Принципи селекції мікроорганізмів

Ім'я файлу: реферат клюйко о.о..docx
Розширення: docx
Розмір: 45кб.
Дата: 10.12.2021
скачати
Пов'язані файли:
Михайло Коцюбинський біографія.docx
гіперактивність (1.doc

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ЕКОЛОГІЧНОЇ БЕЗПЕКИ,ІНЖЕНЕРІЇ ТА ТЕХНОЛОГІЙ КАФЕДРА БІОТЕХНОЛОГІЇ

РЕФЕРАТ

з дисципліни «Загальна біотехнологія»

на тему: «Принципи селекції мікроорганізмів»

Студентки ІІІ курсу 302 групи

Спеціальності 162

«Біотехнології та біоінженерія»

Клюйко Ольги Олександрівни

Керівник доц. Косоголова Л.О.

Київ-2021

ЗМІСТ

ВСТУП 2

РОЗДІЛ 1 4

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА СЕЛЕКЦІЇ 4

1.1.Характеристика селекції, як науки 5

1.2. Завдання сучасної селекції 6

РОЗДІЛ 2 8

ПРИНЦИПИ СЕЛЕКЦЇ МІКРООРГАНІЗМІВ 8

2.1. Значення селекції, як методу створення нових штамів мікроорганізмів. 8

Основні методи селекції мікроорганізмів: 9

2.2.Принципи селекції мікроорганізмів 12

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ 15

ВСТУП

Актуальність теми. Важливу роль у житті людини відіграють мікроорганізми. За їхньою допомогою можна створювати речовини, що використовуються в різних областях медицини й промисловості (виробництво деяких органічних кислот, спирту, хлібопечення, виноробство ґрунтуються на діяльності мікроорганізмів). Селекція займається створенням сортів і гібридів сільськогосподарських рослин, порід тварин, штамів мікроорганізмів і вивчає методи всього вище перерахованого. Теоретичною основою селекції є генетика, що розробляє закономірності спадковості й мінливості організмів. Використовуючи еволюційну теорію Чарльза Дарвіна, закони Григора Менделя, вчення про чисті лінії й мутації, вчені змогли розробити методи управління спадковістю рослинних і тваринних організмів. У селекційній практиці особливе місце належить гібридологічному аналізу. Згідно загальноприйнятим визначенням, генетика мікроорганізмів - розділ загальної генетики, в якому об'єктом дослідження служать бактерії, мікроскопічні гриби, актинофаги, віруси тварин і рослин, бактеріофаги і ін. мікроорганізми. До 40-х рр. 20 століття вважалося, що, оскільки у мікроорганізмів немає ядерного апарату і мейозу, на них не поширюються закони Менделя і хромосомна теорія спадковості. З початку 40-х рр. мікроорганізми стають об'єктом інтенсивних генетичних досліджень. Саме на них було вирішено багато кардинальних питань сучасні генетики. Селекція мікроорганізмів дозволяє створювати нові продуктивні штами, які значно полегшують, прискорюють та збільшують якість продукції біотехнологічних виробництв.

Враховуючи вищезазначене, вивчення принципів селекції мікроорганізмів представляє науковий і практичний інтерес.

Мета роботи: дослідження принципів селекції мікроорганізмів.

Завданням роботи є:

1.Загальна характеристика селекції.

2. Принципи селекції мікроорганізмів

Об’єкт дослідження – основні принципи селекції мікроорганізмів.

Предмет дослідження - селекція мікроорганізмів.

Методи дослідження: аналітичні, мікробіологічні, реферативні та статистичні.

РОЗДІЛ 1

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА СЕЛЕКЦІЇ

1.1.Характеристика селекції, як науки

Селекція (від лат. selectio — вибір, добір) — наука про методи створення сортів, гібридів рослин та порід тварин, штамів мікроорганізмів з потрібними людині якостями. В результаті селекційного процесу створено велику кількість сортів сільськогосподарських рослин і порід свійських тварин, штамів мікроорганізмів.

Селекцією також називають галузь про члени сільськогосподарського виробництва, яка займається виведенням сортів і гібридів сільськогосподарських культур, порід тварин. Залежно від цілей селекцію проводять на якість (смак, зовнішній вигляд, збереження плодів та овочів, вміст білка та амінокислот у зерні, жирномолочність), стійкість до хвороб, шкідників та несприятливих кліматичних умов, урожайність рослин, плодючість та продуктивність у тварин тощо. Основними методами селекції є добір, гібридизація з використанням гетерозису та цитоплазматичної чоловічої стерильності, поліплоїдія та мутагенез. Селекція стала однією з форм еволюції рослинного й тваринного світу. Вона підпорядкована тим самим законам, що й еволюція видів у природі, однак природний добір тут частково замінений штучним. Теоретичною основою селекції є генетика, що розробляє закономірності спадковості й мінливості організмів. Використовуючи еволюційну теорію Чарльза Дарвіна, закони Григора Менделя, вчення про чисті лінії й мутації, вчені змогли розробити методи управління спадковістю рослинних і тваринних організмів. У селекційній практиці особливе місце належить гібридологічному аналізу.

Виняткове значення для здоров'я людини мають антибіотики, їх відносять до особливих речовин. Антибіотики є продуктами життєдіяльності деяких мікробів і грибів, що вбивають хвороботворні мікроби й віруси. Методи селекції широко застосовуються, щоб одержати найпродуктивніші форми мікроорганізмів. За допомогою методів добору вчені виділяли штами мікроорганізмів, які були активними синтезаторами того або іншого продукту, використовуваного людиною. Це можуть бути антибіотики, вітаміни й інші речовини. Мікроорганізми можуть мутувати, що закріплено спадково. Учені широко використовують метод експериментального отримання мутацій під дією рентгенівських, ультрафіолетових променів і деяких хімічних сполук. За допомогою таких методів спадкова мінливість мікроорганізмів підвищується в десятки і навіть сотні разів.

1.2. Завдання сучасної селекції

Найважливішою галуззю практичного застосування генетики є селекція. Селекція – наука про теоретичні основи та методи створення нових і поліпшення вже існуючих сортів рослин, порід тварин і штампів мікроорганізмів. Теоретичною основою селекції є генетика та вчення про штучний добір. Селекціонер має бути добре обізнаним з біологією розмноження та розвитку тих видів, з якими він працює, особливостями їхніх фізіологічних процесів.

Завдання сучасної селекції – це підвищення продуктивності існуючих, а також виведення нових, продуктивніших, сортів культурних рослин, порід свійських тварин, штамів мікроорганізмів, пристосованих до умов сучасного автоматизованого сільського господарства та промисловості. Селекція бере участь у вирішенні основного завдання сільського господарства – забезпеченні максимального виробництва харчових продуктів за мінімальних затрат. Над вирішенням цих завдань у нашій країні працюють різноманітні науково-практичні центри.

Визначаючи завдання селекції, видатний російський селекціонер М.І.Вавилов наголошував на тому, що для поліпшення якостей існуючих і створення нових порід і сортів необхідно вивчати і враховувати різноманіття вихідного матеріалу, спадкову мінливість організмів, роль середовища у формуванні фенотипу, закономірності успадкування при гібридизації та визначити форми штучного добору, які застосовуватимуться у селекційній роботі. Особливе значення для успіху селекційної роботи має генетична різноманітність вихідного матеріалу. Штамом називають чисту культуру мікроорганізмів. Від однієї клітини можна дістати різні штами, які відрізняються за своїми властивостями. Для кожного штаму характерна певна реакція на умови довкілля. Це означає, що їхні позитивні якості можуть проявитися лише за певної інтенсивності чинників навколишнього середовища. Вчені у науково-практичних закладах всебічно досліджують властивості нових порід і сортів та перевіряють їх придатність до використання в певній кліматичній зоні, тобто здійснюють їхнє районування.

Основні методи селекції – це штучний добір та гібридизація. Теорію штучного добору створив видатний англійський вчений Чарльз Дарвін, основні положення якої він виклав у своїй праці “Походження видів шляхом природного добору, або збереження сприятливих порід у боротьбі за життя” і розвинув у книзі “Зміни свійських тварин та культурних рослин під впливом одомашнення”. Таким чином, порода тварин або сорт рослин не є самостійним видом, а лише групою особин певного виду, яка відрізняється від інших подібних сукупностей за певними спадковими ознаками.

Штучний добір – це вибір людиною найцінніших у господарському відношенні тварин, рослин, мікроорганізмів для одержання від них нащадків з бажаними ознаками.

Як зазначилося, неодмінною умовою ефективного штучного добору є різноманітність вихідного матеріалу. Якщо різноманітність вихідного матеріалу незначна, штучний добір виявляється малоефективним. Для самозаплідних організмів добір буде ефективним доти, доки з вихідної, неоднорідної за генетичним складом групи особин не будуть виділені чисті лінії. Ознаки чи їхні стани, які добирає людина, не завжди виявляються корисними для самих організмів; створені породи і сорти часто вже нездатні до самостійного існування і потребують повсякчасного піклування людини. В процесі штучного добору фенотипна мінливість організмів зростає, а їхня загальна життєздатність знижується. Тож людина повинна створювати умови, найсприятливіші для розвитку тих чи інших ознак або їхніх станів.

Застосовують масову та індивідуальну форми штучного добору. За масового добру з вихідного матеріалу виділяють особин із фенотипними особливостями, що цікавлять селекціонерів. Групи особин, подібних за фенотипом, можуть виявитися генотипово різнорідними. Це впливатиме на ефективність добору: при схрещуванні гетерозиготних організмів між собою у гібридів перших поколінь зміни ознак у бік, бажаний для селекціонерів, відбуватимуться досить швидко, але у міру накопичення гомозиготних особин ефективність добору знижуватиметься.

Кращі результати дає індивідуальний добір, коли для подальшого розмноження залишають окремих особин на підставі вивчення як їхнього фенотипу, так і генотипу. Про спадковість цих організмів можна дізнатися, досліджуючи їхні фенотипи, родоводи, за допомогою аналізуючих схрещувань тощо.

РОЗДІЛ 2

ПРИНЦИПИ СЕЛЕКЦЇ МІКРООРГАНІЗМІВ

2.1. Значення селекції, як методу створення нових штамів мікроорганізмів.

Процес селекції — безперервний процес. До того ж відбувається його постійне удосконалювання. Це викликано чимраз більшими запитами виробництва й вимогами до сортів рослин, порід тварин і ефективності мікроорганізмів.

Основні методи селекції мікроорганізмів:

1)Штучний добір для відбору вихідного матеріалу.

2)Штучний мутагенез для збільшення різноманітності вихідного матеріалу.

3)Штучне схрещування різних штамів за допомогою вірусів-бактеріофагів.

4)Методи генетичної та клітинної інженерії для перенесення та видозміни спадкової інформації.

Мікроорганізми, незважаючи на порівняно коротку історію їх вивчення, здавна використовувалися людиною для своїх потреб. Переважно це були еукаріотичні мікроорганізми — дріжджі (пекарські, винні, пивні) та різні види цвільових грибів, що використовуються у сироварінні. Через обмеженість знань про ці організми неможливо було провести їх селекцію, вона могла відбуватися лише в незначній мірі та несвідомо.

Сучасні методи дослідження дозволяють виявити корисні характеристики мікроорганізмів-прокаріот. Переважно ці мікроорганізми використовуються людиною як продуценти цінних хімічних речовин — антибіотиків, вітамінів, органічних кислот. Оскільки у прокаріот немає статевого процесу, до них неможливо застосувати методи гібридизації. Як правило, наявність у генотипі генів, що визначають корисні ознаки, забезпечується шляхом індукованого мутагенезу — це виникнення спадкових змін під впливом спрямованої дії факторів зовнішнього і внутрішнього середовищ. Гаплоїдність більшості прокаріот дозволяє мутації проявитися одразу. Клітини, у генотипі яких є мутація, відбирають та розмножують, формуючи великі культури нащадків однієї клітини (клони). Тому форма штучного добору, що використовується у селекції мікроорганізмів, називається клональним добором.

Селекція мікроорганізмів повинна враховувати такі їх особливості, як відсутність статевого процесу та гаплоїдність (прокаріоти), можливість швидкого розмноження та здатність до індукованого мутагенезу.

Ці особливості накладають свій відбиток на вибір методів селекції мікроорганізмів, які багато в чому істотно відрізняються від методів селекції рослин і тварин. Наприклад, в селекції мікроорганізмів зазвичай враховуються їх природні здібності синтезувати будь-які корисні для людини сполуки (амінокислоти, вітаміни, ферменти та ін.) У разі використання методів генної інженерії можна змусити бактерії та інші мікроорганізми продукувати ті сполуки, синтез яких у природних природних умовах їм ніколи не був притаманний (наприклад, гормони людини і тварин, біологічно активні сполуки).

Часто вдаються до трансдукції (перенесення гена з однієї бактерії в іншу за допомогою бактеріофагів), трансформації (перенесення ДНК, ізольованої з одних клітин, в інші) і ампліфікації (збільшення числа копій потрібного гена).

Найважливішим етапом в селекційній роботі є індукування мутацій. Експериментальне отримання мутацій відкриває майже необмежені перспективи для створення високопродуктивних штамів. Імовірність виникнення мутацій у мікроорганізмів (1Ч10−10−1×10−6) нижче, ніж у всіх інших організмів (1Ч10−6-1Ч10−4). Але ймовірність виділення мутацій з даного гену у бактерій значно вище, ніж у рослин і тварин, оскільки отримати багатомільйонне потомство у мікроорганізмів досить просто і зробити це можна швидко.

Для виявлення мутацій служать селективні середовища, на яких здатні рости мутанти, але гинуть батьківські клітини дикого типу. Проводиться також відбір за забарвленням і формою колоній, швидкості росту мутантів і диких форм і т. д.

Відбір за продуктивністю (наприклад, продуцентів антибіотиків) здійснюється за ступенем антагонізму і пригнічення росту чутливого штаму. Для цього штам-продуцент висівається на газон чутливої культури. За розміром плями, де відсутній ріст чутливого штаму навколо колонії штаму-продуцента, судять про ступінь його активності (в даному випадку антибіотичною). Для розмноження, природно, відбираються найбільш продуктивні колонії. У результаті селекції продуктивність продуцентів вдається збільшити в сотні і тисячі разів. Наприклад, шляхом комбінування мутагенезу і відбору в роботі з грибом Penicillium був збільшений вихід антибіотика пеніциліну приблизно в 10 тис. разів порівняно з вихідним диким штамом.

Продуценти — організми, які продукують органічні речовини із неорганічних сполук. Організми, які здатні до фото або хемосинтезу.

Важливим підходом в селекційній роботі з мікроорганізмами є отримання рекомбінантів шляхом злиття протопластів, або гібридизації, різних штамів бактерій. Злиття протопластів дозволяє об'єднати генетичні матеріали і таких мікроорганізмів, які в природних умовах не схрещуються. Генетичні основи селекції мікроорганізмів наведені в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1.

Генетичні основи селекції мікроорганізмів

Генетичні основи	Основні методи селекції мікроорганізмів
У багатьох прокаріотів відсутні статеві процеси	Гібридизація не застосовується, використовують методи генетичної та клітинної інженерії
Більшість мікроорганізмів має гаплоїдний набір хромосом або кільцеву молекулу ДНК	Застосовують штучний мутагенез
Високі темпи розмноження	Застосовують штучний добір
Легко здійснюється горизонтальний перенос генів (між різними видами)	Використовують штучне схрещування різних штамів за допомогою вірусів-бактеріофагів

2.2.Принципи селекції мікроорганізмів

Починаючи свідому селекцію мікроорганізмів, людина ставить завдання створити промислові мікроорганізми з незвичайними для диких штамів властивостями. Методологічно це завдання можна вирішити як зміною генетичної інформації мікробної клітини, так і індукцією в генетичній програмі клітини мутацій. На відміну від селекції культурних рослин і свійських тварин, що має тисячолітню історію й багатий досвід, цілеспрямований відбір і селекція мікроорганізмів почалися тільки після пізнання мікросвіту й розвивалися паралельно з науковими досягненнями генетики. Мікроорганізмам, як об’єктам селекції, притаманні такі особливості: вирощування мікробної культури з однієї клітини — звичайний для мікробної селекції прийом — приводить до того, що в руках селекціонера як вихідний матеріал завжди виявляється клон (потомство однієї клітини, що характеризується генетичною однорідністю). Проте внаслідок високої швидкості росту і розмноження такий генетично однорідний клон у результаті спонтанних мутацій швидко перетворюється на популяцію — сукупність клітин з різними генотипами; більшість мікроорганізмів є гаплоїдами, тобто мають один набір хромосом, в результаті чого їм не притаманна «прихована» мінливість, що є основою селекції організмів.

Для більшості промислово важливих мікроорганізмів досі не вставлена здатність до гібридизації (статевого розмноження). Це означає, що селекцію клітин можна здійснювати лише вегетативним шляхом.

Мікроорганізми характеризуються дуже швидкою зміною поколінь, тому селекціонер-мікробіолог має значно більше можливостей для відбору штамів з необхідними властивостями. Результати такої роботи можна побачити за лічені дні (на відміну від селекції макроорганізмів, результати якої можуть з’явитися лише через кілька років); — об’єктом досліджень селекціонера-мікробіолога є величезна кількість особин, що значно розширює його можливості. Відбір певних клонів із сотень і тисяч зразків потребує надзвичайно копіткої роботи, часто з використанням хімічних і біохімічних аналізів, тому такі дослідження за трудомісткістю не поступаються масштабам роботи селекціонера вищих організмів. Крім суттєвих переваг мікроорганізмів як продуцентів практично важливих метаболітів, вони можуть бути використані як донори генетичної інформації. Так, продуцентами антибіотиків найчастіше є гриби-аскоміцети, а також актиноміцети; надсинтетиками амінокислот — коріне- і бревібактерії; позаклітинних ферментів — дріжджі. Потенційними об’єктами селекції можуть бути музейні культури мікроорганізмів, відомі промислові штами, а також штами мікроорганізмів, ізольовані з природних субстратів. Фізіолого-біохімічні властивості мікроорганізмів є орієнтиром у роботі селекціонера для початкового відбору об’єктів з найімовірнішим надсинтезом цільового продукту. Слід зазначити перспективи використання у біотехнологічних процесах екстремофільних форм мікроорганізмів, зокрема термофільних і психрофільних. Наприклад, застосування термофільних продуцентів або одержаних на їх основі термостабільних ферментів і відповідних рекомбінантних штамів виключає необхідність стерилізації поживного середовища. Психрофільні штами та їх метаболіти можуть виявитися корисними у вирішенні широкого кола екологічних проблем. Схема селекції мікроорганізмів зображена на рис.2.1.

Вибір об’єкта селекції. Спадкова мінливість

Мутагенез: спонтанний або індукований дією фізичних, хімічних або біологічних чинників; методи одержання мутантів першого типу

Рекомбіногенез: схрещування, злиття клітин, генна інженерія, кон’югація, трансформація, трансдукція.

Стабілізація властивостей штамів, одержаних у результаті селекції

Відбір природний або штучний

Консервація різними способами

Рис.2.1. Схема селекції мікроорганізмів

ВИСНОВКИ

Селекція — наука про методи створення нових та вдосконалення вже існуючих штамів мікроорганізмів. Мікроорганізми характеризуються дуже швидкою зміною поколінь, тому селекціонер-мікробіолог має значно більше можливостей для відбору штамів з необхідними властивостями. Сучасні методи дослідження дозволяють виявити корисні характеристики мікроорганізмів-прокаріот. Переважно ці мікроорганізми використовуються людиною як продуценти цінних хімічних речовин — антибіотиків, вітамінів, органічних кислот. Отже, селекція мікроорганізмів включає в себе етапи та методи, за яких цей процес можна досліджувати глибше та зрозуміліше. Навколо нас дуже багато селекційних процесів серед мікроорганізмів, яким ми навіть не надаємо значення, оскільки думаємо, що в цьому немає нічого особливого, що свідчить про необхідність ознайомлення та вивчення принципів селекції мікроорганізмів.

В результаті проведеного аналізу літературних даних були виконані дослідження загального процесу селекції, з’ясовано значення селекції, як методу створення нових штамів мікроорганізмів, розглянуто генетичні основи селекції мікроорганізмів та їх принципи.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1.Вавилов Н.И. Теоретические основы селекции. — М.: Наука, 1987. — 512 с.

2. Евстигнеева Т.Н., Кудрявцева Т.А. Селекция промышленных штаммов микроорганизмов: Учеб.-метод. пособие.  СПб.: Университет ИТМО, 2017.  59 с.

3.Молоцький М.Я., Васильківський С.П., Князюк В.І. Селекція та насінництво польових культур: Практикум. — К.: Вища шк., 1995. — 238 с.

4.Генетика і селекція в Україні на межі тисячоліть: У 4 т. / Редкол.: В.В. Моргун (голов. ред.) та ін. — К.: Логос, 2001. — Т. 1. — 644 с.; Т. 2. — 636 с.; Т. 3. — 480 с.; Т. 4. — 675 с.

5.Петров Б.Ю. Общая биология. – СПб.: Химия, 1999. – 420с.

6.Пирог Т. П., Ігнатова О. А. Загальна біотехнологія: Підручник. — К.: НУХТ, 2009. —21-22 с.
скачати