о Растения, устойчивые к насекомым

- 1 -
Лекция 7-8
Биотехнологические методы в селекции растений.
План:
1.
Основные селекционные задачи, решаемые с помощью
методов биотехнологии.
2.
Биотехнологические методы, применяющиеся в
селекции растений.
3.
Генная инженерия и селекция растений.
4.
Использование трансгенных растений в решении
проблем, состоящих перед человечеством.
5.
Безопасность трансгенных рнастений.
1. Основные селекционные задачи, решаемые с помощью методов
биотехнологии.
Биотехнологические методы в селекции растений стали применятся
примерно с середины минувшего столетия, и значение их непрерывно
возрастает,
поскольку
биотехнологии
под
силу
задачи,
которые
традиционными методами решить невозможно или чрезвычайно трудно. Уже
сейчас достигнуты впечатляющие результаты: миллионы гектаров в мире
занимают ежегодно сортами
и гибридами полученными с помощью
биотехнологий.
Отличительным
признаком
биотехнологических
методов,
используемых в селекции растений, является манипуляции in vitro.
Все методы биотехнологии могут в той или степени могут быть
использованы в практической работе как на отдельном ее этапе селекции,
самостоятельно или комплектно в зависимости от задач и степени
кооперации селекционеров или биотехнологов.
2 слайд - Основные селекционные задачи, решаемые с помощью
методов биотехнологии следующие:
-создание нового исходного материала для селекции;
-
снижение
трудоемкости
селекционных
работ
за
счет
уменьшения популяции для отбора;
- ускорение селекционного процесса за счет быстрого получения
гомозиготных генотипов после проведения скрещивания или получения
самоопыленных линий при селекции гетерозисных гибридов;
- повышение эффективности отбора ценных генотипов и
постоянного контроля за наличием их в отбираемом селекционном
материале.
- 3 -
2. Биотехнологические методы, применяющиеся в селекции
растений.
3 слайд - Все биотехнологические методы, которые применяются
в селекции растений, можно разделить на две группы: использование
культуры клеток и тканей и генетическую (генную) инженерию.
Существуют три вида культуры клеток и тканей:
- каллусная культура;
- культура клеток и агрегатов клеток;
- культура протопластов.
Они могут быть использованы по отдельности или составлять
технологическую цепочку, располагаясь в той последовательности, в которой
из одного вида получают другой.
Применение культурны клеток и тканей в селекции растений
основывается на фундаментальном положении о возможной способности
любой
клетки
принадлежит,
воспроизвести
со
всеми
ее
растительную
форму,
генотипическими
и
которой
клетка
фенотипическими
особенностями.
Получение культуры клеток и тканей чаще всего осуществляется
через каллусную культуру. Технология получения этим способом и
поддержания культуры клеток и тканей заключается в следующем.
Эксплантант (фрагмент растительной ткани или органа, включающий
различные ткани) помещают на искусственную питательную среду. Все
операции проводят в стерильных условиях: эксплантант обеззараживают, а
среду готовят в условиях, исключающих заражение.
Для
полутвердую
получения
каллусной
питательную
среду
ткани
на
эксплантант
основе
агар-агар
помещают
или
на
других
желирующих веществ.
Культуры каллусной ткани представляют собой материал, который
применяется в селекционной работе.
3. Генная инженерия и селекция растений.
4 слайд - Генная инженерия – целенаправленное изменение
генетических программ клеток для придания исходным формам новых
свойств или создания принципиально
новых
форм
организмов.
Осуществляется путем введения в клетку чужеродной генетической
информации, гибридизации соматических клеток или другими приемами.
5 слайд - Генно-инженерная деятельность – деятельность ученых,
специалистов, научных организаций и государственных органов,
направленная
на
получение,
испытание,
транспортировку
и
использование генетически модифицированных организмов (ГМО) и
полученных из них продуктов.
6 слайд - Главнейшая цель генно-инженерных манипуляций
применительно к селекции заключается в перенос гена, отвечающего за
какой-то важный хозяйственный признак, и обеспечение его экспрессии,
из одного вида в другой (трансгенез), часто очень далекий и в
систематическом отношении, например, из бактерии в высшее растение.
Донором гена может быть, конечно, и относительно близкий вид, когда
отдаленная гибридизация невозможна из-за явной несовместимости.
7 слайд - Трансгенез складывается из нескольких операций:
- обособление переносимого гена;
- клонирование его;
- перенос гена в геном реципиента;
- обеспечение его экспрессии;
- получение растений – регенерантов с новым геном.
Далее растения получают в селекционный процесс.
8 слайд - Успехи генной инженерии по созданию новых форм
растений впечатляющие. В Мире десятки и сотни трансгенных сортов
высеваются
на
сотнях
миллионах
гектарах.
Препятствием
к
их
распространению служат опасения, что они могут причинить вред при
- 5 -
применении их в качестве кормов и продовольствия (при применении в
технических целях подобных опасений нет). К сожалению, о том, кто прав:
те, кто считает генетически модифицированные продукты безвредными, или
те кто полагают, что можно ожидать негативных последствий от их
употребления, можно будет судить лишь через большой промежуток времени
и при условии больших статистических выборок. В любом случае должна
присутствовать полная информация о наличии генетически изменой
продукции в продуктах питания, чтобы каждый мог принимать решение об
их употреблении самостоятельно. В ряде стран например в США, Канаде,
генетически модифицированные продукты находят широкое применение. В
России использование их запрещено, но проконтролировать использование
этого закона достаточно сложно.
9 слайд - Достижения генетической инженерии – коммерческие
сорта, которые возделываются на очень больших площадях. Однако,
многие разработки так и не вышли из стадии эксперимента.
Генная инженерия наибольших успехов достигла там, где требовалось
небольшое изменение генома, чтобы добиться существенного изменения
хозяйственно ценного признака носящего моногенный характер.
Самое
крупное
достижение
генной
инженерии
–
получение
трансгенных сортов, устойчивых к гербицидам. Посевы этих сортов
составляют примерно 80 % от площади под всеми трансгенными сортами.
Генетический механизм устойчивости к гербицидам, который удалось
реализовать генно-инженерным путем, заключается либо в замене гена
растения, который подвергается атаке гибрида, на ген, делающий эту атаку
неэффективной, либо к введению гена, инактивирующего гербицид.
10 слайд - В настоящее время получены сорта и гибриды,
устойчивые к гибридам у кукурузы, пшеницы, картофеля, хлопчатника,
риса, сои, сахарной свеклы, томатов и других культур.
11 слайд – Созданы трансгенные сорта
кукурузы, хлопчатника,
риса, сои, картофеля, томата устойчивые к насекомым, вредителям
занимающие около 400 тыс. га.
Возможно, на второе место среди достижений генной инженерии
следует поставить созданные трансгенные сорта, устойчивые к насекомым
вредителям. Самый известный пример введение в растения бактериального
гена, ответственного за образование дельта – токсина, вызывающего гибель
насекомых семейства чешуекрылых, которому принадлежит большое число
опасных вредителей с.-х. культур.
12 слайд - Методами генной инженерии решается и проблема
повышения качества продукции растениеводства. Заметные успехи
достигнуты в двух направлениях: повышения качества растительного
масла и повышения качества белков эндосперма зерновых культур. В
первом случае получили сорта рапса с низким содержанием эруковой
кислоты. Во втором – добились увеличения содержания лизина в белке
кукурузы и пшеницы. Известно, что белки семян зерновых злаков
неполноценны по аминокислотному составу (за исключением овса).
Ведутся
работы
и
по
повышению
продуктивности
растений,
основанные на модификации фотосинтетического аппарата.
Повышение
устойчивости
к
абиотическим
факторам
(засуха,
чрезмерно высокие или низкие температуры и т.д.) методами генной
инженерии чрезвычайно сложна, поскольку защитные механизмы растений
полигенны. Но реакции, проявляющиеся в момент стресса, не всегда имеют
столь сложную природу, и тут возможно вмешательство на уровне
отдельного гена. В частности показано, что во время засухи накапливаются
низкомолекулярные вещества, например пролин. Бактериальные гены,
отвечающие за биосинтез пролина, были введены в растения табака.
Получены данные свидетельствующие о более высокой засухоустойчивости
трансгенных растений. Ведутся и другие аналогичные исследования, но о
получении
стрессоустойчивости
сортов
методами
генной
инженерии
- 7 -
говорить пока рано.
/о
4. Использование трансгенных растений в решении проблем,
стоящие перед человечеством.
-
Многим
жителям Земли
не
хватает
продовольствия
800
миллионов человек ежедневно страдают от недоедания.
-
Часть урожая пропадает из-за болезней, вызванных патогенными
грибами, вирусами, бактериями, а также из за сорняков и насекомыхвредителей.
-
Питание людей не всегда полноценна
-
В развивающихся странах в пище бывает мало белка: из-за
замедляется физическое и умственное развитие. В развитых жители иногда
испытывают недостаток витаминов и ненасыщенных жирных кислот,
микроэлементов, растительных волокон.
-
Для зашиты культурных растений от сорняков, болезней и
насекомых - вредителей приходится применять пестициды. Их производство
и использование наносят вред здоровью человека, приводят к загрязнению
почвы и воды, гибели полезных насекомых и других животных.
-
Населению Земли нужно все больше растительных волокон для
изготовления одежды и тканей и для других нужд.
-
Использование трансгенных растений позволит решить эти и
многие другие проблемы
-
Растения, устойчивые к болезням, позволят собирать большие
урожаи, снизить стоимость продукции, применять меньше фунгицидов.
-
Растения, устойчивые к усовершенствованным гербицидам,
позволят вносить химикаты в меньших количествах, меньше подвергать
человека их действию. Такие гербициды быстрее разлагаются в почве и
вносят меньший вред сгружающей среде.
-
отказаться
Растения,
от
устойчивые
использования
окружающей среды.
к
насекомым-вредителям,
инсектицидов,
вредных
для
позволят
людей
и
- 9 -
-
Растения с улучшенными пищевыми и технологическими
свойствами позволят создать более полноценную и сбалансированную пищу.
Новые
растения
будут
содержать
больше
витаминов,
незаменимых
аминокислот, ненасыщенных жирных кислот и других полезных веществ.
Генные инженеры смогут уменьшить выработку и содержание
естественных токсинов и других нежелательных веществ в растениях.
Овощи и фрукты с замедленным созреванием можно будет с
меньшими потерями перевозить на далекие расстояния.
Растения-вакцины помогут предотвращать болезни.
С помощью трансгенных растении можно будет производить
лекарства.
Сейчас трансгенные растения промышленно выращивают в США.
Аргентине, Канаде, Австралии, Китае, Мексике, Испании, Франции,
Южной Африке, Португалии, Румынии.
Особенно важно использовать трансгенные растения в странах
Азии и Африки, где наиболее велики потери урожая от сорняков, болезней
и вредителей и в то же время больше всего не хватает продовольствия.
Велико будущее трансгенных растений для России, где сельское
хозяйство приходится вести в сложных климатических условиях, с
применением удобрений и пестицидов. Используя меньше химических
средств защиты растений, можно будет выращивать безопасные для
здоровья продукты. Технология создания трансгенных растений будет
использоваться в нашей стране наряду с традиционными методами
селекции.
13 слайд - Специалисты считают, что из 424, миллионов
гектаров земли, пригодной для земледелия, под трансгенные растения
можно отвести 177 миллионов. Из них засеяно пока только 15%.
14 слайд – Обьем продаж трансгенных растений.
Современная селекция растений, история которых насчитывает более
10 тыс. лет, впитала в себя не только эмпирический опыт многих поколений
безымянных селекционеров, но достижения в области синтетической теории
эволюции, физиологии, биохимии, цитогенетики, экологии, фитоценологии и
других фундаментальных наук. Именно синтетическая направленность в
развитии
селекции
многочисленные
как
«вызовы»
науки
позволила
XX
столетия
ей
успешно
преодолеть
(демографический
«взрыв»,
эпифитотии, наращивание техногенных средств интенсификации, освоение
неблагоприятных и даже экстремальных территорий и пр. ), обеспечив
практически непрерывно повышение урожайности сельскохозяйственных
культур.
Бесспорно
с
появлением
методов
генетической
инженерии
возможности человека в «управлении формообразовательным процессом»
необычно возросли. Однако вес исторический опыт развития адаптивной
системы селекции, а также особенности методов самой геной инженерии
свидетельствуют о том, что единственная возможность эффективного
использования последней лежит на пути интеграции соответствующих
методов и подходов. Необходимость таковой вытекает не только из
ограниченных
возможностей
основополагающей
роли
самой
громадной
генной
инженерии,
функционирующей
но
и
сети
и
инфраструктуры селекционных центров в обеспечении эффективной системы
сортосмены, сортообновления и семеноводства. Вместе с тем как и любое
другое крупномасштабное новшество, генетическая инженерия наряду с
достижениями несет с собой и опасности.
В этом случае уместно вспомнить слова французского социолога П.
Бурдье: «Производство активно развивается и становится эффективным
только в том случае, когда оно с самого начала внушает веру в ценность того,
что собирается производить». В то же время среди широких возможностей
генной инженерии можно и нужно выделить как заведомо положительные
1спекты, так и те, практическая реализация которых преждевременна и даже
- 11 -
опасна.
15 слайд - Бесспорно генная инженерия позволяет значительно
расширить сферу поиска генетических доноров хозяйственно ценных и
адаптивно значимых признаков, причем не только среди высших
растении,
но
и
микроорганизмы
всего
и
пр.
биологического
Это
особенно
разнообразия,
важно
для
включая
тех
видов
культивируемых растений, имеющийся генофонд которых беден или не
имеет необходимых гендоноров.
Однако генетическая, инженерия в корне меняет возможности
человека в управлении формообразовательных процессов живых организмов,
делая их практически беспредельными, причем не только в целях добра, но и
зла.
Очевидно, что проблемы широкого распространения генетически
модифицированных
растений
требуют
теоретического
осмысления
разработки соответствующих методов и критериев , интеграции с другими
областями знаний и, наконец, выбора оптимальных возможностей широкого
распространения конечного продукта.
5. Безопасность трансгенных растений, изготовленных из них
продуктов и компонентов.
Современная биотехнология охватывает широкий круг методов,
отраслей, объектов производства и задач, объединенных в несколько
крупнейших блоков и направлений. Среди них на первое место в
стратегическом плане выходит генетическая инженерия, главной целью
которой
является
создание
генетически
модифицированных
(трансформированных) биологических объектов - растений, животных и
микроорганизмов - с ценными заданными признаками и свойствами,
позволяющими
значительно
биологизировать
и
интенсифицировать
производственные процессы, повысить продуктивность и устойчивость
трансгенных организмов и из сообществ к стрессовым факторам среды.
16 слайд - Применительно к сельскохозяйственной биотехнологии
и проблематике с помощью методов генетической инженерии может и
должна быть решена задача по созданию исходных принципиально
новых и улучшенных генотип растений и животных с комплексной
устойчивостью к наиболее опасным патогенам и другим вредным
организмам, к абиотически стрессовым факторам среды.
В Микробиологии развитие генно-инженерных исследований пошло
по создания высокоэффективных штаммов азотфиксирующих ризобиальных
и ассоциативных форм микрооганизмов, а также получения новейших
биопрепаратов для защиты растений от вредителей и болезней.
17 слайд - Использование ценных генотипов растений в селекции
и семеноводстве животных в племенной работе позволяет создавать
новые поколения сортовых ресурсов, пород и линий животных,
обогащать биологическое разнообразие растительного и животного мира
в целом.
Включение в пищу людей продукции, полученной из трансгенных
растений и животных вызвало большое беспокойство и тревогу у многих
людей в мире. Неспециалистами высказываются серьезные опасения о том,
что введение в организм человека с пищей трансгенного происхождения
чужеродных генов может привести к включению этих генов в его геном, что,
по их мнению, чревато непредсказуемыми последствиями.
Активную и практически ничем не обоснованную компанию против
создания и использования в пищу человека продукции, полученной из
трансгенных растений и животных, интенсивно ведут во всем мире, в том
числе и в России, различные средства массовой информации. Почему-то
российские журналисты проявляют наибольшую обеспокоенность, хотя в
нашей стране ни на полях, ни на животноводческих фермах пока нет ни
одного сорта, ни одного трансгенного растения животного. Работа по их
получению ведется в нескольких научных институтах и лабораториях РАН,
- 13 -
РАСХН и РАМН, Минздрава, Минсельхоза и других министерствах и
ведомствах страны при строгом соблюдении всех мер предосторожности,
предусмотренных федеральным законом «О государственном регулировании
в области генно-инженерной деятельности», принятом в 1996 году.
Исходя из сложившихся тенденций в развитии биологической и
других наук в конце XX века и возникших на стыке веков новых острейших
проблем, вполне обосновано можно предположить, что в XXI веке на первое
место наряду с дальнейшим изучением физики ядра выйдет проблема
глубокого изучения биологического ядра клетки.
Однако, для достижения крупных результатов в генной инженерии,
клеточной биотехнологии и гормональной регуляции роста необходимо
расширить масштабы этих работ до пределов, определяющих научную,
практическую значимость и эффективность решения важных экономических
задач государства.
Во многих странах мира, в том числе в России, созданы и успешно
действуют научно-производственные центры, фирмы и объединения по
выращиванию безвирусного посадочного материала картофеля, винограда,
плодовых и других культур, по быстрому и массовому размножению особо
ценных
видов,
сортов,
гибридов
и
линий
растений,
ускоренному
формированию стад животных с высокой продуктивностью и устойчивостью
к болезням.
18 слайд - Введенный в растение ген - это участок ДНК, а его
продукт - белок. В желудочно-кишечном тракте нуклеиновые кислоты
расщепляются на обычные нуклеотиды а белки - на аминокислоты,
которые не могут представлять никакой опасности.
19 слайд - Продукция (услуги), полученная с применением
методов генно- инженерной деятельности, должна соответствовать
требованиям
экологической
безопасности,
санитарных
норм,
фармакопеных статей, обязательным требованиям государственных
стандартов
Российской
государственном
Федерации
регулировании
(Федеральный
в
области
закон
«О
генно-инженерной
деятельности», ст. 11)
20 слайд - Во всех странах, где уже выращивают трансгенные
растения или только планируют это сделать, созданы комиссии для их
проверки и регистрации.
В России регистрацию трансгенных растений координирует
Межведомственная
комиссия
по
проблемам
генно-инженерной
деятельности, созданная Правительством РФ в 1997 году.
Деятельность в области биотехнологий, в том числе со здание
трансгенных растений, регулируют более 150 законов, постановлений и
нормативных актов.
Испытания генетически измененных растений на биобезопасность
проводят специалисты из Института фитопатологии РАСХН, Института
биологической защиты растений РАСХН, Центра биоинженерии РАН. Они
изучают участки, встроенные в геном растения; проверяют, не сможет ли
введенный ген переноситься в другие организмы и будет ли передаваться
потомкам растения; смотрят, не влияет ли новый ген на поражаемость
растения болезнями и вредителями; не влияет ли трансгенное растение на
почвенную микрофлору и другие составляющие биоценоза.
21
слайд
гигиеническая
-
Необходимый
экспертиза.
Ее
этап
проводят
испытаний
-
санитарно-
специалисты
Института
питания РАМН, Университета прикладной биотехнологии и Центра
биоинжемерии РАН.
Они проверяют:
- одинаков ли химический состав исходных и трансгенных
растений;
- не ухудшилась ли биологическая ценность и усвояемость
приготовленных из растения продуктов,
- 15 -
- не может ли растение и приготовленная из него пища вызывать
аллергию или иначе влиять на иммунную систему;
- не
окажутся
ли
они
токсичными,
канцерогенными
или
мутагенными;
- не влияют ли на репродуктивные функции животных и
человека.
- Только
Госсанэпиднадзо
после
выдает
прохождения
всех
этапов
санитарно-гигеенический
испытаний
сертификат
на
использование растения в пищевых целях.
Для того что бы трансгенное растение появилось на полях нашей
страны, Государственная комиссия по охране и испытаниям селекционных
достижений
заносит
его
в
государственный
реестр
селекционных
достижений, допущенных к использованию в Российской Федерации.