Біологія. 11 клас. Балан

§ 18. Особливості селекції рослин, тварин і мікроорганізмів. Біотехнологія. Генна і клітинна інженерія

Аби краще засвоїти матеріал цього параграфа, слід пригадати: що таке поліплоїдія, як вона впливає на фенотип? Що таке штучний мутагенез, районування сортів і порід, гетерозис, клонування? Що таке антибіотики і вітаміни? Що таке щеплення та з якою метою його здійснюють? Що таке плазміди?

Селекція різних груп живих істот (тварин, рослин, мікроорганізмів) має певні відміни, пов’язані з їхніми біологічними особливостями.

Які особливості селекції рослин?

Можливість отримання великої кількості вихідного матеріалу дозволяє використовувати в селекції рослин різні форми штучного добору (як масовий, так і індивідуальний). У селекції рослин застосовують різні форми гібридизації: споріднену, неспоріднену, міжвидову. Міжвидові гібриди рослин часто безплідні, проте їх розмножують вегетативним шляхом або долають безпліддя, подвоюючи число хромосом. Зокрема, створені гібриди пшениці й пирію, які відрізняються високою продуктивністю (до 300-450 ц зеленої маси з гектара) і стійкістю до полягання; пшениці та жита; плодово-ягідних культур (наприклад, малини та ожини, сливи та терену). Створені поліплоїдні високопродуктивні сорти різних культурних рослин: картоплі, садових суниць, цукрового буряку, гречки, льону, кавуна, м’якої пшениці, жита, кукурудзи, проса тощо. Для селекції рослин важливі мутанти з гаплоїдним числом хромосом. Штучно подвоївши це число, можна швидко отримати гомозиготні за більшістю генів форми.

Мал. 18.1. Форми щеплення: 1 - зближення; 2 - копулювання; 3 - вприклад; 4 - в розщіп; 5 - окулірування (6 - вічко)

Щеплення (мал. 18.1) - особливий спосіб штучного об’єднання частин різних особин. Нагадаємо, що частину рослини, яку прищеплюють, називають прищепою, а рослину, до якої прищеплюють, - підщепою. Щеплення відрізняється від справжньої гібридизації тим, що приводить лише до модифікаційних змін фенотипу прищепленої особини, не змінюючи генотипи обох рослин. Щеплення здійснюють для підсилення бажаних змін фенотипу поєднанням властивостей прищепи й підщепи та поширення їх на весь новостворений організм (наприклад, прищеплення до зимостійкої дички живців від південних високопродуктивних сортів плодових культур забезпечує поєднання високих смакових якостей прищепи з холодостійкістю підщепи).

Більшість сортів плодових культур є наслідком мутацій нестатевих клітин; тому при розмноженні насінням нащадки повертаються до фенотипів батьківських форм. Отже, єдиними способами підтримати їхні властивості є вегетативне розмноження або щеплення.

Унаслідок взаємодії прищепи й підщепи нащадки отримують нові корисні властивості, які можна використовувати в подальшій селекційній роботі.

Отримані за допомогою щеплення гібриди необхідно постійно підтримувати, проводячи періодичні повторні щеплення, інакше виродження (повернення до предкових диких форм) сорту неминуче.

У селекції рослин для підвищення різноманітності вихідного матеріалу застосовують різні форми гібридизації спільно із штучним мутагенезом. Завдяки цьому та подальшому добору мутантних нащадків створено сотні нових сортів культурних, переважно злакових, рослин (пшениці, жита, ячменю, кукурудзи тощо).

Які особливості селекції тварин?

Оскільки свійським тваринам притаманне лише статеве розмноження, вегетативне розмноження безплідних міжвидових гібридів неможливе. В селекції тварин майже не застосовують масовий добір, бо кількість нащадків незначна і тому кожна особина має велику цінність.

Організм тварини характеризується високим ступенем інтеграції, тому при селекції потрібно враховувати корелятивну мінливість: у разі зміни певної ознаки можуть змінюватись інші, генетично пов’язані з нею. Так, із збільшенням довжини кінцівок у тварин стає довшою і шия, з видовженням тіла свиней стає тоншим шар сала.

У селекції тварин застосовують споріднене (для переведення певних генів у гомозиготний стан) та неспоріднене схрещування, а також віддалену гібридизацію (для виведення нових порід). Споріднене схрещування ефективно на окремих етапах селекційної роботи (для підтримання чистоти породи тощо), а його негативні наслідки усувають за допомогою гібридизації представників різних ліній або порід. Широко використовують і явище гетерозису. Наприклад, схрещуючи свиней деяких порід (мал. 18.2), отримують нащадків, які за неповний рік сягають маси понад 300 кг.

Мал. 18.2. Дюрок-джерсійська (1) та беркширська (2) породи свиней слугують для отримання гетерозисних особин

Практично важливі спадкові ознаки можуть фенотипно не проявлятися в особин однієї зі статей. Наприклад, у самців великої рогатої худоби не проявляються молочність і жирномолочність, у півнів - несучість. Тому для виявлення подібних властивостей застосовують метод визначення якостей плідників за властивостями нащадків. При цьому порівнюють продуктивність нащадків плідників протилежної статі (наприклад, корів - дочок одного бугая) із середніми показниками по породі. Плідників з найкращими показниками залишають для подальшої селекційної роботи. Час використання плідників обмежений тривалістю їхнього репродуктивного періоду. Тому статеві клітини плідників тривалий час зберігають за понижених температур для штучного запліднення необхідного числа особин протилежної статі.

Які основні напрями селекції мікроорганізмів?

Мікроорганізми (прокаріоти і деякі мікроскопічні еукаріоти, наприклад, дріжджі) широко використовують у харчовій, кормовій, мікробіологічній, виноробній та інших галузях, для біологічної боротьби зі шкідниками тощо. Вони мають низку особливостей, які необхідно враховувати в селекційній роботі. Насамперед, гібридизація для більшості видів мікроорганізмів неможлива через відсутність статевого процесу. Тому для збільшення різноманітності вихідного матеріалу здійснюють штучний мутагенез, а потім відбирають найпродуктивніші штами для подальшої роботи з ними; також застосовують методи генної і клітинної інженерії.

Багато прокаріотів мають гаплоїдний набір генів - єдину кільцеву молекулу ДНК, тому мутації проявляються вже в першому поколінні нащадків. Завдяки високим темпам розмноження можна швидко отримати необхідну кількість «мутантів» з певними властивостями. За допомогою вірусів-бактеріофагів, здатних переносити спадкову інформацію від однієї бактеріальної клітини до іншої, штучно об’єднують спадковий матеріал клітин із різних штамів чи видів.

Що таке біотехнологія?

Біотехнологія - сукупність промислових методів, у яких використовують живі організми або біологічні процеси.

Мал. 18.3. Широко використовують для перероблення компостів (суміш рослинних решток та посліду тварин) ейсенію пахучу (промислова назва - каліфорнійський червоний). Шляхом селекції створені високопродуктивні поліплоїдні форми цих тварин

Завдяки мікроорганізмам людина отримує різноманітні антибіотики, вітаміни, амінокислоти, гормони та ін. У харчовій промисловості та галузі виробництва кормів використовують високопродуктивні штами, які дають змогу збільшити випуск високоякісних продуктів харчування (кисломолочних, сирів, пива) і кормів для тварин (силос, кормові дріжджі) тощо.

Селекціонери створили штучні популяції грибів, здатних синтезувати кормові білки з відходів рослинництва, нафти та нафтопродуктів, та штами мікроорганізмів, які можуть вилучати сполуки рідкоземельних елементів і дорогоцінні метали з руд і промислових відходів. Мікроорганізми виробляють основну кількість харчової лимонної кислоти.

Біотехнологічні методи застосовують для очищення навколишнього середовища, зокрема стічних вод і ґрунтів, від побутового і промислового забруднення. Вони базуються на здатності гетеротрофних бактерій і грибів розкладати органічні сполуки. Штучно створені штами руйнують сполуки, стійкі до впливу природних мікроорганізмів. Для очищення стічних вод і природних водойм використовують здатність деяких видів бактерій, водоростей, одноклітинних тварин накопичувати певні сполуки в своїх клітинах.

Штами мікроорганізмів, а також штучні популяції певних видів паразитичних круглих червів, кліщів і комах застосовують у біологічному методі боротьби зі шкідниками сільського та лісового господарств, членистоногими - паразитами свійських тварин і людини та кровосисними видами.

На великих фермах і птахофабриках личинок багатьох видів мух завдяки спеціальним біотехнологіям використовують для швидкої переробки посліду. Так само для перероблення органічних решток використовують деякі види дощових червів (мал. 18.3).

Галузі господарства, де використовують біотехнологічні процеси, наведено в таблиці 18.1.

Таблиця 18.1

Застосування біотехнології в господарстві людини

Технологія

Галузь господарства

Охорона здоров’я

Харчова промисловість

Сільське господарство

Енергетика

Хімічна промисловість

Бродіння

Ферменти, вітаміни, амінокислоти, діагностичні препарати

Лимонна кислота, ферменти, біополімери, виноробство, пивоваріння

Біологічні препарати для боротьби 3 шкідливими видами

Енергетичні сполуки (етанол, біогаз тощо)

Етилен, ацетон, бутанол тощо

Продовження таблиці 18.1

Технологія

Галузь господарства

Охорона здоров’я

Харчова промисловість

Сільське господарство

Енергетика

Хімічна промисловість

Генна інженерія

Інтерферони, гормони, вакцини

Біологічні препарати для боротьби з шкідливими видами

Клітинна інженерія (культури клітин і тканин)

Інтерферони, вакцини, антитіла

Білки

Клонування свійських тварин

Які методи та досягнення генної Інженерії?

Методи перебудови геномів організмів передбачають видалення або введення в геном клітини окремих генів чи їхніх груп. Як вектори синтезованих або виділених генів використовують віруси та плазміди. З геному, який містить певний ген, виділяють молекулу іРНК, на якій синтезують комплементарну нитку ДНК. Так виникає ДНК-РНК-комплекс, з якого іРНК видаляють, а на нитці ДНК, що залишилася, за принципом комплементарності синтезують другу. Її вбудовують у молекулу ДНК плазміди, яка слугує переносником.

За іншої методики молекулу ДНК розділяють на окремі ділянки (фрагменти). Далі ці фрагменти сполучають із заздалегідь переведеною у лінійну форму молекулою векторної ДНК. У такому вигляді вони потрапляють усередину клітини, відділяються від вектора та приєднуються до ДНК хазяїна. При перенесенні із клітини в клітину еукаріотів метафазних хромосом, які звичайно розпадаються на фрагменти, одні з цих ділянок зникають, інші вбудовуються в хромосому клітини-хазяїна.

У клітини еукаріотів, наприклад рослин, молекули ДНК можна вводити і без векторів, наприклад, за допомогою скляної голки (мікроін’єкції ДНК). Молекули ДНК та цілі хромосоми також вводять за допомогою ліпосом. Це оточені подвійним ліпідним шаром порожнисті кульки діаметром близько 100 нм. Молекулу ДНК вносять всередину ліпосоми, яку потім вводять у клітину. Ліпідний шар захищає ДНК від розкладу ферментами клітини.

Об’єктами досліджень генної інженерії слугують переважно прокаріоти. Наприклад, у геном бактерій введено гени пацюка і людини, які відповідають за синтез гормону інсуліну, необхідного хворим на цукровий діабет (мал. 18.4).

Від генетично змінених бактеріальних клітин отримано білки-інтерферони (захищають організми людини і тварин від вірусних захворювань, наприклад грипу, пригнічуючи розмноження вірусів), гормон росту (дає можливість лікувати деякі форми карликовості), вакцини проти збудників дифтерії, гепатиту В та ін. Слід зазначити, що перелік медичних препаратів, отриманих за допомогою методів генної інженерії, щорічно зростає.

Мал. 18.4. Перенесення генів у бактеріальну клітину: 1 - людська клітина; 2 - молекула ДНК людської клітини; 3 - клітина бактерії; 4 - бактеріальна плазміда; 5 - ген, який кодує гормон інсулін; 6 - за допомогою ферменту бактеріальну плазміду «розшивають»; 7 - за допомогою іншого ферменту «вшивають» ген гормону інсуліну у бактеріальну плазміду, отримуючи рекомбінантну ДНК; 8 - плазміду-вектор вводять у клітину бактерії; 9 - при розмноженні бактеріальної клітини відбувається клонування гену інсуліну; 10 - молекули синтезованого інсуліну

Крім вирішення практичних питань (підвищення продуктивності штамів мікроорганізмів, внесення до прокаріотичних клітин генів, які відповідають за синтез вітамінів, гормонів, ферментів тощо), в майбутньому генна інженерія буде здатна замінювати дефектні алелі певних генів нормальними на ранніх етапах онтогенезу; поєднувати в одному геномі спадкову інформацію різних організмів тощо. Технологія перенесення від прокаріотів генів, які відповідають за фіксацію атмосферного азоту, до клітин вищих рослин, дала б змогу скоротити витрати на виробництво і внесення в ґрунт азотних добрив. Результати генної інженерії важливі для розвитку теоретичної біології. Завдяки їм були зроблені важливі відкриття про будову та функціонування генів, структуру геномів та ін. Для генної інженерії важливе створення банків генів, тобто колекцій генів і геномів різних організмів.

Унаслідок накопичення величезної маси даних у різних галузях біології, зокрема розшифрування послідовностей нуклеотидів у ДНК окремих хромосом і геномів різних видів, виникла окрема галузь знань - біоінформатика. Одним з її напрямів є застосування математичних методів і комп’ютерної техніки для збереження та аналізу цієї інформації.

Нині багато уваги приділяють генетично зміненим, або трансгенним, організмам (генетично модифіковані організми - ГМО). Наприклад, методами генної інженерії в геном рослин вводять певні гени, які забезпечують стійкість до дії пестицидів, шкідників, збудників захворювань, інших несприятливих факторів довкілля. Зокрема, до геному певних сортів картоплі вбудовано гени бактерій, що робить цю рослину неїстівною для колорадського жука. Генетично модифіковані організми часто мають підвищені показники продуктивності та плодючості, що важливо для розв’язання проблеми забезпечення людства продуктами харчування.

З 1996 р. у США, Канаді, Аргентині та інших країнах розпочали масово вирощувати генетично змінені рослини. Але до таких організмів, доки вони не пройдуть належної всебічної перевірки, слід ставитись обережно.

Мал. 18.5. Метод отримання трансгенних тварин

Є дані, що споживання генетично змінених рослин в їжу може спричиняти у людини харчові алергії та отруєння, погіршення стану здоров’я тощо. Невідомо також, впливатиме чи ні їхнє споживання на генотип людей та як генетично змінені організми впливатимуть на природні екосистеми, їхнє біологічне різноманіття. Дискусії щодо трансгенних організмів зумовили прийняття в Україні закону «Про державну систему біобезпеки1 під час здійснення генетично-інженерної діяльності». Він передбачає обов’язкову наукову оцінку ризику застосування генетично змінених організмів.

Процес створення трансгенних тварин складніший, ніж рослин. Після народження нащадків сурогатною матір’ю їх перевіряють на наявність введених генів. Для цього ймовірних трансгенних істот схрещують зі звичайними. У разі підтвердження наявності введених генів у нащадків їх схрещують між собою для отримання чистих трансгенних ліній.

Штучне втручання в геноми, крім технічних труднощів, пов’язане також із проблемами етичного плану. Зміни генотипів організмів, особливо людини, може призвести до непередбачених наслідків незалежно від намірів експериментаторів.

Що собою становить клітинна (тканинна) інженерія?

Клітинна (тканинна) інженерія - галузь біотехнології, в якій використовують методи виділення клітин з організму, трансформування їх і вирощування на поживних середовищах. Такі культури дають змогу отримати важливі сполуки: вітаміни, гормони, фітогормони, цілющі препарати (наприклад, женьшеню) в потрібних кількостях, що значно знижує їх собівартість. Вони слугують для різноманітних експериментів, наприклад, вивчення дії лікарських препаратів та інших речовин тощо. Культури клітин застосовують і для культивування вірусів, які згодом можуть бути використані як вектори у генній інженерії, для діагностики вірусних захворювань чи отримання вакцин.

Методами клітинної інженерії здійснюють віддалену гібридизацію соматичних клітин організмів, яку неможливо здійснити іншим способом (людини і миші, людини і моркви, курки і дріжджів тощо). Це дає змогу створювати препарати, які підвищують стійкість проти різних захворювань тощо. Так, культури гібридів нормальних клітин з раковими на штучних поживних середовищах виробляють антитіла, що знищують клітини злоякісних пухлин, не діючи на здорові.

1 Біологічна безпека (біобезпека) - збереження живими організмами своєї біологічної сутності, біологічних якостей та запобігання масштабних втрат біологічної цілісності унаслідок впливу генної або клітинної інженерії на органи, тканини та організми; проникнення в екосистеми невластивих для них видів; забруднення природних ресурсів (ґрунту, води, харчових ресурсів) тощо.

Мал. 18.6. Клонування рослин: 1 - отримання клітинного матеріалу від рослини-донора; 2 - культивування клітин на штучному поживному середовищі; 3 - отримання культури недиференційованих клітин; 4 - завдяки диференціації клітин з’являються тканини та органи клонованої рослини; 5 - клоновану рослину висаджують у ґрунт

Одним з напрямів клітинної інженерії є використання стовбурових клітин для відновлення ушкоджених тканин та органів. У лабораторних умовах можливі розмноження та подальша спеціалізація стовбурових клітин. Це відкриває перспективи штучного вирощування тканин та деяких органів людини і тварин з метою їхнього подальшого введення в організми.

Ще одним напрямом клітинної інженерії є клонування організмів. Клон (від грец. клон - гілка, нащадок) - це сукупність клітин або особин, отриманих від спільного предка нестатевим шляхом; клон складається з генетично однорідних клітин або організмів. У рослин природне клонування поширене завдяки нестатевому, зокрема, вегетативному, розмноженню. Вчені також отримують штучні клони рослин (мал. 18.6).

При клонуванні тварин ядро незаплідненої яйцеклітини замінюють ядром нестатевої клітини іншої особини. Таку штучну зиготу пересаджують у матку самки, де зародок і розвивається. Така методика дає змогу отримувати від цінних за своїми властивостями плідників значну кількість нащадків - їхніх точних генетичних копій. Експериментально вчені клонували різні види тварин (наприклад, відому вівцю Доллі).

Окремо слід згадати про створення химерних організмів. Химерні організми - штучно створені істоти, які мають клітини, що належать різним біологічним видам.

Учені, які створюють химерні організми, стверджують, що це допоможе розробляти нові способи лікування раку або цукрового діабету. Але такі досліди небезпідставно викликають негативне ставлення не тільки з боку простих людей, але й багатьох учених.

Нові терміни та поняття. Біотехнологія, трансгенні та химерні організми, генна та клітинна інженерія, клонування організмів.

Запитання для повторення: 1. Які методи застосовують у селекції рослин? Які їхні особливості? 2. Для чого здійснюють щеплення культурних рослин? 3. Як можна підвищити різноманітність вихідного матеріалу в селекції рослин? 4. Які особливості селекції тварин порівняно з селекцією рослин? Що таке оцінка плідників за якостями нащадків? 5. Для чого здійснюють селекцію мікроорганізмів та які її особливості? 6. Які завдання біотехнології? 7. Які завдання генної інженерії? Які методики генна інженерія використовує в своїх дослідженнях? 8. Які завдання клітинної (тканинної) інженерії?

Проблемне завдання. Поміркуйте, яка роль генної і клітинної інженерії у розвитку теоретичної біології. Чому поліплоїдні сорти продуктивніші за диплоїдні?

ТЕМАТИЧНА ПЕРЕВІРКА ЗНАНЬ

І. Із запропонованих відповідей виберіть одну правильну:

1. Зазначте, яке угруповання організмів у природі відповідає породі тварин чи сорту рослин: а) вид; б) зграя; в) родина; г) популяція.

2. Вкажіть, чим супроводжується споріднене схрещування організмів: а) підвищенням гомозиготності нащадків; б) підвищенням гетерозиготності нащадків; в) гетерозисом; г) не впливає на генотип нащадків.

3. Зазначте покоління гібридів, у якому найповніше проявляється гетерозис: а) перше; б) друге; в) третє; г) восьме.

4. Вкажіть організми, при селекції яких часто отримують поліплоїдні форми: а) тварини; б) рослини; в) прокаріоти; г) віруси.

5. Визначте, як називають нащадків однієї клітини: а) породою; б) сортом; в) штамом; г) генофондом.

6. Вкажіть форму штучного добору, яку найчастіше застосовують у селекції тварин: а) масовий; б) розриваючий; в) стабілізуючий; г) індивідуальний.

II. Завдання на встановлення відповідності:

1. Встановіть відповідність між різними типами схрещування та їхніми генетичними та біологічними наслідками:

Тип схрещування

Ознаки, генетичні та біологічні наслідки

A. Споріднене

Б. Неспоріднене

B. Віддалена гібридизація

1. Зростає рівень гетерозиготності, гетерозис; можливі зміни каріотипу та стерильність нащадків

2. Зростає рівень гетерозиготності; каріотип не змінюється; можливий гетерозис

3. Можливі зміни каріотипу, зростає рівень гомозиготності, можлива стерильність нащадків

4. Зростає рівень гомозиготності; розвивається біологічна депресія (виродження нащадків)

2. Встановіть відповідність між формами штучного добору та притаманними їм ознаками:

Форма штучного добору

Ознаки

А. Масовий

Б. Індивідуальний

1. Обирають окремих особин за наслідками вивчення фенотипу та генотипу; застосовують у селекції рослин та тварин

2. Обирають групу особин за наслідками вивчення фенотипу; зазвичай не застосовують у селекції тварин

3. Встановіть відповідність між різними галузями та методами біології:

Галузі біології

Методи

A. Селекція

Б. Генна інженерія

B. Клітинна інженерія

1. Клонування

2. Штучний добір

3. Стабілізуючий добір

4. Генна терапія

III. Відкриті запитання:

1. Чому центри стародавнього землеробства і походження культурних рослин зазвичай знаходяться в гірській місцевості?

2. Чим можна пояснити, що райони одомашнювання тварин часто збігаються із центрами походження культурних рослин?

3. У чому полягає складність перенесення генів еукаріотів у прокаріотичну клітину?

4. Чи варто відмовитись від подальших досліджень у галузі створення трансгенних організмів?

5. Яке значення для подальшого розвитку генетики, селекції та біотехнології має створення банків генів?

6. З якою метою у селекції організмів можуть застосовувати мутації, які супроводжуються кратним зменшенням кількості наборів хромосом?

7. Якими шляхами модифіковану молекулу ДНК можна ввести у клітину?

8. Які можливі напрями застосування генетично модифікованих рослин та тварин?