Матеріали для Нової української школи 1 клас - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

БІОЛОГІЯ - Золота колекція рефератів - 2018

ЗАГАЛЬНА БІОЛОГІЯ

МЕТОДИ БІОТЕХНОЛОГІЇ РОСЛИН

Біотехнологія (від грецьк. біос —життя, технос — мистецтво, майстерність, логос — слово, навчання) — це сукупність промислових методів, використовуваних для виробництва різних речовин із застосуванням живих організмів, біологічних процесів і явищ. Найпочесніше місце в ній займає, крім генної інженерії, наука про штучне культивування ізольованих клітин і тканин та про ростові або інгібувальні речовини.

Окрема клітина в пробірці зберігає генетичну інформацію, закладену батьками. Але вона втрачає спеціалізацію й утворює при діленні щось аморфне, що нагадує за формою морську губку — калусну (калус у перекладі з латини означає «мозоля») культуру клітин. Це тканина, що виникає не тільки в пробірці, але й у природних умовах при пораненні рослини.

Крім втрати вузької спеціалізації клітина часом починає поводитися незвичайно, тому що втрачає вплив організму. Наприклад, активні гени її раптом перестають функціонувати, а в етапі спокою починають інтенсивно працювати. Клітина в пробірці може різко змінити співвідношення ферментних і структурних білків. У ній збільшується кількість молекул РНК, що синтезують у достатку ті білки, які клітина раніше майже не виробляла.

Однак при створенні певних умов вона знову набуває спеціалізації, причому не обов’язково тієї, яку мала. Узята з кореня або листа клітина може утворити цілу рослину. Регенерація повноцінних рослин з калусу можлива двома шляхами: диференціацією пагонів і коріння за допомогою зміни співвідношення гормонів цитокініну й ауксину або утворенням ембріонів (одержують методом генної інженерії — гібридизацією соматичних клітин). Соматичний ембріогенез уперше був простежений 1959 р. у моркви, а згодом його почали застосовувати при виробництві життєздатних рослин різних видів.

Ізольовані клітини зберігають здатність синтезувати речовини (вітаміни, гормони, алкалоїди, кумарини, стероїди тощо), властиві їй in vivo, тобто в тілі живого організму. Це зацікавило вчених з позиції синтезу речовин для промисловості.

У лабораторіях була виявлена ще одна особливість клітин: при відділенні однієї від інших або пересадженні її на поживне середовище окремо від родичів вона перестає ділитися й розмножуватися. Крім того, клітини калусу, які мають одного предка, через кілька поколінь стають генетично різними.

Зміни, спостережувані в ізольованій культурі, можуть виникати внаслідок мутацій специфічних генів і хромосомних перебудов. Частота, тип і стабільність мінливості залежать від генотипу вихідної рослини й фізіолого-біохімічного стану клітини. Ученими висловлене припущення, що умови ізольованої культури призводять до глибокої клітинної дестабілізації. Широкий спектр варіантів, що утворюються з культивованого матеріалу, є відбиттям дестабілізації, за якою йдуть дія відбору й вторинні спадкові зміни в популяції клітин. Клітини в клітинній культурі поводяться не так, як в організмі, а як окрема самостійна специфічна структура.

Спостережувана мінливість має велике значення при застосуванні культури клітин і тканин для поліпшення сільськогосподарських культур. Частоту змінених клітин збільшує застосування мутагенів — факторів, що викликають спадкові зміни. Використання селективних умов (наприклад, підвищеного інфекційного тла) створює передумови для розмноження тільки змінених у потрібному людині напрямку клітин. Хоча мутантні клітинні лінії виникають у достатній кількості й без їхнього застосування.

У клітинах калусу може змінюватися кількість хромосом. Наприклад, калус рослини гаплонаннус через дна роки виявився на 95 % складеним з поліплоїдних клітин із числом наборів основного (базисного) числа хромосом, що дорівнює восьми й більше. У США з клітин калусу, культивованих поза організмом, були отримані поліплоїдні форми тютюну. Вони відрізняються рядом цінних ознак. Вихід поліплоїдних форм виявився настільки значним, що метод був рекомендований для експериментального одержання поліплоїдів.

Регенеровані з калусу рослини часто відрізняються від своїх батьків кількістю хромосом. Сьогодні генетично ідентичне відтворення генотипів у культурі калусу можна здійснити лише в порівняно нечисленних видах.

Завдяки генетичній мінливості клітин калусу в культурі тканин і органів рослин на основі регенерації отримані високопродуктивні форми соняшника. Застосування цього методу утруднене для таких найважливіших сільськогосподарських культур, як зернові й бобові, тому що активувати морфогенез на поживних середовищах вдається рідко.

У селекції організмів важливим є одержання гомозиготних особин (чистих ліній), що дозволяє за короткий термін домогтися появи бажаних ознак. Важливою подією виявилося відкриття методу вирощування на поживних середовищах високої інтенсивності освітлення рослин-гаплоїдів з пилкових зерен. При подвоєнні хромосом (наприклад, шляхом обробки колхіцином або закисом азоту під тиском) одержують дигаплоїди, тетрагаплоїди й т. н. Такі організми — гомозиготні. У них не з’являються нові ознаки (якщо немає мутацій). Гомозиготні лінії можуть використовуватися в селекції для одержання гетерозису, або гібридної сили.

У Китаї за допомогою культури пророщених пилкових зерен виведені короткостеблові скоростиглі й високоврожайні сорти рису. Застосування в цій країні поживних середовищ, що включають картопляний екстракт, призвело до раніше недосяжного — одержання гаплоїдів жита. Отримані гаплоїди ячменя, перцю, маку, люцерни, винограду, тополі, яблуні й олійного рапсу. У рапсі, вирощеному з пилкових зерен, трохи зменшили вміст шкідливих глікозидних сполук. До 1984 р. з пилкових зерен у Китаї вирощено близько 40 видів рослин.

Іноді гібридизацію вдається провести в посудинах, у яких поміщають ізольований від рослини насінний зачаток. У пробірці іноді можна перебороти несумісність віддалених видів і навіть родів рослин. Отримане від гібридизації насіння не завжди проростає. У таких випадках вдаються до відділення зародка від ендосперму на ранніх етапах розвитку й переведення зародка на штучне поживне середовище, яке складається з багатьох компонентів.

При вирощуванні молодих ембріонів домоглися зав’язування життєздатних насінин у міжродових гібридів: ячмінь і жито, томат культурний і томат перуанський, чина пурпурна й чина члениста, буркун жовтий і буркун білий, квасоля звичайна й квасоля гостролиста, слива північноамериканська й слива перська тощо.

У пробірці вдається злити воєдино соматичні клітини різних видів (метод гібридизації соматичних клітин). При цьому за допомогою спеціальних ферментів клітини звільняють від оболонки (одержують протопласти). Протопласти двох видів об’єднують в один, який називається гетерокаріот (зі сполученими ядрами). Ядра таких клітин можуть не зливатися, а знаходитися поруч. Протопласт через якийсь час обзаведеться новою клітинною стінкою. Цим методом можливо об’єднати навіть тваринні клітини з рослинними (наприклад, клітину тютюну з клітиною дрозофіли). Однак до ділення здатні лише злиті клітини видів у межах одного роду, зрідка — різних родів і сімейств.

До теперішнього часу вдалося сполучити протопласти й одержати соматичні гібриди картоплі й томату.

Несподівані результати одержав канадець К. Н. Као. Гетерокаріотичні клітини із злитих протопластів сої й тютюну сизого (тютюнового дерева) виявилися здатними до ділення. Окремі лінії клітин сої й тютюну мали синхронний розподіл хромосом.

Використання культури клітин і тканин дозволяє швидко розмножити новий сорт, якщо культуру у виробництві розмножують вегетативно, або лінію для виробництва гібридного насіння в овочевих, декоративних та інших оброблюваних рослин. Звичайно розмножують (клонують) верхівки пагонів. Зростає використання культур тканин для клонування суцвіть, квіток, бічних бруньок, листя й коріння, культури калусу та в окремих випадках — культури клітин.

Економічно вигідним є розмноження в культурі тканин селекційних сортів квітів: орхідеї, агави, бегонії, хризантеми, цикламена, драцени, ірису, лілії, нарциса, флокса та ін.

Новою галуззю застосування клонування в стерильному середовищі верхівок пагонів статеве розмноження порід чагарників, плодових культур і ананаса.

З калуса можна одержати рослини без вірусів.

Деяких фізіологів цікавлять біорегулятори рослин, особливо стимулятори росту. На початку Другої світової війни був відкритий ауксин. Спочатку його одержували з верхівки колеоптилю (безбарвного чохла, який захищає перший молодий лист) кукурудзи. Однак для того щоб таким шляхом добути 250 мг ауксину, довелося б пропрацювати, не перериваючись на сон і їжу, близько 400 років.

Пізніше було знайдене багате й доступне джерело ауксину. Ним виявилася людська сеча. Кожний житель планети щодня може давати для потреб біохімії, фізіології й сільського господарства приблизно 1-2 мг ауксину.

Під назвою «ауксин» об’єднаний цілий ряд речовин - регуляторів росту. Одна з них одержала назву «гетероауксин». Гетероауксин являє собою бета-індолілоцтову кислоту. Він удосталь утворюється мікроорганізмами: дріжджами, грибами й бактеріями. Його використовують для прискорення утворення коріння у черешків плодово-ягідних та інших рослин. Сьогодні синтезований цілий ряд ауксинів, серед яких особливо великою активністю характеризується бета-нафтилоцтова кислота.

Близькими до групи гетероауксинів є гербіциди, які представляють собою похідні феноксиоцтової кислоти. У культурі клітин, тканин і органів найчастіше застосовують 2,4- дихлорфеноксиоцтову кислоту (2, 4-Д), 2,4, 6-трихлор-феноксиоцтову кислоту й 4-хлорфеноксиоцтову кислоту. Використовуються й мають активність як вільні кислоти, так і розчинні у воді натрієві й амонійні солі цих кислот, а також їхні ефіри. Ці гербіциди були відкриті одночасно на початку Другої світової війни в США й Великобританії.

В Японії звернули увагу на захворювання молодих рослин рису, що викликається грибом Gibberella fujukuroi. У деяких екземплярів, які не загинули, можна було спостерігати енергійний ріст стебел і листя. Як з’ясувалося, прискорення росту викликають сполуки - продукти обміну речовин гриба. Ці речовини (терпеноїди), виділені в чистому вигляді, одержали назву гіберелінів. Гібереліни здатні стимулювати не тільки ріст, але й цвітіння. їх застосовують в основному для прискорення проростання ячменя для виготовлення солоду й для підвищення врожайності винограду.

Пізніше було відкрито ряд сполук, які характеризуються сильною стимулювальною дією на ділення рослинних клітин — цитокіпінів. Найактивнішим є кінетин.

Для прояву ефекту дії ростових речовин необхідні їх дуже малі концентрації. Наприклад, щоб розвести 1 г гетероауксину до недіяльної концентрації, необхідно 200 млрд л рідини, для доставки яких знадобилося б 400 тис. поїздів. Одного грама гетероауксину досить для 1013 рослин. Щоб розсадити ці рослини, надавши кожній площу живлення в 1 см2, потрібна була б рілля площею більше 900 км2.

У рослинництві широко застосовуються речовини-біорегулятори. Наприклад, для задоволення смаку споживачів (американці віддають перевагу апельсинам яскраво-жовтогарячого забарвлення), хіміки запропонували обробляти апельсини речовиною (2-парадіетиламіно-етоксибензаль)-параметоксиацетонфеноном. За десять днів обробки кількість каротиноїдів зросла в 16 разів. Забарвлення плодів стало яскравішим, провітаміну А — більше. При передозуванні препарату в кірці нерідко утворювалися червоні каротиноїди, які додали цитрусовим зловісного бордового кольору. Застосування інших біорегуляторів (діетилоктиламіну й діетилноніламіну) дозволило збільшити вміст каротиноїдів усього в 2- 5 разів. Плоди при цьому набули яскраво-жовтогарячого кольору.

Існують речовини, які підсилюють аромат цитрусових.

Усі відомі біорегулягори активують або депресують (пригноблюють) гени, або ж взагалі їх дезактивують.

Штучному дозріванню зелених плодів томату допомагає обробка їх регуляторами росту. Оброблені цими препаратами плоди за 7-10 днів зберігання при температурі 18-20 °С дозрівають на 90 %. Штучно дозрілі плоди за поживною цінністю не поступаються тим, що дозріли природно.

У люцерни був виявлений природний регулятор росту триаконтанол. Це сполука спиртової природи, яка включає 30 атомів вуглецю. Вона концентрується переважно в кутикулі (надшкір’ї), що покриває поверхню листя. Припускають, що триаконтанол активує деякі ферменти й впливає на мембрани, інтенсифікуючи процеси метаболізму—обміну речовин. У концентрації 1 мкг на літр триаконтанол підвищує врожай картоплі на 20 %. Обробка ним насіння овочевих культур підсилює ріст рослин і підвищує врожайність на 17-25 %.

Це далеко не повний перелік досягнень біотехнології рослин. Завдання біотехнології, селекції рослин — неодержання високоврожайних перспективних нових сортів рослин, поліпшення відомих сортів, застосування нових методів для цього, використання нових технологій для одержання цінних рослинних продуктів.









загрузка...