Біотехнологія рослин

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 4.42 (6 Голоса)

В історичному аспекті людство завжди використовувало рослини для отримання життєво важливих продуктів. У цьому розумінні до біотехнології можна віднести і традиційне рослинництво та інші агротехнології. Водночас існує принципова різниця між біотехнологією і агротехнологією. Як відомо, агротехнологія має справу з цілими рослинами і їх популяціями, тоді як біотехнологія ґрунтується на використанні культур клітин та їх популяцій. Біотехнологія рослин є самостійною дисципліною, хоча за своїми теоретичними і методологічними принципами може розглядатися як частина загальної біотехнології. Специфіка біотехнології рослин визначена особливостями рослин як певного царства живого світу. Жива рослинна клітина на відповідному живильному середовищі проявляє властивості тотипотентності і дає цілий організм — рослину-регенерат. Тотипотентність — це властивість клітин повністю реалізувати свій генетичний потенціал з утворенням цілої рослини [Катаева, Бутенко, 1983; Валиханова, 1996]. Основним методом, який використовується у біотехнології рослин, є метод культивування ізольованих клітин, тканин, органів. Розробка основ методу має порівняно недавню історію. У 1902 р. Габерландт вперше застосовуввав цей метод на початку XX століття для роботи з клітинами палісадної паренхіми. Найважливішою умовою вирощування ізольованих рослинних тканин є живильні середовища відповідного складу. В Україні культуру ізольованих коренів широко використовував М. Г. Холодний ще в 1915 році. У 30-ті роки праці американського вченого Уайта та французького вченого Готре зумовили розробку власне сучасного методу культури рослинних тканин і органів. Систематичні роботи з культури тканин у 40-их роках проводилися під керівництвом академіка М. О. Максимова [Мусієнко, 2001]. В Україні ці роботи було організовано в лабораторії Ф. Л. Калініна [Калинин и др., 1980]. Одним із методів біотехнології рослин, є мікроклональне розмноження. Це безстатеве вегетативне розмноження, у результаті якого отримують генетично ідентичні форми, що забезпечує збереження генетично однорідного посадкового матеріалу. Це найбільш ефективний метод для отримання вегетативного потомства рослин [Катаева, Бутенко, 1983; 1986], що дозволяє в 3–4 рази пришвидшити темпи розмноження багаторічних рослин, рідкісних, елітних рослин і нових сортів, які важко розмножувати у звичайних умовах. Мікроклональне розмноження має ряд переваг порівняно з іншими методами вегетативного розмноження: високий коефіціент розмноження; одночасно з мікророзмноженням відбувається оздоровлення рослини від вірусів і патогенних мікроорганізмів; пришвидшення селекційного процесу; розмноження рослин, які важко або зовсім не розмножуються вегетативно (наприклад, пальма); економність — при мікророзмноженні економиться площа теплиць; омолодження старих особин; ріст рослин можна підтримувати цілий рік [Валиханова, 1996]. На сьогодні розроблені рентабельні біотехнології отримання посадкового матеріалу господарсько-цінних оздоровлених сортів картоплі, винограду, овочів, плодових, декоративних рослин і лісових порід. Таким шляхом створюється система безвірусного рослинництва. Основним типом культивованих клітин є калюсна культура. Калюс — це особливий тип тканини, скупчення недиференційованих клітин. Клітини культивують на агаризованому, або в рідкому середовищі [Калинин и др., 1980; Сассон, 1987]. Вирощування окремих клітин чи невеликих їх груп у завислому стані в рідкому середовищі з використанням апаратури, яка забезпечує їх аерацію і перемішування, називається культурою клітин чи суспензійною культурою [Калинин и др., 1980] Ідея Г. Габерландта про можливість отримання із одної клітини цілу рослину була підтверджена в 60-ті роки саме завдяки цьому методу. Слід відзначити дослідження Ф. Стюарда і його колег, які в 1958 р. перші виростили цілу рослину моркви із одної клітини [Мусієнко, 2001; Стрельчук та ін., 2000]. Важливим досягненням методу культури клітин рослин стали праці Е. Кокінга в Англії. Він вперше в 1961 р. виділив протопласти із клітин кореня помідорів, застосувавши ферментативний гідроліз целюлозно-пектинової клітинної стінки. Культура ізольованих протопластів — основа таких важливих методів біотехнології рослин, як клітинна інженерія і генетична інженерія [Валиханова, 1996]. Для генетичної зміни клітин та отримання на основі цих клітин рослини використовують методи клітинної та генетичної інженерії [Кучук, 1998]. Методом створення комбінацій геномів, які неможливо отримати статевим шляхом через строгу несумісність, є соматична (парасексуальна) гібридизація — різновид клітинної інженерії. Протопласти за певних умов можуть зливатися, утворюючи гібридну клітину, з якої можна отримати гібридну рослину. Цей штучний спосіб отримання нових форм рослин дозволяє схрещувати філогенетично віддалені види рослин, отримувати асиметричні гібриди і гетерозиготи, називається клітинною інженерією. Генетичні маніпуляції безпосередньо на рівні ДНК є предметом генної інженерії. Вони дозволяють здійснити генетичну трансформацію і створити абсолютно нові форми рослин. Для селекційного процесу технології клітинної та генетичної інженерії рослин мають величезні перспективи [Сидоров, 1990]. У рослинництві важливе значення має введення у спадковий апарат рослин генів, які обумовлюють їх високу технологічність при вирощуванні (ефективність фотосинтезу, азотфіксацію, морозо - і жаростійкість тощо), харчову цінність продукту (вміст білків, амінокислот, покращений смак). Першою трансгенною харчовою рослиною, дозволеною в комерційному використанні, став помідор Flav savr (США, 1989 р.). За останні роки отримано багато інших трансгенних сільськогосподарських рослин (виноград, кукурудза, банани тощо) [Дудов и др., 1999]. Відомо, що культивовані клітини рослин зберігають притаманну вихідному виду здатність синтезувати широкий спектр речовин вторинного метаболізму: алкалоїдів, терпеноїдів, глікозидів, сапонінів, полісахаридів, ефірних олій, дубильних речовин, флавонів, вітамінів, рослинних гормонів, мікроелементів, органічних кислот, мінеральних солей тощо [Катаева, Бутенко, 1986]. І тому для отримання цінних біологічно активних речовин, поряд з традиційними технологіями, в основі яких лежить використання цілих організмів (мікроорганізмів, рослин, тварин), використовують біотехнологічні методи, що ґрунтуються на культивуванні вільних та іммобілізованих клітин [Рахимбаев и др., 1993]. Культура клітин, для того щоб стати об’єктом промислового вирощування, повинна витримати конкуренцію з дикорослими і культурними лікарськими, технічними рослинами, а також з мікробіологічним виробництвом і хімічним синтезом. Порівняно з традиційною лікарською сировиною, культури клітин мають такі переваги: незалежність від впливу факторів навколишнього середовища (клімату, сезону, погоди, ґрунтових умов, шкідників тощо); вищий вихід і якість продукту завдяки оптимізації і стандартизації умов вирощування; економія посівних площ [Валиханова, Рахимбаев, 1989]. Отримання нових сортів ґрунтується на 4-ох еволюційних принципах: гібридизація, рекомбінація, мутація, відбір. Всі ці принципи успішно реалізуються in vitro. Метод культури тканин відкриває нові можливості для покращення рослин [Герасименко, 1989]. Для отримання мутантних форм рослин з певними господарсько-цінними ознаками, поряд з традиційною, використовують клітинну селекцю, що завдяки тотипотентності рослинної клітини дозволяє проводити направлений відбір in vitro [Мусієнко, 2001]. Прийоми культури клітин та регенерації з них рослин уже сьогодні дозволяють реалізувати можливості клітинної селекції, зокрема на стійкість до стресових факторів, гербіцидів, різних захворювань [Мусієнко, 2001]. Відомо, що генетично ідентичні рослини-регенеранти отримують, як правило, через первинний калус. У калусній тканині спостерігається цитогенетична гетерогенність на основі спонтанного мутагенезу. Рослини-регенеранти, отримані із таких калусних тканин помітно відрізняються від вихідного матеріалу. Це явище використовується для створення нових рослинних форм так званих сомаклональних варіантів, котрі також розширюють генофонд для селекції рослин. Слід зазначити, що метод культури клітин дозволяє отримати генетично змінені рослини значно швидше, ніж методами традиційної селекції. Значні результати досягаються завдяки більш широкому включенню в селекційний процес диких родичів культурних рослин. Запліднення в пробірці і ембріокультура дозволяє долати прогамну і постгамну несумісність при віддаленій гібридизації і отримувати життєздатні міжвидові і міжродові гібриди. Ембріокультура стає незамінним методом подолання бар’єру несхрещуваності. Гаплоїдія відноситься до важливих прикладних напрямків генетики. Шляхом диплоїдизації гаплоїдів швидко досягається гомозиготність по всіх ознаках і в результаті вдалої комбінації хромосом отримані константні форми можуть дати початок новим сортам. Культивуючи пиляки рослин, вдається отримати ізогенні лінії за 2-3 роки, тоді як звичайна селекція затрачає на це 10-15 років. Отримання гаплоїдів in vitro без сумніву дозволить підвищити ефективність традиційної селекції. Також можливо отримувати рослини в культурі ендосперму. Відомо, що клітини ендосперму триплоїдні. Вони можуть бути потенційним джерелом для отримання триплоїдних і поліплоїдних рослин. Так триплоїдні рослини, отримані із ендоспермної калусної тканини кукурудзи, рису і деяких дводольних рослин [Стрельчук та ін., 2000]. Таким чином, можливості технології in vitro для підвищення ефективності селекційного процесу очевидні. Однак максимальна ефективність цих технологій можлива лише при поєднанні їх з традиційними методами генетико-селекційних робіт. Процес селекції потребує поєднання різних біотехнологічних методів. З метою збереження генофонду рідкісних видів та видів що зникають, цінних селекційних об’єктів і штамів-продуцентів речовин вторинного походження, розробляються методи створення банку генів. Це означає тривале зберігання штамів клітин рослин при температурі рідкого азоту(-196°С), тобто застосування методу кріоконсервації з використанням кріопротекторів (диметилсульфоксид, гліцерин тощо). Після розморожування клітини багатьох рослин діляться і дають початок цілій фертильній рослині [Валиханова, 1996].

Таким чином, біотехнологія, застосовуючи традиційні знання фізіології рослин і сучасну технологію, може зробити вагомий внесок для того, щоб:

– збільшити виробництво, поживні якості і строки зберігання продуктів харчування і фуражу;

– підвищити стійкість сільськогосподарських культур до хвороб і шкідників з метою зниження потреби у хімічних пестицидах;

– розробити безпечні та ефективні методи біологічної боротьби з комахами-переносниками хвороб, особливо стійких до пестицидів;

– підвищити родючість ґрунту та ступінь засвоєння рослинами поживних речовин;

– використовувати фототрофні керовані біосинтези для виробництва ліків, продуктів харчування і сировини,

– впроваджувати нові нетрадиційні культури;

– використовувати більш дешеві та ефективніші способи очищення стічних вод та обеззараження шкідливих відходів виробництва;

– забезпечити відновлювальними джерелами енергії та сировини на основі розкриття фізико-хімічних механізмів фотосинтезу, використання органічних відходів та біомаси [Мусієнко, 2001].


Біотехнологія рослин - 4.3 out of 5 based on 6 votes

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить