Общая характеристика новых (инновационных) методов селекции и семеноводства растений

1.

СМсспк
3.
Современные
методы селекции
и семеноводства:
сущность и краткая
характеристика
М.П. Мордвинцев
1

2.

СМсспк
3.
Основная рекомендуемая учебная литература:
Сельскохозяйственная биотехнология: Учебник
/ Под ред. B.C. Шевелухи. — 3-е изд., перераб.
и доп. – М.: Высш. шк., 2008 – электронный ресурс.
Коновалов Ю. Б., и др. Общая селекция
растений. – СПб.: «Лань», 2013 – электронный
ресурс.
Гужов Ю., Фукс А., Валичек П. Селекция и
семеноводство культурных растений. – М.:
Колос, 1991 (лучше – 1999 – электронный ресурс
или М.: Мир, 2003).
М.М.П.
2

3.

3.
М.М.П.
СМсспк
Содержание лекции:
1. Общая характеристика новых
(инновационных) методов
селекции и семеноводства
растений
2. Сущность и краткая
характеристика методов
клеточной инженерии
3. Сущность и краткая
характеристика методов
генетической инженерии
3

4.

СМсспк
3.1
1. Общая
характеристика
новых
(инновационных)
методов селекции
и семеноводства
растений
М.М.П.
4

5.

СМсспк
Ранее
в
селекции
3.1
генетическое разнообразие форм растений
(исходного материала для селекции)
экспериментально создавалось методами
гибридизации, полиплоидии, мутагенеза.
В настоящее время ученые могут достигать еще
большего разнообразия благодаря
манипулированию отдельными клетками живого
организма, отдельными хромосомами и
отдельными генами.
Поэтому родились новые (инновационные) методы работы
в современной селекции и новые понятия – в частности,
клеточная, геномная, хромосомная и генная инженерия.
Данные методы являются методами новой науки –
биотехнологии, а их принципиальное отличие от традиционно
используемых в селекции состоит в целенаправленном, а не
случайном расширении границ изменчивости генотипа, в
планируемом разнообразии исходного материала для
селекции.
М.М.П.
5

6.

3.1
СМсспк
Традиционные методы селекции имеют ограничения в
области изменения генотипа организма.
Методы клеточной, геномной, хромосомной и генной
инженерии открывают возможности создания
организмов с новыми, в том числе не встречающимися в
природе, комбинациями наследственных признаков.
Понятия геномной, хромосомной и генной инженерии
обычно интегрируются понятием генетической
инженерии.
Генетическая инженерия – это
использование комплекса клеточных,
генетических, молекулярно-генетических
методов при создании растительных
организмов с необходимыми человеку
свойствами.
М.М.П.
6

7.

3.1
СМсспк
Генетическая инженерия, в широком её понимании,
осуществляется на уровне популяций, организмов,
тканей, клеток, плазмидов, хромосом, генов и даже
их отдельных частей (т.е. и на молекулярном уровне).
Если методы генетической инженерии на уровне
популяций и организмов разработаны в селекции
растений достаточно давно, то в современной
селекции стали использоваться методы
генетической инженерии на уровне клеток,
хромосом и даже генов.
М.М.П.
7

8.

СМсспк
3.1
Сущность генетической инженерии
сводится к целенаправленному
конструированию генетических систем
вне организма и последующему введению их
в живой организм.
При этом геномная, хромосомная и генная
инженерия являются отдельными
ветвями генетической инженерии.
М.М.П.
8

9.

3.1
М.М.П.
Распространение технологий
генетической инженерии в мире
СМсспк
9

10.

3.1
М.М.П.
Страны-производители
трансгенных растений
СМсспк
10

11.

3.1
М.М.П.
Доля участия стран
в производстве трансгенных растений
СМсспк
11

12.

3.1
СМсспк
Доля (в %) основных биотехнологических культур
от общей площади возделывания, млн. га, 2009 г.
- традиционные
- ГМ
СОЯ
М.М.П.
ХЛОПОК
КУКУРУЗА
КАНОЛА
12

13.

3.1
М.М.П.
СМсспк
13

14.

3.1
М.М.П.
СМсспк
14

15.

3.1
М.М.П.
СМсспк
15

16.

3.1
М.М.П.
СМсспк
16

17.

3.1
М.М.П.
СМсспк
17

18.

3.1
М.М.П.
СМсспк
18

19.

СМсспк
3.2
2. Сущность и краткая
характеристика
методов клеточной
инженерии
М.М.П.
19

20.

3.2
Можно обозначить несколько направлений
современных технологий на основе
культивируемых клеток растений:
СМсспк
1. Получение биологически активных веществ растительного
происхождения.
2. Ускоренное клональное микроразмножение растений,
позволяющее из одного экпланта получать от 10 тыс. до 1
млн. генетически идентичных растений в год.
3. Получение безвирусных растений.
4. Использование эмбриокультуры и оплодотворения in vitro
для преодоления постгамной несовместимости или
щуплости зародыша при получения растений после
отдаленной гибридизации.
5. Антерные культуры – культуры пыльников и пыльцы –
используются для получения гаплоидов и дигаплоидов.
6. Клеточный мутагенез и селекция. Тканевые культуры в
результате сомаклонального варьирования позволяют
получать регенеранты, фенотипически и генотипически
отличающиеся от исходного материала, даже без
мутагенной обработки.
М.М.П.
20

21.

3.2
Существующие методы культивирования изолированных клеток иСМсспк
тканей in vitro, которые используются в клеточных технологиях с
целью облегчения и ускорения селекционного процесса при
создании новых форм и сортов растений, условно можно разделить
на две группы.
Первая группа – это вспомогательные технологии, которые
не подменяют обычную селекцию, а служат ей. К ним можно
отнести: оплодотворение in vitro (преодоление прогамной
несовместимости), культивирование незрелых гибридных
зародышей (преодоление постгамной несовместимости),
получение гаплоидов путем культивирования пыльников и
микроспор, клональное микроразмножение.
Вторая группа объединяет основные технологии, приводящие
к самостоятельному, независимому от традиционных методов
селекции, получению новых форм и сортов растений:
соматическая
гибридизация
(слияние
изолированных
протопластов и получение неполовых гибридов), клеточная
селекция с использованием каллусной ткани, криосохранение
ценного растительного материала и применение методов генной
инженерии.
М.М.П.
21

22.

СМсспк
3.2
Широкое практическое применение в настоящее время
получило важнейшее направление современной
биотехнологии – клеточная инженерия как метод
создания новых форм растений путем выделения
мутантных клеток и сомаклональных вариаций в
селективных условиях.
Клеточная инженерия основано на использовании
изолированной культуры клеток или тканей
эукариотических организмов, а также на тотипотентности
– уникальном свойстве растительных клеток.
В понятии "тотипотентность" отражен потенциал клетки
воспроизводить все типы клеток, присущих взрослому
организму. Другими словами, клетка обладает
способностью воспроизводить целый организм.
Важность принципа тотипотентности заключается в том,
что любая дифференцированная клетка в специально
созданных условиях может повторить весь путь онтогенеза,
иными словами, весь путь развития организма.
М.М.П.
22

23.

3.2
М.М.П.
СМсспк
На практике клеточная инженерия используется в
селекции растений, в семеноводстве для получения
безвирусных растений и их клонального
размножения, а также для получения ценных
метаболитов растительного происхождения
(например, дешевых лекарств), и др.
23

24.

3.2
С помощью
культуры
изолированных
тканей и клеток in
vitro можно
расширить
возможности
селекционной
работы: получать
клоны клеток, а
затем и растения с
запрограммирован
ными свойствами.
М.М.П.
СМсспк
Выращивание изолированных тканей и клеток
на искусственных питательных средах в
стерильных условиях (in vitro) получило
название метода культуры изолированных
тканей и метода культуры изолированных
клеток.
24

25.

3.2
М.М.П.
СМсспк
Методы культуры изолированных тканей и
клеток широко используются в сельском
хозяйстве.
Примером может служить массовое клонарное
микроразмножение (микроклональное
размножение) плодовых, овощных и
декоративных растений, а также их
оздоровление от вирусных и других инфекций.
Микроклональным
размножением
называют неполовое
размножение растений
с помощью метода
культуры тканей,
позволяющее получать
растения, идентичные
исходному.
25

26.

3.2
СМсспк
Технология
микроклонального
размножения
М.М.П.
26

27.

3.2
М.М.П.
Преимущества использования
микроклонального размножения в селекции
растений перед традиционными способами
размножения:
СМсспк
27

28.

3.2
М.М.П.
СМсспк
Клеточная селекция является как бы развитием мутационной
селекции, но реализуется на уровне единичных клеток с
использованием техники in vitro.
Использование техники in vitro придаёт клеточной селекции
более широкие возможности в сравнении с традиционными
методами селекции, но и создает значительные трудности в
работе из-за необходимости регенерации из отдельных
клеток полноценных организмов.
Преимущество клеточной селекции
перед традиционными методами
состоит также в отсутствии сезонности
в работе, возможности использования
миллионов клеток при отборе,
направленности селекции путем
применения селективных сред и
выполнении работ в лабораторных
условиях.
28

29.

3.2
М.М.П.
СМсспк
С развитием культуры in vitro появилась реальная
возможность более широкого использования
гаплоидии в селекции сельскохозяйственных
культур.
Применение метода культуры клеток позволило
осуществить регенерацию растений из
генеративных клеток, содержащих гаплоидный
набор хромосом.
Стало возможным массовое получение гаплоидов.
Практическое значение в селекции в настоящее
время получили культура пыльников (андрогенез),
завязей и семяпочек (гиногенез) и метод
гаплопродюсера, который является
разновидностью гиногенеза.
Метод позволяет получать гомозиготный
материал из обогащенных в генетическом
отношении гибридов без многократного
самоопыления за 2 - 3 года вместо 8 - 10 лет при
традиционной селекции
29

30.

3.2
М.М.П.
МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ
ДИГАПЛОИДНЫХ
ГОМОЗИГОТНЫХ
ЛИНИЙ
СМсспк
30

31.

3.2
СМсспк
При изучении растений,
регенерированных из соматических
клеток в культуре in vitro, было
установлено, что они генетически не
всегда однородны.
Эту, так называемую
сомаклональную изменчивость,
стали использовать в селекции
растений как источник полезных
мутаций.
У регенерантов, в отличие от индуцированных мутантов,
редко наблюдается мозаичность, что является
результатом их происхождения из единичной клетки, и
поэтому сомаклоны могут быть стабилизированы в
течение одного поколения.
М.М.П.
31

32.

3.2
СМсспк
Разработка методов индуцированного слияния
протопластов, а также развитие техники
культивировании растительных клеток in vitro,
обеспечивающей возможность получения
изолированных протопластов, их выращивания с
образованием каллуса и в последующем целого
растения, обеспечила формирование нового
весьма перспективного метода гибридизации
растений, получившего название соматической
гибридизации.
М.М.П.
32

33.

3.2
М.М.П.
СМсспк
Сущность данного приема состоит в том, что в качестве
гибридизуемых клеток используют не гаметы
(репродукционные клетки), а клетки тела растений
(соматические), из которых получаются протопласты.
Слияние протопластов обеспечивает объединение не
только клеточных геномов, но и двух различных
цитоплазм.
В большинстве известных случаев слияние
протопластов высших растений приводит к
образованию либо гибрида, либо цибрида.
Цибридное растение содержит ядро одного партнёра, а
цитоплазму – обоих партнеров и потому является
гетерозиготным по внеядерным (цитоплазматическим)
генам, определяющим, например, устойчивость к
гербицидам или признак цитоплазматической мужской
стерильности.
33

34.

СМсспк
3.3
3. Сущность и краткая
характеристика
методов
генетической
инженерии
М.М.П.
34

35.

3.3
СМсспк
В середине прошлого века была установлена
возможность выделения из клеток молекул
нуклеиновых кислот и направленного воздействия
человека непосредственно на них.
Осуществление генно-инженерных программ
стало возможным благодаря следующим открытиям 20
века:
М.М.П.
Открытие явления рестрикции-модификации ДНК в
результате, которого были выделены необходимые
ферменты – рестриктазы для получения специфичных
фрагментов ДНК.
Создание методов химического и химикоферментативного синтеза генов.
Выявление векторных молекул ДНК, способных
перенести в клетку чужеродную ДНК и обеспечить там
экспрессию соответствующих генов.
Разработка методов объединения фрагментов ДНК из
разных источников.
Разработка методов трансформации у различных
организмов и отбора клонов, несущих рекомбинантные
ДНК.
35

36.

3.3
СМсспк
Эти открытия позволили разработать
принципиально новые методы селекции, которые дают
возможность объединить в будущем организме генетическую
информацию организмов различных (практически любых)
видов и тем самым наделить полученный сорт (штамм
микроорганизмов или породу животных) признаками, исходно
ему не свойственными, но зато наиболее полезными для
использования таких организмов человеком.
По сути дела селекционеры, подобно инженерам,
получили возможность собирать из отдельных
генов новые, до сих пор не существовавшие в
природе комбинации, подобно тому, как в
технике или строительстве собираются из
отдельных блоков механизмы или здания.
Именно поэтому в современном языке
появился термин
генетическая инженерия.
М.М.П.
36

37.

3.3
СМсспк
Генетическая инженерия служит для получения желаемых
качеств изменяемого или генетически модифицированного
организма.
В отличие от традиционной селекции, в ходе которой генотип
подвергается изменениям лишь косвенно, генная инженерия
позволяет непосредственно вмешиваться в генетический
аппарат живых организмов, применяя технику молекулярного
клонирования.
Генетическая инженерия — совокупность приёмов, методов и
технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК,
выделения генов из организма (клеток), осуществления
манипуляций с генами и введения их в другие организмы. Это
технология рекомбинантных ДНК, изменение с помощью
биохимических и генетических методик хромосомного
материала – основного наследственного вещества клеток.
М.М.П.
37

38.

3.3
СМсспк
Хромосомный материал состоит из дезоксирибонуклеиновой
кислоты (ДНК). Биологи изолируют те или иные участки ДНК,
соединяют их в новых комбинациях и переносят из одной
клетки в другую. В результате удается осуществить такие
изменения генома, которые естественным путем вряд ли
могли бы возникнуть.
Генетическая инженерия является инструментом биотехнологии
и использует методы таких биологических наук, как
молекулярная и клеточная биология, цитология, генетика,
микробиология, вирусология и др.
Генетическая инженерия – это создание
новых форм организмов за счёт пересадки генов
из одной биологической системы в другую.
М.М.П.
38

39.

3.3
СМсспк
В животноводстве успехи генетической инженерии пока
скромные, тогда как в растениеводстве уже
культивируются сотни форм растений, имеющих
несвойственные им признаки и свойства за счёт
функционирования в их геномах чужеродных генов.
Это сорта картофеля, устойчивые к колорадскому
жуку, сорта сои и гибриды кукурузы, устойчивые к
гербицидам, сорта риса с особым биохимическим
составом зерна, очень продуктивные сорта клубники,
и мн. мн. другие.
В настоящее время методами генетической
инженерии улучшают аминокислотный состав
запасных белков растений; повышают
эффективность фотосинтеза; улучшают процессы
усвоения азота; повышают устойчивость растений к
фитопатогенам, гербицидам, насекомым, к
абиотическим стрессам.
М.М.П.
39

40.

3.3
СМсспк
Примерами применения генной инженерии являются получение
новых генетически модифицированных сортов зерновых культур,
производство человеческого инсулина путем использования
генномодифицированных бактерий, производство эритропоэтина
в культуре клеток или новых пород экспериментальных мышей для
научных исследований.
В сельском хозяйстве с помощью рекомбинантной ДНК могут быть
получены сорта культурных растений, устойчивые к засухе,
холоду, болезням, насекомым-вредителям и гербицидам.
В растениеводстве удалось генетически изменить десятки
продовольственных и кормовых культур. В животноводстве
использование гормона роста, полученного биотехнологическим
путем, позволило повысить удои молока; с помощью генетически
измененного вируса создана вакцина против герпеса у свиней.
М.М.П.
40

41.

3.4
СМсспк
Растения и животные, геном которых
изменен в результате операций генетической
инженерии, получили название трансгенных
растений или животных (генетически
модифицированных организмов, ГМО).
По большому счёту, человечество уже давно занимается созданием
генетически модифицированных растений. Ещё в начале прошлого
века под руководством Г.Д. Карпеченко был получен не
существовавший в природе межродовой гибрид редьки и капусты, а
сегодня всё большие посевные площади занимает не
существовавшая в природе культура тритикале.
Но если ранее на создание таких генетически
модифицированных растений
традиционными методами селекции уходили
долгие десятилетия, то инновационные
методы позволяют это сделать за очень
короткий срок.
М.М.П.
41

42.

3.3
СМсспк
Несомненно, что первым импульсом к генной
инженерии, как и к хромосомной, послужили
достижения клеточной биологии, прежде всего
реализация методов культивирования клеток, тканей
и органов.
Вторым импульсом для направленного введения
чужих генов в геном растений стало открытие
механизма встройки почвенной бактерией рода
Agrobacteria части своего генома в геном растений.
В конце 70-х годов прошлого века было установлено, что
болезнь растений под названием "корончатые галлы" не что
иное, как опухолевые образования, которые возникают в
результате встройки в геном растения части мегаплазмиды
почвенной бактерии Agrobacterium tumefaciens.
Эта бактерия несет гены, вызывающие опухоли у растений, и
встраивает эти гены в геном растений.
М.М.П.
42

43.

3.3
М.М.П.
СМсспк
Опухоли — корончатые галлы, индуцируемые
Agrobacterium tumefaciens.
Они представляют собой истинно злокачественные
опухоли, которые могут расти в культуральной среде в
отсутствие стимуляторов роста — фитогормонов,
необходимых для роста нормальных тканей.
43

44.

3.3
СМсспк
Генетическая трансформация в природе на примере A. tumefaciens:
1- агробактерии существуют в ризосфере; 2 - строение A. tumefaciens;
3 – встраивание Т-ДНК в геном; 4 – образование опухоли.
М.М.П.
44

45.

3.3
СМсспк
Сегодня учёные рассматривают эту почвенную бактерию, как
природного геноинженера.
При её использовании в генной инженерии ту область
плазмиды, которая индуцирует у растений опухоль, удаляют
и заменяют на искусственно сконструированный вектор, в
который включен избранный селекционерами чужой ген,
переносимый в ядерный геном растений.
На сегодняшний день почти все трансгенные растения
получены на основе схемы агробактериального переноса.
Однако эта схема эффективна лишь для двудольных
растений.
Для однодольных, в основном злаковых растений,
разработаны другие способы переноса генетических
конструкций.
Из них чаще используется баллистический с помощью
установки под названиями "генная пушка", или "дробовик": на
микрочастицы золота или вольфрама помещают ДНК-векторы
и под давлением "выстреливают" в растительные клетки.
М.М.П.
45

46.

3.3
СМсспк
Общая схема
агробактериального
переноса
при
создании
трансгенных
растений
М.М.П.
46

47.

3.3
СМсспк
Общий вид и
схема
установки для
баллистической
доставки генов
в клетки
растений
М.М.П.
47

48.

3.3
М.М.П.
Сравнение свойств агробактериальной
и биобаллистической трансформации
СМсспк
48

49.

3.3
СМсспк
Общая схема
создания
трансгенных
растений
М.М.П.
49