигментацию и становятся рыхлыми.

В цикле выращивания каллусной ткани клетки после ряда делений приступают к росту растяжением, дифференцируются как зрелая каллусная ткань и деградируют. Для того, чтобы не произошло старения, утраты способности к делению и дальнейшему росту, а также отмирания каллусных клеток, первичный каллус переносят на свежую питательную среду через 28 - 30 дней, то есть проводят пассирование или субкультивирование каллусной ткани.

6. Условия образования каллусных клеток;

Обязательным условием образования каллусных клеток является присутствие в ИПС 2нрупп гармонов:

1. ауксины - вызывают процесс дедиффиренцирования клеток (упрощение структур организма клеток и првращение их в каллусные)

2. цитокилины - учасвтвуют в процессе деления каллусных клеток.

Обязательным условием дедифференцировки растительной клетки и превращения ее в каллусную является присутствие двух групп фитогормонов: ауксинов, вызывающих процесс дедифференцировки клетки, подготавливающий ее к делению и цитокининов, вызывающих пролиферацию (деление) дедифференцированных клеток. Если в питательную среду, не содержащую этих гормонов, поместить растительный эксплант, состоящий из специализированных (дифференцированных) клеток, то деления клеток не произойдет и каллусная ткань не образуется. Это связано с неспособностью дифференцированных клеток к делению.

Характерной чертой заключительной фазы роста является утолщение вторичной клеточной оболочки и потеря клеткой способности к делению. Для того чтобы дифференцированные клетки вновь приобрели способность к делению, необходимо, чтобы произошла их дедифференцировка, т.е. клетки как бы возвратились в меристематическое состояние. Размножение дедифференцированных клеток приводит к анархическому (неорганизованному) росту, в результате чего образуется каллусная ткань. Таким образом, превращение специализированной клетки в каллусную связано с индукцией клеточного деления, способность к которому она потеряла в процессе дифференцировки.

7. Характеристика каллусных клеток по консистенции;

Неорганизованно растущая каллусная ткань характеризуется тремя типами клеток: мелкими, средними и крупными. При пассировании ткани на среду, содержащую индукторы органогенеза, мелкие клетки приступают к делению и формируют меристематические очаги. Деление клеток меристематического очага приводит либо к формированию почек и последующему развитию из них побегов (геммогенез), либо к ризогенезу.

 

Клетки меристемы с самых ранних стадий развития отличаются от каллусных высоким содержанием РНК и белка. При образовании соматических эмбриоидов каллусная клетка средних размеров обособляется, ограничивается плотной оболочкой, теряет крупные вакуоли. Она содержит крупное структурированное ядро с ядрышком. Клетка делится митотически, в результате чего возникают 2 клетки проэмбрио. Последующие деления клеток приводят к формированию шаровидного зародыша, а также органа, аналогичного суспензорам в зародышевом мешке семяпочки. Дальнейшее развитие соматического эмбриона через ряд стадий ведет к регенерации целого растения с корнями и побегами, так как в этом случае формируется биполярная структура.

 

Каллусы с высоким морфогенетическим потенциалом обычно матовые, компактные, структурированные, имеют зеленые хлорофиллсодержащие участки, которые представляют собой зоны морфогенеза. Впоследствии там формируются побеги или растения-регенеранты. В культуре также встречаются каллусы рыхлые, не имеющие глобулярного характера. Такие каллусы либо совсем не способны к органогенезу, либо формируют только корни. Появление корней свидетельствует о сдвиге гормонального баланса в сторону ауксинов, что препятствует образованию побегов. Эти каллусы могут остаться ризогенными, и регенерировать из них растения не удастся. Неморфогенные каллусы могут быть переведены в суспензионную культуру для получения вторичных метаболитов.

8. Сходства между каллусными и нормальными клетками;

- синтез вторичных метаболитов;

- морозо- и жаростойкость, устойчивость к низким и высоким температурам;

- фотопериодическая реакция связана с сохранением активности фитохромов;

- устойчивость к осмотически активным веществам, к засолению и т.п;

-каллусные кдетки, как обычные включают 3 фазы роста: деление, рястяжение, диффиренцировку, после чего происходит утолщение вторичной клеточной оболочки и потеря способности к делению, наступает старение клеток и отмирание.

 

9. Различия между каллусными и нормальными клетками;

1.Клеточный цикл у каллусных клеток длинее, чем у обычных

2.Каллусные клетки содержат специфические белки

3.Неконтролируются организмом, поэтому в среде-каллусных клетках на ИПС одновременно встречаются клетки разные по возрасту и генотипу (содежат разное число хромосом)

4.Энергетический обмен каллусных клеток отличается от нормальных тем, что в присутствии О₂ в каллустных клетках дыхание не подавляет брожение, поэтому АТФ образуется одновременно в кислродных и бескислородных условиях; причина- слабое развитие митохондриальных крист.

 

энергетический обмен это синтез энергии (АТФ) и ее расходования. Расходование АТФ происходит на процессы синтеза веществ, в том числе и углеводов, а также на размножение (увеличение клеточной массы) и др.. Пентозы это моносахара, содержащие 5 углеродных атомов. Главными из них (упрощаю) являются рибоза, входит в структуру РНК и дезоксирибоза - в ДНК. Обе пентозы альдегидоспирты.

Углеводы в форме дисахаров и полисахаров откладываются в запас (запасные вещества).

Различия: клеточный цикл у каллусных клеток длиннее, чем у обычных; каллусные клетки содержат специфические белки;(специфичность определяется необычными аминокислотами); не контролируются организмом (существуют вне организма); Имеют асинхронный неограниченный рост; клетки гетерогенны (неоднородны) по возрасту, и генотипу; АТФ (источник энергии) образуется одновременно в процессах дыхания и брожения

10 вопрос. Генетика (генотип) каллусных клеток
В 60-х годах прошлого века было установлено, чт каллусные клетки обладают генетической гетерогенностью иразной плоидностью (неодинаковое число хромосом). У каллусных клеток может быть:

1.полиплоидия -краткое увеличение числа хромосом (4п, 8п, 16п)

2.нормальнаядиплоидная форма (2п)

3.гетероплоидия - увеличение или уменьшение на 1 хромосому (2п+1).

Клетки каллусной ткани обладают выраженной генетической гетерогенностью. Генетическая неоднородность каллусных клеток выражается прежде всего в различной плотности, т.е. каллусные клетки отличаются по числу хромосом. Генетически стабильными in vitro являются меристематические ткани.

В каллусных и суспензионных культурах встречаются клетки, имеющие диплоидный набор хромосом, свойственный исходному растению, полиплоидные клетки, содержащие 3,4,5 и более хромосомных наборов. Наряду с полиплоидией в культуре каллусных тканей можно нередко наблюдать анеуплоидию (возрастание или уменьшение хромосомного набора на несколько хромосом). Чем длительнее культивируют каллусные клетки, тем больше они различаются по плоидности. В калусных клетках табака через четыре года культивирования совсем не остается диплоидных клеток: все клетки становятся полиплоидными иРазличия: клеточный цикл у каллусных клеток длиннее, чем у обычных; каллусные клетки содержат специфические белки;(специфичность определяется необычными аминокислотами); не контролируются организмом (существуют вне организма); Имеют асинхронный неограниченный рост; клетки гетерогенны (неоднородны) по возрасту, и генотипу; АТФ (источник энергии) образуется одновременно в процессах дыхания и броженияли анеуплоидными.

Кроме изменения плоидности, культивирование клеток и тканей растений in vitro вызывает появление в клетках хромосомных аббераций. Последние сказываются на биологических особенностях культивируемых тканей, изменяя их внешний вид, обмен веществ, скорость роста.

Генетическое разнообразие каллусных клеток позволяет использовать их для клеточных селекций на устойчивость к неблагоприятным факторам среды, фитопатогенам и на повышенную продуктивность.