МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Новосибирский национальный исследовательский государственный университет»
(Новосибирский государственный университет, НГУ)
Факультет Естественных Наук
УТВЕРЖДАЮ
Декан ФЕН НГУ, профессор
_______________Резников В.А.
«29» августа 2013 г.
Программа по курсу дисциплины
«Биотехнология растений»
Направление подготовки
Биология 020201
Уровень подготовки выпускника
специалист
Форма обучения
Очная
Новосибирск 2013
1. Организационно-методический раздел.
1.1.
«Биотехнология растений». Реализуется в рамках ООП по направлению
подготовки 020201.65 «Биология» (уровень подготовки - специалист),
относится к дисциплинам специализации по выбору студента (ДС.В3)
1.2. Цели и задачи курса.
Курс биотехнологии растений необходим для приобретения студентами знаний о
необходимости, возможности и перспективах использования достижений современной
биологии для решения практических задач растениеводства и сельского хозяйства.
Для достижения поставленной цели выделяются задачи курса:
1. Предоставить информацию о современных направлениях биотехнологии.
2. Ознакомить с вопросами становления и развития направлений биотехнологии,
базирующихся на использовании методов культивирования in vitro растений.
3. Ознакомить с направлениями биотехнологии растений, ориентированными на
увеличение и поддержание генетического разнообразия коммерчески ценных культур,
и ускорение селекционного процесса.
4. Рассмотреть перспективы развития направлений биотехнологии растений и вопросы
биобезопасности.
Курсом предусмотрено ознакомление с принципами и сферами применения
направлений биотехнологии, основанных на использовании в качестве биологических
систем микроорганизмов, низших грибов, водорослей, и акцентирование на основных
задачах биотехнологии растений.
Уделяется внимание вопросам формирования направлений биотехнологии растений
для решения проблем растениеводства и сельcкого хозяйства в зависимости от развития и
достижений физиологии растений, генетики развития растений, генетики и молекулярной
биологии.
Одна из важных задач курса - рассмотрение
особенностей принципов
культивирования in vitro при использовании наиболее перспективных направлений
биотехнологии растений – клеточной селекции, хромосомной, клеточной и генной
инженерии.
Курс включает современные данные о сформировавшихся и развивающихся
направлениях биотехнологии растений, ориентированных на увеличение генетического
разнообразия культурных растений; ускорение селекционного процесса при создании
хозяйственно-ценных форм; увеличение продуктивности растений – продуцентов
биологически
активных
веществ;
повышение
эффективности
клонального
микроразмножения, сохранение и оздоровление коммерчески ценных растений.
В курсе рассматриваются вопросы биобезопасности в связи с развитием определенных
направлений биотехнологии.
1.3.
Требования к уровню освоения содержания курса.
По окончании изучения указанной дисциплины студент должен
 иметь представление о современных и развивающихся направлениях
биотехнологии;
 знать основы биотехнологии растений;
 владеть основными методами культивированию изолированных
органов и тканей, используемых в биотехнологии растений.
1.4.
Формы контроля.
Итоговый контроль. Для контроля усвоения дисциплины учебным планом
предусматривается дифференцированный зачет.
Текущий контроль. Контрольные вопросы перед каждой лекцией.
2.
2.1.
Содержание дисциплины.
Новизна и актуальность курса. Курс «Биотехнология растений» включает
современные данные о сформировавшихся и развивающихся направлениях в
области биотехнологии растений, направленных на ускорение селекционного
процесса при создании хозяйственно-важных форм культурных растений;
увеличение продуктивности растений - продуцентов биологически активных
веществ; повышение эффективности клонального размножения, сохранения и
оздоровления коммерчески ценных растений. Рассматриваются особенности
принципов культивирования in vitro при использовании наиболее
перспективных биотехнологий – клеточной селекции, хромосомной,
клеточной и генной инженерии.
2.2. Тематический план курса (распределение часов).
Наименование разделов и тем
Количество часов
Лекции
Семи Лаборат
орные
нары
работы
Самостоя Всего
Часов
тельная
работа
Раздел 1. Биотехнология, ее задачи и
основные достижения.
Раздел 2. Методы культивирования in
vitro, применяемые в биотехнологии
растений.
Тема 2.1. Исторические этапы развития
методов культивирования in vitro.
Тема 2.2. Источники питания растений в
условиях in vivo и in vitro.
Тема 2.3. Принципы проведения работ по
культивированию in vitro.
Тема 2.4. Культура изолированных клеток
и клеточных суспензий.
Тема 2.5. Каллусные и клеточные
культуры.
Тема 2.6. Органогенез и эмбриоидогенез
in vivo и in vitro.
Тема 2.7. Культура изолированных
зародышей, семяпочек, эндоспермов.
Тема 2.8. Культура протопластов.
Раздел 3. Направления биотехнологии
для увеличения продуктивности растений.
Тема 3.1. Биотехнология клонального
микроразмножения и оздоровления
коммерчески ценных растений.
Тема 3.2. Технология получения
искусственных семян.
Тема 3.3. Технология получения
биологически активных соединений на
основе методов культивирования in vitro.
Раздел 4. Биотехнологии ускорения
селекционного процесса.
Тема 4.1. Получение андрогенных и
гиногенных гаплоидов.
Тема 4.2. Методы использования
гаплопродюсеров.
1
-
1
-
1
-
1
1
-
1
1
-
1
1
-
1
-
1
-
1
1
-
1
1
-
1
-
1
1
-
1
1
-
1
1
-
1
-
1
-
1
-
1
1
Раздел 5. Биотехнологии, направленные
2
-
на увеличения генетического
разнообразия культурных растений.
Тема 5.1. Сомаклональная изменчивость.
1
-
Тема 5.2. Клеточная селекция и мутагенез.
1
-
Тема 5.3. Хромосомная инженерия
растений.
Тема 5.4. Клеточная инженерия растений.
1
-
1
1
-
1
Тема 5.5. Генетическая трансформация
растений.
2
-
1
Итого по курсу
25
-
12
1
2.2. Содержание отдельных разделов и тем.
Раздел 1. Биотехнология, ее задачи и основные направления.
Предмет биотехнологии. Задачи биотехнологии. Отрасли народного хозяйства,
использующие достижения биотехнологии, в том числе с использованием
микроорганизмов и соматических клеток животных. Современное состояние развития
биотехнологии в разных странах. Проблемы биотехнологической безопасности.
Особенности направлений биотехнологии растений.
Раздел 2. Методы культивирования in vitro, применяемые в биотехнологии растений.
Основные понятия и определения «культура клеток, органов, тканей» растений.
Фундаментальные и прикладные проблемы, решаемые с применением методов
культивирования in vitro растений. Определение тотипотентности и ее реализация в
условиях in vivo и in vitro.
Тема 2.1. Исторические этапы развития методов культивирования in vitro.
Экспериментальные работы, обосновавшие возможность культивирования изолированных
органов и тканей растений. Значение клеточной теории. Этапы развития методов
культивирования in vitro. Значение работ Г. Габерландта, Уайта, Р.Готре. Значение
открытия фитогормонов для интенсификации работ по культуре in vitro.
Тема 2.2. Источники питания растений в условиях in vivo и in vitro. Минеральные
вещества, витамины. Классы фитогормонов, их основные свойства и функции. Природные
и синтетические ауксины. Гиббереллины. Цитокинины. Природные ингибиторы роста и
развития растений. Основные компоненты питательных сред при культивировании in vitro
у растений.
Тема 2.3. Принципы проведения работ по культивированию in vitro. Создание
асептических условий. Способы стерилизация исходного материала, посуды,
инструментов. Приготовление и стерилизация питательных сред. Принцип выполнения
работ в боксе-ламинаре.
Тема 2.4. Культура изолированных клеток и клеточных суспензий. Методы
выделения и культивирования отдельных изолированных клеток. Экспериментальное
доказательство тотипотентности изолированной клетки растений. Культура клеточных
суспензий. Получение суспензионных культур и их общие характеристики.
Накопительное и непрерывное культивирование. Фазы ростового цикла при
накопительном культивировании. Особенности непрерывного культивирования и его
использование в биотехнологических процессах.
Тема 2.5. Каллусные и клеточные культуры. Образование каллуса и пути его развития
в процессе культивирования. Цитогенетические особенности культивируемых клеток.
Понятие о полисоматических и неполисоматических растениях. Причины полисоматии в
условиях культивирования in vitro. Основные параметры клеточных культур.
Тема 2.6. Органогенез и эмбриоидогенез in vivo и in vitro. Понятие прямого и непрямого
путей органогенеза и соматического эмбриогенеза. Факторы, определяющие пути
регенерации в условиях in vitro. Примеры проявления регенерации в условиях in vivo и in
vitro.
Тема 2.7. Культура изолированных зародышей и семяпочек. Методы культивирования
семяпочек и изолированных зародышей в зависимости от их дифференцировки.
Применение методов культивирования изолированных зародышей для снятия покоя, при
мутагенезе и отдаленной гибридизации. Культура изолированных эндоспермов – для
получения триплоидных растений.
Тема 2.8. Культура протопластов. Изоляция протопластов. Проявление тотипотентности
протопластов. Практическое использование культуры протопластов.
Раздел 3. Направления биотехнологии для увеличения продуктивности растений.
Тема 3.1. Биотехнология клонального микроразмножения и охдоровления
коммерчески ценных растений. Методы in vitro для оздоровления растений. Принцип
клонального микроразмножения. Методы тестирования и поддержания оздоровленных
растений.
Особенности разных методов культивирования in vitro для массового
размножения растений. Основной принцип микроразмножения при использовании
биореакторов.
Тема 3.2. Технология получения искусственных семян. Необходимость получения
искусственных семян. Особенности методов культивирования и индукции развития
соматических эмбриоидов в суспензионной культуре клеток и при культивировании
каллусных культур.
Тема 3.3. Технология получения биологически активных соединений на основе
методов культивирования in vitro. Основные понятия о биологически активных
соединениях. Функция вторичных продуктов биосинтеза у растений. Особенности синтеза
и накопления вторичных продуктов биосинтеза у растений в условиях in vivo и in vitro.
Принципы промышленного культивирования при получении биологически активных
соединений.
Раздел 4. Биотехнологии для ускорения селекционного процесса. Обоснование
необходимости ускорения селекционного процесса при создании новых сортов
культурных растений. Принципы ускоренного создания рекомбинантных гомозиготных
линий.
Тема 4.1.Получение андрогенных и гиногенных растений.
Использование гаплоидов в генетике и селекции. Технологии получения гаплоидных
растений: методы гаплопродюсеров, культура изолированных пыльников и зародышевого
мешка. Факторы, определяющие андрогенез и образование андрогенных растений при
культивировании пыльников. Особенности андрогенных растений. Методы получения
гомозиготных чистых линий на основе гаплоидов. Гаметоклональная и гиногенная
изменчивость. Примеры практического использования гаплоидных технологий на основе
культивирования изолированных пыльников.
Тема 4.2. Методы использования гаплопродюсеров. Понятие о гаплопродюсерах.
Методы получения гаплоидов культурного ячменя и мягкой пшеницы. Роль технологий,
основанных на использовании гибридизации с гаплопродюсерами, для ускоренного
создания гомозиготных рекомбинантных линий.
Раздел 5. Биотехнологии, направленные на увеличение генетического разнообразия
культурных растений.
Обоснование необходимости увеличения генетического
разнообразия культурных растений и основные подходы для его реализации.
Тема 5.1. Сомаклональная изменчивость. Понятие сомаклональной изменчивости.
Причины и механизмы сомаклональной изменчивости. Практическое использование
индуцированной сомаклональной изменчивости у растений.
Тема 5.2. Клеточная селекция и мутагенез. Методы клеточной селекции. Принцип
получения и практическое значение клеточных линий – суперпродуцентов аминокислот,
клеточных линий и растений, устойчивых к гербицидам, засолению, металлам, патогенам.
Тема 5.3. Хромосомная инженерия растений. Задачи и возможности хромосомной
инженерии для увеличения генетического разнобразия культурных растений. Методы
хромосомной инженерии растений. Методы культивирования in vitro при создании новых
форм растений на основе хромосомной инженерии: культура изолированных завязей,
семяпочек, зародышей, эндоспермов, апикальных меристем. Особенности геномного
анализа у растений. Перспективы создания искуственных хромосом.
Тема 5.4. Клеточная инженерия растений. Основные понятия и определения. Принцип
и особенности соматической гибридизации растений. Методы слияния протопластов.
Методы селекции продуктов слияния протопластов. Цитологические особенности
продуктов слияния соматических клеток. Ограничения и возможности клеточной
инженерии растений при создании новых форм растений.
Тема 5.5. Генетическая трансформация растений. Основные понятия и определения.
Общий принцип проведения работ по генной инженерии. Природные генные векторы у
растений. Последовательность заражения растений вирулентными штаммами
Agrobacterium tumefaciens и Agrobacterium rhizogenes в природных условиях.
Использование плазмиды агробактерии в качестве вектора для генетической
трансформации растений. Альтернативные методы экспериментальной трансформации
растительных клеток. Особенности встраивания и экспрессии чужеродных генов.
Основные направления генно-инженерных биотехнологий растений: метаболическая
инженерия, конструирование трансгенных растений-продуцентов целевых белков,
растений с измененной пищевой ценностью, конструирование трансгенных растений,
устойчивых к гербицидам, насекомым-вредителям, вирусам, грибным патогенам,
нематоде, устойчивых к абиотическим стрессам и старению. Примеры коммерческого
использования трансгенных растений. Перспективы развития работ по генной инженерии.
Проблемы экологической безопасности при распространении
и использовании
генетически модифицированных растений.
3. Учебно-методическое обеспечение дисциплины.
3.1. Контрольные вопросы к для самостоятельной работы

Биологические системы, используемые в биотехнологии. Примеры использования
микроорганизмов в биотехнологических процессах.
 Основные понятия и определения «культура клеток, органов, тканей». Методы in vivo
и in vitro.
 Круг теоретических вопросов и прикладных проблем в биотехнологии, решаемых с
применением методов культивирования in vitro.
 Тотипотентность растительной клетки.
 Основные этапы развития методов культивирования in vitro.
 Понятия и определения «культура клеток, органов, тканей».
 Источники питания растений в условиях in vivo.
 Компоненты питательных сред для культивирования изолированных органов, тканей,
клеток и пртопластов растений.
 Классы фитогормонов, их основные свойства и функции.
 Роль фитогормонов in vivo и in vitro.
 Природные и синтетические ауксины (место синтеза, особенности передвижения и
свойства).
 Гиббереллины, их роль в организме и прикладные аспекты их применения.
 Природные и синтетические цитокинины.
 Природные ингибиторы роста и развития растений.
 Характеристика каллусных и клеточных культур.
 Цитогенетические характеристики культивируемых клеток
 Основные требования при проведении работ по культивированию in vitro.
 Фазы ростового цикла при накопительном культивировании клеточных суспензий.


























Методы культивирования суспензионных клеток и их применение в
биотехнологических процессах.
Соматический эмбриоидогенез и технология получения искусственных семян.
Методы in vitro для микроклонального размножения и оздоровления растений.
Сомаклональная изменчивость и ее практическое применение.
Задачи клеточной селекции и возможности ее практического применения.
Роль биологически активных соединений у растений.
Культура in vitro для получения биологически активных соединений.
Особенности синтеза и накопления вторичных продуктов биосинтеза у растений и в
культуре in vitro.
Значение гомозиготных линий растений для генетики и селекции.
Технологии ускоренного создания гомозиготных рекомбинантных линий растений.
Культура изолированных пыльников для получения дигаплоидных линий.
Особенности получения гиногенных растений.
Использование гаплопродюсеров для получения дигаплоидных линий.
Методы культивирования изолированных зародышей и семяпочек и их применение в
биотехнологии.
Роль интрогрессивной гибридизации в увеличении генетического разнообразия в
природных популяциях и в экспериментальных условиях.
Направления и методы хромосомной инженерия.
Значение хромосомной инженерии для селекции растений.
Методы культивирования изолированных эндоспермов.
Культура протопластов.
Соматическая гибридизация растений.
Задачи клеточной инженерии.
Особенности трансформации растений.
Природные генные векторы у растений.
Примеры практического использования трансгенных растений.
Проблемы биотехнологической безопасности.
Мутуалистические взаимоотношения у растений и экспериментальные подходы к
повышению их эффективности.
3.3. Образцы вопросов для подготовки к дифференцированному зачету.
1. Привести основные понятия и определения биотехнологии. Задачи
биотехнологии.
Отрасли
производства,
использующие
достижения
биотехнологии.
2. Основные понятия и определения «культура клеток, органов, тканей».
Методы in vivo и in vitro.
3. Круг теоретических вопросов и прикладных проблем, решаемых с
применением методов культивирования in vitro.
4. Тотипотентность растительной клетки.
5. Основные этапы развития методов культивирования in vitro.
6. Понятия и определения «культура клеток, органов, тканей».
7. Источники питания растений в условиях in vivo.
8. Компоненты питательных сред для культивирования изолированных органов, тканей,
клеток и пртопластов растений.
9. Классы фитогормонов, их основные свойства и функции.
10. Роль фитогормонов in vivo и in vitro.
11. Природные и синтетические ауксины (место синтеза, особенности передвижения
и свойства).
12. Гиббереллины, их роль в организме и прикладные аспекты их применения.
13. Природные и синтетические цитокинины.
14. Природные ингибиторы роста и развития растений.
15. Культура отдельных изолированных клеток и доказательство
тотипотентности растительной клетки.
16. Характеристика каллусных и клеточных культур.
17. Образование «привыкшей» ткани.
18. Дифференциация элементов проводящей системы в каллусной культуре.
19. Цитогенетические характеристики культивируемых клеток
20. Основные требования при проведении работ по культивированию in vitro
21. Методы культивирования суспензионных клеток.
22. Фазы ростового цикла при накопительном культивировании клеточных суспензий
23. Соматический эмбриоидогенез и технология получения искусственных семян.
24. Сомаклональная изменчивость и ее практическое применение.
25. Задачи клеточной селекции, ее практическое применение.
26. Культура in vitro для получения биологически активных соединений.
27. Особенности синтеза и накопления вторичных продуктов биосинтеза у растений
и в культуре in vitro.
28. Технология ускоренного создания гомозиготных рекомбинантных линий
растений.
29. Культура изолированных пыльников.
30. Особенности получения гиногенных растений.
31. Альтернативные методы получения гаплоидов растений.
32. Методы культивирования изолированных зародышей и семяпочек их применение
в биотехнологии.
33. Задачи хромосомной инженерии.
34. Методы культивирования изолированных эндоспермов.
35. Культура протопластов.
36. Соматическая гибридизация растений.
37. Задачи клеточной инженерии.
38. Методы in vitro для массового размножения и оздоровления растений.
39. Особенности трансформации растений.
40. Природные генные векторы у растений.
41. Примеры практического использования трансгенных растений.
42. Проблемы биотехнологической безопасности.
3.4. Список основной литературы:
1. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение.
Из-во «Мир». 2002. 589 стр.
2. Першина Л.А. Основные методы культивирования in vitro в биотехнологии
растений. Учебное пособие. Новосибирск, НГУ. 2005. 142 стр.
3. Першина Л.А. О роли отдаленной гибридизации и полиплоидии в эволюции
растений. Вестник ВОГИС. 2009. Т. 13. № 2. С. 336-344.
4. Першина Л.А. Видообразование через отдаленную гибридизацию. Природа. 2009.
№ 3. С. 70-75.
5. Першина Л.А. Культивирование изолированных клеток и тканей растений. Часть 1.
Учебное пособие. Новосибирск, НГУ. 2000. 45 стр.
6. Першина Л.А. Методы культивирования in vitro в биотехнологии растений. Часть
2. Учебное пособие. Новосибирск, НГУ. 2000. 69 стр.
3.5. Список дополнительной литературы:
1. Картель Н. А., Макеева Е. Н., Мезенко А. М. Генетика. Энциклопедический
словарь. Минск: Тэхналогiя, 1999.
2. Калинин Ф.Л., Сарнацкая В.В., Полищук В.Е. Методы культуры тканей в
физиологии и биохимии растений. Киев. Наукова думка. 1980.
3. Лутова Л.А., Проворов Н.А., Тиходеев О.Н., Тихонович И.А. и др. Генетика
развития растений. Санкт-Петербург, Наука. 2000.
4.
5.
Сатарова Т. Н. Генетическая трансформация у растений кукурузы. Выбор
объектов для переноса чужеродных генов. Особенности трансгенеза и
наследования // Сельскохозяйственная биология. 1999. № 5. С. 103-109.
Сидоров В. А. Биотехнология растений. Клеточная селекция. Киев: Наукова
думка, 1990.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций
и ПрООП ВПО по направлению «Биология»
Автор:
Першина Л.А., докт. биол. наук,
профессор КЦГ ФЕН НГУ,
зав. лаб. ИЦиГ СО РАН
Программа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры цитологии и генетики ФЕН
_29.08.2013_____ года, протокол № __5__
Секретарь каф.
А.М.Гусаченко