Підручник з Біології і екології (рівень стандарту). 11 клас. Остапченко - Нова програма

§ 58. БІОТЕХНОЛОГІЯ ТА ГЕННА ІНЖЕНЕРІЯ РОСЛИН

Пригадайте особливості селекції рослин. Що таке клон, віддалена гібридизація, «генетичні банки»? Що таке фітогормони? Завдяки чому зигота дає початок клітинам різних типів?

Основні напрями сучасної біотехнології рослин: біотехнологія і мікроклональне розмноження рослин; створення культур клітин і тканин рослин; генна інженерія; клітинна інженерія; банки клітинних культур та їхня кріоконсервація для збереження генофонду рослин. Усі вони базуються на загальній властивості клітинної біології - соматичні (нестатеві) клітини є тотипотентними, завдяки чому з однієї соматичної клітини можна регенерувати цілісну рослину.

Запам'ятаємо

Тотипотентність (від лат. тотус - весь, цілий, потентіа - сила, можливість) - здатність однієї клітини багатоклітинного організму внаслідок поділу давати початок цілому новому організму. У тварин тотипотентними є зигота, у деяких видів - її прямі нащадки (наприклад, клітини морули). У рослин соматичні клітини можуть ставати тотипотентними внаслідок впливу великих доз певних фітогормонів (як-от, ауксинів).

Мікроклональне розмноження - метод вегетативного розмноження рослин «у пробірці». Шматочки тканин вихідної рослини розміром 0,1 мм переносять на поживне середовище, у яке добавлено фітогормони, що стимулюють поділ клітин та утворення пагонів або подібних до них структур, які формуються у зародків. Далі новоутворені рослини розвиваються і ростуть на штучному середовищі в пробірці, потім їх переносять у ґрунт (мал. 58.1).

Мал. 58.1. Етапи мікроклонального розмноження рослин

Культури клітин і тканин рослин. Рослинні регулятори росту, які містить поживне середовище, стимулюють необмежене розмноження клітин і утворення недиференційованої клітинної маси - калюсу. Якщо потім калюс розділити на окремі клітини і продовжити культивувати ізольовані клітини на поживних середовищах, то з окремих клітин можна отримати повноцінні рослини (мал. 58.2).

Культури клітин і тканин рослин використовують для отримання цінних речовин. Так, у культурі клітин раувольфії зміїної активно синтезуються алкалоїди, які використовують як ліки проти гіпертонії. З культур клітин женьшеню виділяють біологічно активні речовини. Це дає змогу отримувати рослинні лікарські препарати, не винищуючи рідкісні рослини.

До отримання повноцінної рослини в культурі можна здійснювати попередню клітинну селекцію. Відбирають клітини, стійкі до гербіцидів, засолення, дії екстремальних температур, патогенів, а також ті, для яких характерний підвищений синтез корисних для людини речовин.

Мал. 52.2. Калюс женьшеню (1) та отримані з нього рослини (2)

Мал. 58.3. Юрій Юрійович Глеба (народ. 1949 р.) - видатний український біолог, фізіолог рослин, генетик, академік НАН України; засновник Інституту клітинної біології та генетичної інженерії НАН України (1990)

Клітинна інженерія - це сукупність методів і підходів, які використовують для конструювання клітин нового типу. За допомогою методів клітинної інженерії отримують гібриди соматичних клітин неспоріднених і еволюційно віддалених видів або вносять у соматичну клітину окремі клітинні органели, ядро, цитоплазму.

Цікаво знати

В Україні фундаментальні дослідження в галузі клітинної та генетичної інженерії рослин започаткував академік Ю.Ю. Глеба (мал. 58.3).

Для проведення гібридизації або реконструкції спочатку за допомогою спеціальних ферментів рослинні клітини позбавляють клітинної стінки - отримують протопласти. Їх переносять у поживне середовище для подальшого використання. Під час гібридизації здійснюють повне злиття протопластів клітин, отриманих від різних рослин. Так утворюється двоядерна клітина, у якій ядра згодом зливаються і виникає одноядерна гібридна клітина.

Методи генної інженерії використовують для отримання трансгенних рослин, у яких усі клітини несуть чужорідний ген. Часто для цього використовують ґрунтових бактерій з родини агробактерій. Крім ДНК ядерної зони (нуклеоїду), вони містять великі плазміди із так званою Т-ДНК - ділянкою, що може вбудовуватись у ядерний геном рослинної клітини. Для отримання трансгенних рослин використовують плазміди зі зміненою Т-ДНК, у якій її власні гени замінені на будь-який ген, який бажано ввести в рослину. Таку плазміду конструюють генно-інженерними методами, а потім уводять в агробактерію, якою потім інфікують рослини (мал. 58.4).

Мал. 58.4. Схема трансформації клітин рослин за допомогою бактерії: 1 - виділення та генно-інженерне конструювання (2) спеціальної плазміди; 3 - інфікування агробактеріями рослинних клітин; 4 - отримання трансгенних рослин

Трансгенні рослини отримують також методами мікроін’єкції та «бомбардування» клітин (мал. 58.5). Мікроін’єкцію проводять під мікроскопом за допомогою скляної голки, уводячи через неї ДНК у ядро клітини. Під час «бомбардування» клітин золоті кульки діаметром 0,4-1,2 мкм укривають шаром ДНК і «вистрілюють» у суспензію клітин зі спеціальної «генної гармати». Цей метод дає змогу вбудовувати потрібні гени не тільки в хромосоми рослин, але і в геном їхніх пластид, наприклад хлоропластів.

Мал. 58.5. Внесення чужорідної ДНК у рослинні клітини за допомогою мікроін’єкції (1) чи «генної гармати» (2)

Генетичну трансформацію рослин використовують для: поліпшення харчових якостей рослин, їхньої стійкості до факторів довкілля, синтезування білків, які використовують у фармакології тощо.

Завдання: з допомогою вчителя або вчительки, використовуючи хмарні технології, зберіть інформацію про переваги та проблеми створення генетично модифікованих рослин. Проведіть дискусію на цю тему.

Ключові терміни та поняття

тотипотентність, мікроклональне розмноження, клітинна інженерія.

Перевірте здобуті знання

1. Які ви знаєте напрями в біотехнології рослин? 2. Які істотні переваги мікроклонального розмноження перед традиційними способами вегетативного розмноження рослин? 3. Завдяки чому біотехнологія рослин прискорює селекційний процес у рослинництві? 4. Як отримують трансгенні рослини? 5. Для чого використовують генетичну трансформацію рослин?

Поміркуйте

Яким чином можна використовувати трансформовані рослини як біофабрики комерційних продуктів?