Прикладні питання екологічної генетики

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

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». У другій половині XX століття біологія вступила у свій «Золотий вік». За час, що минув від відкриття структури ДНК у 1953р. До з'явилася не так давно можливості розшифрувати генетичний код людини, на стику генетики і молекулярної біології сформувалася нова могутня галузь науки - біотехнологія. Її значення відображає хоча б той факт, що в США саме на біотехнологію витрачається майже половина коштів, що виділяються на академічні дослідження. Біотехнологія знаходить застосування промисловості, медицині, сільському господарстві та багатьох інших областях. Її досягнення можуть бути спрямовані на благо людей, але можуть принести людству і незліченні біди. Стій проблемою зіткнулися фізики, коли з відкриттям будови атома з'явилася можливість використовувати ядерну енергію, як у мирних, так і в руйнівних цілях. Френсіс Крік і Моріс Уілкінс, які разом з Джеймсом Уотсоном отримали Нобелівську премію за розшифровку структури ДНК, були фізиками, і до того як зайнялися біологією, працювали над створенням зброї. Накопичений досвід змусив ці учених дуже уважно ставитися до етичних аспектів своїх досліджень. Ось чому, коли в кінці 70-х рр.. з'явилися сумніви в етичності та безпеки генної інженерії, Крік і Вілкінс призупинили свою роботу. Ми - майбутні біологи і теж коли-небудь будемо нести відповідальність за рішення, прийняті в ході обговорення нових спірних питань, які неодмінно будуть виникати в міру поглиблення наших знань у галузі молекулярної генетики. Чим більшою інформацією ми володіємо, виробляючи власну точку зору, і чим більше людей готове обговорювати ці проблеми, тим з більшою ймовірністю прийняті нами рішення виявляться правильними.

  1. 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.

2. Основи клонування, техніка клонування, клонування ДНК

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:

  1. За допомогою зворотного траскріптази отримають копію гена на матриці його мРНК;

  2. Синтезують штучний ген.

  3. »), вклющающий разрезание ДНК рестрикционными ферментами (рестриктазами)и поиск фрагмента, содержащего нужный ген. Використовують метод «дробовика» («shotgun»), вклющающій розрізання ДНК рестрикційних ферментів (рестріктазами) і пошук фрагмента, що містить потрібний 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. його поява стала можливою завдяки відкриттю ферментів, званих рестрикційний (від англ. Restricting - обмежує) ендонуклеаза або рестріктазами. Ці ферменти виявлені в бактеріях, здатні розрізати ДНК, наприклад вони розрізають будь-яку вторгаються в бактеріальну клітину вірусну ДНК, обмежуючи таким чином розмноження вірусів усередині клітини. Різні види бактерій продукують різні рестрекціонние ендонулеази. Кожна з них розрізає нуклеоновую кислоту (звідси «Нуклеази») в строго визначених точках («ендо» означає, що фермент розрізає молекулу зсередини, а не атакує її з кінців). Фермент розпізнає якусь послідовність підстав і взаємодій саме з нею. Точки розрізання називаються сайтами рестрикції. До теперішнього часу виділено більше 2000 рестриктаз, активних у відношенні 230 різних послідовностей. Свою власну ДНК бактерія захищає шляхом приєднання до визначеними підставами у сайтах рестрикції метильної групи.

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). Як правило, для цих цілей використовують бактерію Escherichia - обычного обитателя кишечника человека. coli - звичайного мешканця кишечника людини. Кишкова паличка обрана для цієї мети тому, що генетика цієї бактерії добре вивчена, а також тому, що вона швидко зростає (час подвоєння становить близько 30 хв). . coli , выживающий только в особых лабораторных условиях. Для генної інженерії отримано спеціальний мутант E. Coli, виживає тільки в особливих лабораторних умовах. Тому він не здатний заразити людину, якщо випадково потрапляє в навколишнє середовище разом з чужорідними генами, які він містить.

. coli . При використанні плазмідної вектора препарат плазміди додають у пробірку, що містить культуру E. Coli. Туди ж вносять іони кальцію (зазвичай у вигляді хлориду кальцію) і клітини піддають коротким теплового шоку. . coli быстро образуются поры, через которые плазмиды проникают внутрь клетки. У результаті в клітинній мембрані E. Coli швидко утворюються пори, через які плазміди проникають всередину клітини. Процес введення нової ДНК в бактеріальну клітину називається трансформацією.

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. Клітини E. Coli, які містять плазміди, зазвичай висівають на поживний агар в чашки Петрі. Тут клітини діляться кожні 30 хв, з часом утворюючи видимі колонії. При цьому з'являється таке ж число копій необхідної ДНК, як і при використанні фагових векторів, і до того ж при розподілі бактерій в них синтезуються сотні копій плазміди. За допомогою цих двох способів за короткий час отримують мільярди клонів. Тепер перш ніж проводити подальше клонування, потрібно провести відбір трансформаційних бактерій.

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. Значний прорив був зроблений при відкритті можливості використання природної системи трансформації рослин Т i-плазмідами грунтових агробактерій.

) могут заражать двудольные растения и вызывать при этом образование специфических опухолей-корончатых галлов. Раніше було відомо, що деякі види грунтових бактерій (Agrobacteria) можуть заражати дводольні рослини і викликати при цьому утворення специфічних пухлин-корончатих галлів. Пухлини складаються з недиференційованих клітин, що активно діляться і ростуть в місці зараження. клетки опухоли могут расти в отсутствие гормонов, необходимых для роста нормальных растительных клеток. При культивуванні in vitro клітини пухлини можуть рости у відсутність гормонів, необхідних для росту нормальних рослинних клітин. Якщо після зараження все агробактерії інактивувати додаванням антибіотика, то клітини корончатих галлів зберігають здатність до неконтрольованого ділення. Отже, присутність агробактерій необхідно тільки для індіцірованія утворення пухлини. Пухлинні клітини починають синтезувати незвичайні для рослини амінокислоти-опіно (похідні аргініну), які використовуються агробактерій в якості джерела азоту і вуглецю. Таким чином, при зараженні рослини агробактерій відбувається перебудова метаболізму трансформованих рослинних клітин, і вони починають синтезувати сполуки, необхідні тільки для бактерій.

–плазмиды представляют собой кольцевые молекулы ДНК длиной ≈ 200 т.н.п. Т i-плазміди являють собою кільцеві молекули ДНК довжиною ≈ 200 т.н.п. У бактеріальних клітинах вони здатні реплицироваться автономно. –плазмиды могут быть разделены на четыре группы по типу синтезируемых ими опинов. Т i-плазміди можуть бути розділені на чотири групи за типом синтезованих ними опинилась. –плазмиды , кодирующие аминокислоты нопалин или октопин. Найчастіше зустрічаються т i-плазміди, що кодують амінокислоти нопалін або октопін. Причому агробактеріальної клітина може містити лише один тип плазміди: або октопіновую, або нопаліновую.

- плазмиды имеют сходное строение и содержат последовательности, которые можно поделить на две группы: 1). Генетичні дослідження показали, що Т i - плазміди мають подібну будову і містять послідовності, які можна поділити на дві групи: 1). Необхідні для метаболізму самої агробактерії (гени катаболізму опинилась, точка початку реплікації плазміди і т.д) 2). Необхідні для трансформації рослинної клітини. При цьому слід особливо відзначити, що гени першої групи мають прокаріотичних тип промотора і можуть функціонувати тільки в бактеріальній клітині, а другої групи можуть працювати в рослинній клітині. До другої групи належать гени, відповідальні за індукцію пухлини і синтез опинилась.

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. Було показано, що агробактерії не входить в рослинну клітину, не входить до неї і Т i-плазміда, але частина Т i-плазміди переносяться в ядро рослинної клітини і може вбудовуватися в рослинний геном. - плазмиды был назван Т-ДНК (от англ. Transforming DNA - трансформирующая ДНК). Цей фрагмент Т i - плазміди був названий Т-ДНК (від англ. Transforming DNA - трансформує ДНК). На кінцях Т-ДНК знаходяться прямі повтори (25н.п), які необхідні для вирізування її зі складу плазміди та інтеграції в геном рослин. Область Т-ДНК несе сім генів: ген, що кодує синтез одного з опинилась, а також шість генів, що кодують ознаки пухлиноутворення, причому два з них кодують синтез ауксину, а один-синтезу лейкотрієнів. У результаті експресії цих генів у трансформованих клітинах змінюється гормональний статус, що призводить до їх диференціювання і пухлиноутворення.

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.

5. Джерела генів для поліпшення рослин

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. Наприклад, ген білка GFP, виділений з морської медузи і світиться в ультрафіолеті, успішно працює в трансгенних рослинах, допомагаючи відстежувати процес трансформації та селекції. Гени стійкості до антибіотиків і гербіцидів, виділені з мікроорганізмів, служать маркерами трансформації в рослинах.

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. Ген bar, виділений з бактерії, зумовлює стійкість до гербіциду «Баста», був введений і апробовано на ряді важливих культур, у тому числі на злаках і цукрового буряку.

( Bt ). Протягом декількох десятиліть для боротьби з комахами використовувалася культура бактерій Bacillus thuringiensis (Bt). Після обробки цією культурою рослини не піддавалися атакам комахою. Виявилося, що дієвим початком бактерії є токсичні для комах білки, що перешкоджають всмоктуванню їжі.

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. Трансгенна картопля з генами Bt показав надійно наслідувану стійкість до колорадського жука і отримав широке поширення в країнах, що страждають від цієї комахи. -кукурузы, устойчивой к стеблевому мотыльку. З 1997 року у Франції проводяться випробування трансгенної Bt-кукурудзи, стійкої до стеблового метелика.

Таблиця 1. , защищающие растения от насекомых-вредителей. Джерела генів токсинів з Bt, захищають рослини від комах-шкідників.

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.

6. Безпека генетично модифікованих рослин

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.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Біологія | Реферат
69.6кб. | скачати


Схожі роботи:
Закони генетики Розвиток генетики в Росії
Актуальність формування екологічної свідомості Предмет і завдання екологічної психології
Історія генетики
Основи генетики
Тести з генетики 4 курс
Етапи становлення генетики
Основи генетики людини
Перспективи розвитку генетики
Мендель основоположник генетики
© Усі права захищені
написати до нас