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

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 полягвния; пшениці та жита; плодово-ягідних культур (наприклад, малини та ожини, сливи та терену). Створені пол іплоїдні 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.

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 чнстотн породи тощо), а його негативні наслідки усувають за допомогою гібридила- ції представників різних ліній або порід. Широко використовують і явище гетерозису. Наприклад, схрещуючи свиней леяких порід (мал. 18.2), отри­мують нащадків, які за неповний рік сягають маси понад 300 кг.

Практично важливі спадкові ознаки можуть фенотшшо не проявлятися п особин однієї зі статей. Наприклад, у самців великої рогатої худоби не про­являються молочність і жирномолочність, у півнів - несучість. Тому для ви явлення 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?

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

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 рідкоземельцих 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 І 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

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 нлазміди. 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 компле- ментарності синтезують другу. Її вбудовують у молекулу ДНК плазм ід ж. 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 клітинн-хазяїна.

У клітини еукаріотів, наприклад рослин, молекули ДНК можна вводи­ти і без векторів, наприклад, за допомогою скляної голки (мікроін’ек- ції 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.

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 - біоінфор- матика. 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.

31996 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.

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 біобезпеки 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.

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 клону- вання 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.