Іркутська державна сільськогосподарська академія
Кафедра ботаніки та луківництва
Реферат з екологічної генетики
Тема: Прикладні питання екологічної генетики
Виконала: ст-ка 3 до, 2гр
Агрофакультета Сидорова Т.
Іркутськ-2009 р.
Зміст
1. Виникнення потреби в біотехнології
2. Основи клонування, техніка клонування, клонування ДНК
3. Розвиток генетичної інженерії рослин
4. Генетична трансформація рослин
5. Джерела генів для поліпшення рослин
6. Безпека генетично модифікованих рослин
Введення
У зв'язку з «вершинним» положенням генетики серед біологічних дисциплін вона визначає розвиток не тільки нових, як, наприклад, біотехнології, але і таких фундаментальних як еволюція. У зв'язку з цим виникають нові, «приватні генетики», наприклад «лісова генетика».
В даний час у наукових колах обговорюється питання про формування екологічної генетики. Ядром екологічної екології повинні стати питання регулювання: 1.На рівні організм-середовище; 2. Середовищний індукції генної активності; 3.Популяціонного рівня; 4.Ценотіческого рівня. столетия биология вступила в свой «Золотой век».
Виникнення потреби в біотехнології, приклади
Біотехнологія - це використання організмів, біологічних систем або біологічних процесів в промисловому виробництві. У біотехнології застосовуються не тільки мікроорганізми. Фактично, будь-яке виробництво, в основі якого лежить біологічний процес, можна розглядати як біотехнологію. Сюди ж можна включити генну інженерію і клонування сільськогосподарських рослин і тварин. Приклади біотехнологій наведені на малюнку 12.1
Біотехнологія дозволяє не тільки отримувати важливі продукти для людини продукти, наприклад етиловий спирт, пиво чи гормон інсулін. Прикладами біотехнологій є також очищення стічних труб, переробка твердих відходів і виявлення забруднення з використанням біосенсорів. Більш широко біотехнологію можна визначити як використання живих організмів для потреб людини. Таким чином, до біотехнології в принципі можна віднести розведення і удосконалення сільськогосподарських тварин, наприклад великої рогатої худоби і свиней, а також рослин, таких як пшениця чи картопля. Для цих цілей особливо важливі нові методи генної інженерії, оскільки вони дозволяють набагато точніше і швидше наділяти живі організми новими бажаними ознаками в порівнянні з традиційними методами селекції.
Основні методи інженерії були розроблені на початку 70-х рр.. Суть цих методів - введення в організм нового гена. Такий ген може бути синтезований заново, а може бути перенесений з іншого організму. Якщо в геном бактерії вбудувати ген, що кодує будь-якої білок, бактеріальна клітина перетворюється на живу фабрику з виробництва цього білка. В якості прикладу розглянемо перенесення в клітку і генів, що кодують інсулін людини і гормон росту людини.
Отримати копію будь-якого гена в даний час завдання зовсім неважка. У деяких закладах для цього потрібно всього одна вихідна копія. Одержання безлічі ідентичних копій називають клонуванням. Як клонуючої вектора (тобто переносника ДНК, яку потрібно клонувати) традиційно використовують плазміди або бактеріофаги. Плазміди - це невеликі кільцеві фрагменти ДНК, виявлені в деяких бактеріях. Вони відокремлені від основної (хромосомної) ДНК, і можуть реплицироваться незалежно від неї. Бактеріофаги (або, для стислості, фаги) - це віруси, які можуть вводити свою ДНК в бактеріальну клітину, ця ДНК реплікується. Фрагменти ДНК, які необхідно клонувати, з'єднують або з плазмідної, або з фагової ДНК. Отримана «конструкція», що складається з ДНК-фрагментів різних організмів, називається рекомбінантної ДНК. Якщо таку ДНК ввести в бактеріальну клітину, то з кожним циклом поділу збільшується і число копій рекомбінантної ДНК. Вбудований в бактеріальний геном чужорідний ген може використовуватися для отримання в промислових кількостях корисного білка, наприклад такого, як інсулін людини, який в нормі не виробляється бактеріальною клітиною.
Генну інженерію бактерій можна поділити на п'ять етапів.
Етап 1. Виділення копії потрібного гена з усіх інших генів організму.
Етап 2. Вбудовування потрібного гена в вектор.
Етап 3. Використання вектора для введення потрібного гена в репіціентную клітку.
Етап 4. Відбір клітин, в які увійшла чужорідна ДНК (донорно ДНК).
Етап 5. Клонування гена
Наведена вище черговість етапів - найпростіша. Однак у деяких випадках порядок дій може бути іншим, наприклад, у вектор може бути вбудована і клонована ціла група генів і лише потім виділений потрібний ген.
Етап 1. Отримання копії потрібного гена.
Це найважча частина процесу. Наприклад, у геномі людини (геном це вся ДНК у клітині) налічується близько 3 млрд.. нулеотідов і ≈ 100 000 генів. Типовий ген має кілька тисяч пар нуклеотидів в довжину, так що навіть знайти конкрентних ген не так просто. Для отримання копії гена використовують три методи:
За допомогою зворотного траскріптази отримають копію гена на матриці його мРНК;
Синтезують штучний ген.
»), вклющающий разрезание ДНК рестрикционными ферментами (рестриктазами)и поиск фрагмента, содержащего нужный ген.
Метод «дробовика» - використання рестрикційних ферментів.
Цей перший метод виділення генів був розроблений в кінці 1960-х початку 1970-х рр.. - ограничивающий) эндонуклеазами или рестриктазами.
Назва кожного ферменту походить від назви бактерії, з якої його виділяють. Рестріціруемая послідовність - мішень часто має шість підстав у довжину і є паліндромний, тобто читається однаково в обох напрямках. Дві комплементарні ланцюга ДНК зчитуються в протилежних напрямках. Деякі рестріктази виробляють ступінчасті надрізи. У результаті їх дії утворюються фрагменти ДНК з виступаючими одноланцюжковий кінцями. Такі кінці називаються «липкими»; їх використовують для возз'єднання фрагментів ДНК. Вони як би злипаються за рахунок утворення водневих зв'язків з комплементарними липкими кінцями інших молекул ДНК, розрізаних тієї ж рестриктазою.
При обробці ДНК донорного організму рестріктазами розраховують на те, що один з фрагментів буде випадковим чином містити повну копію потрібного гена і нічого більше.
Етап 2. Вбудовування генів у вектор
Плазмідна ДНК
Кільцеві молекули плазмідної ДНК у бактерій набагато менше, ніж основна хромосомна ДНК, тому їх можна легко відокремити один від одного. Бактеріальні клітини руйнують і центрифугують. При цьому хромосомна ДНК виявляється в осаді, а плазмідна ДНК залишається в рідкій фазі над осадом. Перед обробкою рестріктазами плазмідну ДНК очищають.
Фагової вектор
Перевагою фагів як векторів є можливість клонування великих фрагментів ДНК порівняно з тими, які можуть переносити плазміди. Частіше за інших для цієї мети використовують фаг λ. Частина фагової ДНК замінюють на ДНК, яку потрібно клонувати. Ця частина не потрібна для реплікації фагової ДНК у бактеріальній клітині-хазяїні, тому клонування не порушується.
Етап 3.Введеніе вектора в хазяйську клітку
На даному етапі фагової або плазмідний вектор вводять в бактеріальну клітину, в якій він зможе розмножуватися (клонувати себе і чужорідну донорно ДНК, яку він містить).
. coli .
Етап 4. Клонування ДНК
Одна-єдина фагів частка, яка містить рекомбінантного молекулу ДНК, може менш ніж за один день утворити більш 12 жовтня ідентичних копій самої себе і цієї молекули. . coli , содержащие плазмиды, обычно высевают на питательный агар в чашки Петри.
3.Розвиток генетичної інженерії рослин
Традиційні методи селекції, засновані, головним чином, на статевий гібридизації та відборі, дозволяють отримувати нові генотипи рослин. Вони забезпечують отримання величезного числа сортів і гібридів сільськогосподарських культур, в тому числі шедеврів селекції. Видатні селекціонери Росії (Лук'яненко, Пустовойт, Ремесло, Гаркавий, Кириченко, Калиненко та ін) внесли вирішальний внесок у ці досягнення. Класичні методи селекції і надалі будуть складати основу одержання нових сортів. Генно-інженерні маніпуляції дозволяють вирішувати ряд важливих завдань щодо підвищення стійкості нових форм, ліній, сортів і гібридів сільськогосподарських рослин до патогенів та скорочення тривалості виведення нових сортів.
Технологія рекомбінантних ДНК дозволяє виділяти гени як прокаріотичної, так і еукаріотичного проісжожденія, переносить цей ген (або декілька генів) в хромосоми реципієнтного рослини забезпечувати його експресію. Застосування цієї технології робить пошук більш цілеспрямованим і значно розширює можливості маніпулювання генетичним апаратом.
Важливою перевагою рослин в порівнянні з тваринами є можливість отримання цілої рослини з однієї клітини, заснована на властивості тотипотентності. Результати генетичної інженерії рослин багато в чому залежать від розробки методів культури тканин, особливо методик регенерації різних рослин.
Технологія генетичної інженерії складається з наступних основних етапів одержання трансгенних рослин: 1) вибір гена і його клонування, 2) підбір генотипу рослини-реципієнта; 3) введення гена і його експресія в геномі рослини-реципієнта; 4) регенерація трансформованих клітин і відбір трансгенних рослин .
4. Генетична трансформація рослин. Трансформація рослин за допомогою агробактерій
Однією з основних проблем при отриманні трансгенних рослин був спосіб введення чужорідних генів в хромосоми рослин, тобто трансформація рослинних клітин. -плазмидами почвенных агробактерий.
) могут заражать двудольные растения и вызывать при этом образование специфических опухолей-корончатых галлов.
–плазмиды представляют собой кольцевые молекулы ДНК длиной ≈ 200 т.н.п.
- плазмиды имеют сходное строение и содержат последовательности, которые можно поделить на две группы: 1).
Трансформація рослини в результаті агробактеріальної зараження відбувається наступним чином. -плазмида, но часть Т i -плазмиды переносятся в ядро растительной клетки и может встраиваться в растительный геном.
Процес трансформації рослини починається з того, що агробактерії прикріплюється до рослинної клітці в області поразки останньої. При поранених рослинна клітина виділяє в зовнішнє середовище специфічне фенольне сполучення-ацетосіренгон. Отже, методи в той чи іншому поєднанні дозволяють отримати багато генів, продукти яких-білки-відомі і можуть бути виділені хоча б у малій кількості. Ці гени в подальшому можуть стати об'єктом генно-інженерних маніпуляцій, завдання яких отримати їх експресію в новому генетичному оточенні.
Генетичний код єдиний для всіх живих істот. Коло джерел генів, які можуть бути використані для поліпшення властивостей культурних рослин, не органічний світом рослин. Гени, виділені з різних царств, родин і загонів живих організмів можуть працювати в представниках будь-яких інших царств, родин і загонів.
, выделенный из морской медузы и светящийся в ультрафиолете, успешно работает в трансгенных растениях, помогая отслеживать процесс трансформации и селекции.
Істотно здешевили одержання врожаю гени стійкості до гербіцидів і комах. Відомо, що для боротьби з бур'янами рослинами, конкурують з культурними, потрібні значні кошти. Якщо мати культури, стійкі до гербіцидів, останніми можна обробляти посіви, і знищувати бур'яни без шкоди для культурних рослин.
, выделенный из бактерии, определяющий устойчивость к гербициду «Баста», был введен и апробирован на ряде важнейших культур, в том числе на злаках и сахарной свекле.
( Bt ).
У таблиці 1 представлені дані про джерела генів стійкості до комах-шкідників. показал надежно наследуемую устойчивость к колорадскому жуку и получил широкое распространение в странах, страдающих от этого насекомого.
Таблиця 1. , защищающие растения от насекомых-вредителей.
Різновиди Bt.
Шкідники, чутливі до токсину
Var.tenebrionis u san diego
Колорадський жук, личинки в'язово листоїди
Var. kurstaki
Гусениці капусниці, мешочніци, озимої совки, капустяної молі, і ін чешукрилих, личинки європейського кукурудзяного сверлильщика
Var. ismelensis
Личинки та імаго багатьох двокрилих
Var. aizavai
Личинки воскового метелика (шкідник у бджільництві), капустяного метелика та ін
Польові випробування трансгенної картоплі, створеного в лабораторії генетичної інженерії рослин Центру «Біоінженерія» РАН, показали збереження ознаки стійкості до колорадського жука протягом не менше трьох вегетативних поколінь.
Створення ГМР - високо технологічний процес, заснований на фундаментальних наукових знаннях, вимагає висококваліфікованих кадрів потужної сучасної інструментальної бази. Трансгенні рослини створюється в наукових лабораторіях, проходить стадію випробувань в теплицях і в польових умовах, потім державні сортовипробування, реєстрацію і, нарешті, виходить на ринок: для вирощування в навколишньому середовищі; вживання в їжу безпосередньо або в переробленому вигляді; в якості кормів для тварин , або як джерело ліків-«їстівних» вакцин.
Стратегія біобезпеки грунтується на науковому дослідженні особливостей ГМР, досвіді поводження з ними, а також інформації про його передбачуване використанні і навколишньому середовищу, в яку ГМР буде інтродуковано. Спільними багаторічними зусиллями міжнародних організацій (ЮНЕП), експертів з різних країн, в т.ч. Росії, були розроблені базові поняття і процедури:
«Небезпека» - потенційна можливість ГМР заподіяти шкоду здоров'ю людей або навколишньому середовищу.
«Ризик» - ймовірність реалізації небезпеки, якщо вона визначена, при вивільненні ГМР в потенційну приймаюче середовище. Дуже важливо визначити, в чому фактично складаються ризики. При цьому враховуються два особливих чинники: наслідок конкретної події та ймовірність настання події.
«Оцінка ризиків» - заходи за оцінкою того, якої шкоди може заподіяно, як він може проявитися і якими можуть бути масштаби можливої шкоди. Оцінка ризиків повинна проводиться строго на науковій основі, при цьому кожне нове ГМР розглядається індивідуально, поетапно і в порівнянні з вихідним не модифікованих рослиною. Міжнародними та російськими правилами потрібно застосування «принципу обережності» тих випадках, коли повна інформація відсутня.
Як забезпечується біобезпека в Росії? Початком включення Росії у світову систему біобезпеки можна вважати ратифікацію країною «Конвенції про біобезпеку» в 1995р. З цього моменту почалося формування національної системи біобезпеки (НСБ) як частини системи національної безпеки країни, при цьому враховувалися міжнародні рекомендації.