Тема 1 Введение в сельскохозяйственную биотехнологию

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИК КАЗАХСТАН

КАРАГАНДИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Химия и химическая технология»

Н.Г. АМАНТАЕВ, С.Н. ДЕРБУШ

Сельскохозяйственная биотехнология

Для студентов специальности 5В070100 – «Биотехнология»

Всех форм обучения

Утверждено Ученым советом в качестве учебного пособия

Караганда 2018

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

КАРАГАНДИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Н.Г. АМАНТАЕВ, С.Н. ДЕРБУШ

Сельскохозяйственная биотехнология

Караганда 2018

УДК 636.082:631.527

ББК 28.64+28.54я7

А 61

    

Рекомендовано Редакционно-издательским советом университета

 

Рецензенты:

Омарова Н.К. – доцент кафедры химии и химической тенологии Карагандинского государственного технического университета, кандидат технических наук;

Лосева И.В. – кандидат биологических наук, доцент, зав. кафедрой фармакогнозии с курсом химии КГМУ

Нурмагамбетова М.С. – член Редакционно-издательского совета КарГТУ, кандидат химических наук, доцент кафедры ПО 

 

 

Амантаев Н.Г.

Сельскохозяйственная биотехнология: Учебное пособие / Амантаев Н.Г., Дербуш С.Н.; Карагандинский государственный технический университет. – Караганда: Изд-во КарГТУ, 2018. – 96 с.

 

ISBN

 

Учебное пособие содержит теоретический и практический материал, используемый  в образовательном процессе для изучения профилирующих дисиплин по биотехнологии.

Предназначено для бакалавров и магистрантов по специальности 5В070100 «Биотехнология» всех форм обучения. 

 

ISBN

© Карагандинский государственный

технический университет, 2018

Содержание

 

Тема 1 Введение в сельскохозяйственную биотехнологию	4
Тема 2 Культивируемые клетки растений как объект биотехнологии	12
Тема 3 Клональное микроразмножение и оздоровление растений	22
Тема 4 Преодоление in vitro прогамной и постгамной несовместимости	28
Тема 5 Клеточная селекция и инженерия	31
Тема 6 Генетическая инженерия растений и сохранение in vitro генофонда	48
Тема 7 Общебиологические основы биотехнологии животных	65
Тема 8 Клонирование животных	80
Тема 9 Генетическая трансформация	87
Заключение	94
Список использованной литературы	95

 

Тема 1 Введение в сельскохозяйственную биотехнологию

План лекции:

1. Биотехнология: зарождение, становление и развитие.

2. Объекты и методы биотехнологии.

3. Основные направления и задачи современной биотехнологии.

4. Многообразие биотехнологических процессов. Основные направления биотехнологии.

5. Связь биотехнологии с другими биологическими и сельскохозяйственными науками.

6. Биотехнология растений и животных.

7. Биоэтика.

 

Термин "биотехнология" впервые был применен в 1917 году венгерским инженером Карлом Эреки, который описал процесс крупномасштабного производства свинины. По словам К.Эреки, биотехнология - это «все линии работ, которые производят продукты при помощи живых существ». Но официальным научным признанием для биотехнологии стал 1961 год, когда шведский микробиолог Карл Геран Хэден рекомендовал переименовать научный журнал «Микробиология, биохимическая инженерия и технология» на «Биотехнология и биоинженерия». С этого времени биотехнология неотъемлемо связана с «промышленным производством товаров и обслуживанием процессов путем использования биологических организмов, систем и процессов» (Bernard R.GIick, 1998).

В конце 1960-х и начале 70-х гг. биотехнология свои исследования сосредоточивает в области клеточных технологий, таких как экстракорпоральное оплодотворение, культивирование, криоконсервация гамет и клеток. А с 1973 года биотехнология проникает уже в область молекулярных разработок («конструирование» рекомбинантных ДНК) со специализированными программами микробиологии («векторная» микробиология). Такое развитие свидетельствует о том, что чем глубже наши знания в области живой материи, тем шире влияние биотехнологии на нашу жизнь.

Стратегии и экспериментальные основы биотехнологии подвергаются быстрым изменениям в пределах короткого времени (1978-1990 гг.). Если на ранних стадиях своего развития биотехнология могла только "повлиять" на один какой-либо биологический процесс (например, экстракорпоральное оплодотворение), то в настоящее время она может изменить геном всей популяции (трансгеноз). Для будущего в биотехнологии неизбежным является применение методов, обеспечивающих развитие биосистем с новыми функциями и способностями синтезирования важных коммерческих продуктов метаболизма.

Первый трансгенный организм (мышь) был получен Дж. Гордоном с сотрудниками в 1980  году (они использовали метод микроинъекции ДНК в пронуклеус оплодотворенного яйца).

Конечной целью всех исследований в области биотехнологии является развитие коммерческой продукции. Следовательно, движущим рычагом в развитии биотехнологии является экономика. В экономически развитых странах биотехнология развивается очень быстро и прогрессивно. "Китами" в этой сфере являются Америка, страны Европы (Англия, Германия, Франция, Нидерланды) и Япония. В удельном весе 50% от всей биотехнологической продукции приходится на Соединенные Штаты, 20% - на Европу, 11 % - на Японию и 9% - на экономически менее развитые страны. Так, в настоящее время в мире насчитывается примерно 3000 компаний, занимающихся клонированием генов, из которых 1500 принадлежат Америке. И это не мелкие, раздробленные компании, а целые корпорации, которые действуют как одно целое звено с целью производства генетико-проектируемых антител в борьбе с инфекционными болезнями, раком и другими "погрешностями" человека. В Японии биотехнология является "национальным приоритетом" и действует как "стратегическая промышленность". Европейская биотехнологическая промышленность также имеет устойчивое развитие.

Для всех действующих биотехнологических компаний и корпораций важным условием является то, что биотехнология вносит беспрецедентную выгоду человечеству. Это должно:

- обеспечивать возможности точно диагностировать, предотвращать и вылечивать широкий диапазон инфекционных и генетических болезней;

- развивать микроорганизмы, которые произведут антибиотики, полимеры, аминокислоты, ферменты и другие продовольственные добавки;

- значительно увеличить урожай путем создания сортов растений, стойких к паразитам и вирусным заболеваниям;

- развивать племенное животноводство путем создания скороспелых животных с повышенной резистентностью;

- облегчать удаление загрязнителей окружающей среды.

Положительные аспекты биотехнологии не исключают возникновение вопросов, которые на сегодняшний день остаются открытыми.

Вполне достижимой целью при современном уровне технологии является создание трансгенных животных с определённым целевым геном. Например, ген какого-нибудь ценного гормона животного (например, гормона роста) искусственно внедряется в бактерию, которая начинает продуцировать его в больших количествах. Еще один пример: трансгенные козы, в результате введения соответствующего гена, могут вырабатывать специфический белок, фактор VIII, который препятствует кровотечению у больных, страдающих гемофилией, или фермент, тромбокиназу, способствующий рассасыванию тромба в кровеносных сосудах, что актуально для профилактики и терапии тромбофлебита у людей. Трансгенные животные вырабатывают эти белки намного быстрее, а сам способ значительно дешевле традиционного.

В конце 90-х годов XX в. учёные США вплотную подошли к получению сельскохозяйственных животных методом клонирования клеток эмбрионов, хотя это направление нуждается еще в дальнейших серьезных исследованиях. А вот в ксенотрансплантации – пересадке органов от одного вида живых организмов другому, - достигнуты несомненные результаты. Наибольшие успехи получены при использовании свиней, имеющих в генотипе перенесенные гены человека, в качестве доноров различных органов. В этом случае наблюдается минимальный риск отторжения органа.

Учёные также предполагают, что перенос генов поможет снизить аллергию человека к коровьему молоку. Целенаправленные изменения в ДНК коров должны привести также к уменьшению содержания в молоке насыщенных жирных кислот и холестерина, что сделает его еще более полезным для здоровья.

Биотехнология использует микроорганизмы и вирусы, которые в процессе своей жизнедеятельности вырабатывают естественным путем необходимые нам вещества - витамины, ферменты, аминокислоты, органические кислоты, спирты, антибиотики и др. биологически активные соединения.

Объектами биотехнологии являются вирусы, бактерии, грибы, протозойные организмы, клетки (ткани) растений, животных и человека, вещества биологического происхождения (например, ферменты, лектины, нуклеиновые кислоты), молекулы.

В этой связи можно сказать, что объекты биотехнологии относятся либо к микроорганизмам, либо к растительным и животным клеткам.

Методы, применяемые в биотехнологии, определяются двумя уровнями: клеточным и молекулярным. Тот и другой определяются биобъектами.

В первом случае дело имеют с бактериальными клетками (для получения вакцинных препаратов), актиномицетов (при получении антибиотиков), микромицетов (при получении лимонной кислоты), животных клеток (при изготовлении противовирусных вакцин), клеток человека (при изготовлении интерферона) и др.

Во втором случае дело имеют с молекулами, например с нуклеи­новыми кислотами. Однако в конечной стадии молекулярный метод трансформируется в клеточный. Клетки животных и растений, микробные клетки в процессе жизнедеятельности (ассимиляции и диссимиляции) образуют новые продукты и выделяют метаболиты разнообразного физико-химического состава и биологического действия.

Как наиболее перспективные следует выделить следующие группы биологических объектов:

- рекомбинанты, т.е. организмы, полученные методами гене­тической инженерии;

- растительные и животные тканевые клетки;

- термофильные микроорганизмы и ферменты;

- анаэробные организмы;

- ассоциации для превращения сложных субстратов;

- иммобилизованные биологические объекты.

Процесс искусственного создания биологического объекта (мик­роорганизма, или тканевой клетки) состоит в изменении его генетической информации с целью исключить нежелательные и усилить нужные свойства или придать ему совершенно новые качества. Наиболее целенаправленные изменения можно выполнить путем рекомбинаций - перераспределяя гены или части генов и объединяя в одном организме генетическую информацию от двух и более организмов. Получение рекомбинантных организмов, в частности, можно осуществить методом слияния протопластов, путем переноса природных плазмид и методами генной инженерии.

Человечеству необходимо научиться эффективно изменять наследственную природу живых организмов, чтобы обеспечить себя доброкачественной пищей и сырьем и при этом не привести планету к экологической катастрофе. Поэтому не случайно главной задачей в наше время стало решение проблемы создания новых форм растений, животных и микроорганизмов, хорошо приспособленных к индустриальным способам производства, устойчиво переносящих неблагоприятные условия, эффективно использующих солнечную энергию и, что особенно важно, позволяющих получать биологически чистую продукцию без чрезмерного загрязнения окружающей среды. Принципиально новыми подходами к решению этой фундаментальной проблемы является использование в селекции генной и клеточной инженерии.

Главными направлениями биотехнологии являются:

1) производство с помощью микроорганизмов и культивируемых эукариотических клеток биологически активных соединений (ферментов, витаминов, гормональных препаратов), лекарственных препаратов (антибиотиков, вакцин, сывороток, высокоспецифичных антител и др.), а также белков, аминокислот, используемых в качестве кормовых добавок; 2) применение биологических методов борьбы с загрязнением окружающей среды (биологическая очистка сточных вод, загрязнений почвы и т. и.) и для защиты растений от вредителей и болезней;

3) создание новых полезных штаммов микроорганизмов, сортов растений, пород животных и т. п.

Современная биотехнологиятесно стыкуется с рядом научных дисциплин, осуществляя их практическое применение или же являясь их основным инструментом.

В молекулярной биологии использование биотехнологических методов позволяет определить структуру генома, понять механизм экспрессии генов, смоделировать клеточные мембраны с целью изучения их функций и т.д. Конструирование нужных генов методами генной и клеточной инженерии позволяет управлять наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов и создавать организмы с новыми полезными для человека свойствами, ранее не наблюдавшимися в природе.

Микробиологическая промышленность в настоящее время использует тысячи штаммов различных микроорганизмов. В большинстве случаев они улучшены путем индуцированного мутагенеза и последующей селекции. Это позволяет вести широкомасштабный синтез различных веществ.

Некоторые белки и вторичные метаболиты могут быть получены только путем культивирования клеток эукариот. Растительные клетки могут служить источником ряда соединений - атропин, никотин, алкалоиды, сапонины и др. Клетки животных и человека также продуцируют ряд биологически активные соединений.

Созданы перевиваемые культуры клеток животных, продуцирующие моноклональные антитела, широко применяемые для диагностики заболеваний. В биохимии, микробиологии, цитологии несомненный интерес вызывают методы иммобилизации как ферментов, так и целых клеток микроорганизмов, растений и животных. В ветеринарии широко используются такие биотехнологические методы, как культура клеток и зародышей, овогенез in vitro, искусственное оплодотворение. Все это свидетельствует о том, что биотехнология станет источником не только новых продуктов питания и медицинских препаратов, но и получения энергии и новых химических веществ, а также организмов с заданными свойствами.

Биотехнология растений - новая отрасль науки и производства, основанная на использовании культивируемых in vitro клеток растений. Культивируемые клетки растений благодаря сохранению способности синтезировать свойственные данному виду ценные вторичные метаболиты используются для создания клеточных технологий с целью получения промышленным способом экономически важных веществ. Уникальная особенность культивируемых клеток регенерировать in vitro целое растение - тотипотентность - дает возможность использовать их для клонального микроразмножения растений, а также для производства оздоровленного от вирусов посадочного материала. На получении растений-регенерантов основаны биотехнологические методы генетического улучшения растений, облегчающие и ускоряющие селекционный процесс. Клеточная и генетическая инженерия открывают совершенно новые возможности для расширения генетического базиса и создания принципиально новых форм растений.

Культуры клеток высших растений имеют две сферы применения:

1. Изучение биологии клетки, существующей вне организма, обусловливает ведущую роль клеточных культур в фундаментальных исследованиях по генетике и физиологии, молекулярной биологии и цитологии растений. Популяциям растительных клеток присущи специфические особенности: генетические, эпигенетические (зависящие от дифференцированной активности генов) и физиологические. При длительном культивировании гетерогенной по этим признакам популяции идет размножение клеток, фенотип и генотип которых соответствуют данным условиям выращивания, следовательно, популяция эволюционирует. Все это позволяет считать, что культуры клеток являются новой экспериментально созданной биологической системой, особенности которой пока мало изучены. Культуры клеток и тканей могут служить адекватной моделью при изучении метаболизма и его регуляции в клетках и тканях целого растения.

2. Культивируемые клетки высших растений могут рассматриваться как типичные микрообъекты, достаточно простые в культуре, что позволяет применять к ним не только аппаратуру и технологию, но и логику экспериментов, принятых в микробиологии. Вместе с тем, культивируемые клетки способны перейти к программе развития, при которой из культивируемой соматической клетки возникает целое растение, способное к росту и размножению.

Можно назвать несколько направлений создания новых технологий на основе культивируемых тканей и клеток растений:

1. Получение биологически активных веществ растительного происхождения:

· традиционных продуктов вторичного метаболизма (токсинов, гербицидов, регуляторов роста, алкалоидов, стероидов, терпеноидов, имеющих медицинское применение);

· синтез новых необычных соединений, что возможно благодаря исходной неоднородности клеточной популяции, генетической изменчивости культивируемых клеток и селективному отбору клеточных линий со стойкими модификациями, а в некоторых случаях и направленному мутагенезу;

· культивируемые в суспензии клетки могут применятся как мультиферментные системы, способные к широкому спектру биотрансформаций химических веществ (реакции окисления, восстановления, гидроксилирования, метилирования, деметилирования, гликолизирования, изомеризации). В результате биотрансформации получают уникальные биологически активные продукты на основе синтетических соединений или веществ промежуточного обмена растений других видов.

2. Ускоренное клональное микроразмножение растений, позволяющее из одного экпланта получать от 10000 до 1000000 растений в год, причем все они будут генетически идентичны.

3. Получение безвирусных растений.

4. Эмбриокультура и оплодотворение in vitro часто применяются для преодоления постгамной несовместимости или щуплости зародыша, для получения растений после отдаленной гибридизации. При этом оплодотворенная яйцеклетка вырезается из завязи с небольшой частью ткани и помещается на питательную среду. В таких культурах можно также наблюдать стадии развития зародыша.

5. Антерные культуры – культуры пыльников и пыльцы используются для получения гаплоидов и дигаплоидов.

6. Клеточный мутагенез и селекция. Тканевые культуры могут производить регенеранты, фенотипически и генотипически отличающиеся от исходного материала в результате сомаклонального варьирования. При этом в некоторых случаях можно обойтись без мутагенной обработки.

7. Криоконсервация и другие методы сохранения генофонда.

8. Иммобилизация растительных клеток.

9. Соматическая гибридизация на основе слияния растительных протопластов.

10. Конструирование клеток путем введения различных клеточных оганелл.

11. Генетическая трансформация на хромосомном и генном уровнях.

12. Изучение системы «хозяин – паразит» с использованием вирусов, бактерий, грибов и насекомых.

Воспроизводство животных - это основной фактор, лимитирующий эффективность производства животноводческих продуктов на промышленной основе. Причины, препятствующие достижению оптимальных результатов в воспроизводстве домашнего скота различны. Новые методы расширяют возможности регулирования воспроизводства. Они связаны с манипулированием на уровне клеток или эмбрионов, с использованием физиологически активных соединений, поэтому названы биотехнологическими. К числу этих методов относят: стимуляцию и синхронизацию охоты, суперовуляцию, искусственное осеменение, трансплантацию эмбрионов, хранение гамет и эмбрионов, целенаправленное получение двоен, регулирование пола, раннюю диагностику беременности, управление процессом родов, создание химер и др.

Генная и клеточная инженерия – являются важнейшими методами (инструментами), лежащими в основе современной биотехнологии. Генно-инженерные методы направлены на конструирование новых, не существующих в природе сочетаний генов. В результате применения генно-инженерных методов можно получать рекомбинантные (модифицированные) молекулы РНК и ДНК, для чего производится выделение отдельных генов (кодирующих нужный продукт), из клеток какого-либо организма. После проведения определенных манипуляций с этими генами осуществляется их введение в другие организмы (бактерии, дрожжи и млекопитающие), которые, получив новый ген (гены), будут способны синтезировать конечные продукты с измененными, в нужном человеку направлении, свойствами. Иными словами, генная инженерия позволяет получать заданные (желаемые) качества изменяемых или генетически модифицированных организмов или так называемых «трансгенных» животных.

Наибольшее применение генная инженерия нашла в сельском хозяйстве и в медицине.

Этика – учение о нравственности, согласно которому главной добродетелью считается умение найти середину между двух крайностей. Данная наука основана Аристотелем.

Биоэтика – часть этики, изучающая нравственную сторону деятельности человека в медицине, биологии. Термин предложен В.Р. Поттером в 1969 г.

В узком смысле биоэтика обозначает круг этических проблем в сфере медицины. В широком смысле биоэтика относится к исследованию социальных, экологических, медицинских и социально-правовых проблем, касающихся не только человека, но и любых живых организмов, включенных в экосистемы. То есть она имеет философскую направленность, оценивает результаты развития новых технологий и идей в медицине, биотехнологии и биологии в целом.

Современные биотехнологические методы обладают настолько мощным и не до конца изученным потенциалом, что их широкое применение возможно только при строгом соблюдении этических норм. Существующие в обществе моральные принципы обязывают искать компромисс между интересами общества и индивида. Более того, интересы личности ставятся в настоящее время выше интересов общества. Поэтому соблюдение и дальнейшее развитие этических норм в этой сфере должно быть направлено, прежде всего, на всемерную защиту интересов человека.

Массовое внедрение в медицинскую практику и коммерциализация принципиально новых технологий в области генной инженерии и клонирования, привело также к необходимости создания соответствующей правовой базы, регулирующей все юридические аспекты деятельности в этих направлениях.

Новейшие биотехнологии создают огромные возможности вмешательства в жизнедеятельность живых организмов и неизбежно ставят человека перед нравственным вопросом, до какого предела допустимо вторжение в природные процессы? Любая дискуссия по биотехнологической проблематике не ограничивается научной стороной дела. В ходе этих дискуссий нередко высказываются диаметрально противоположные точки зрения по поводу применения и дальнейшего развития конкретных биотехнологических методов, прежде всего таких, как:

- генная инженерия,

- пересадка органов и клеток в терапевтических целях;

- клонирование - искусственное создание живого организма;

- использование препаратов, влияющих на физиологию нервной системы, для модификации поведения, эмоционального восприятия мира.