Генетические аспекты селекции микроорганизмов

«Генетика микроорганизмов»

селекции микроорганизмов.
Использование результатов молекулярно-генетических исследований в решении проблем геносистематики, экологии

и биотехнологии микроорганизмов (включая задачи медицинской микробиологии).

План лекции:

растений, пород животных, штаммов микроорганизмов. Селекция разрабатывает способы воздействия на

организмы с целью изменения их наследственных качеств в нужном для человека направлении.

Селекция является одной из форм эволюции, которая подчиняется тем же законам, что и эволюция видов в природе, но естественный отбор здесь частично заменен искусственным отбором.

Теоретическая основа селекция - генетика и разрабатываемые ею закономерности наследственности и изменчивости организмов.

Определение

животных. Так на заре человеческой культуры возникла примитивная селекция, история

которой исчисляется тысячелетиями.
С развитием земледелия и животноводства искусственный отбор лучших форм приобрёл массовый сознательный характер – появилась народная селекция.
Развитие капитализма оказало большое влияние на селекционную практику, привело к зарождению промышленной селекции.
Во 2-й половине 19 в. повысился интерес к выведению новых сортов растений. В Европе и Америке были созданы промышленные семенные фирмы, крупные селекционно-семеноводческие предприятия.
Большое влияние на развитие селекции оказали открытия в области ботаники, зоологии, микроскопической техники.
Первые теоретические обоснования методов селекции приведены в трудах датского генетика В.иогансена (1903), шведского селекционера и генетика Г.Нильсона-Эле (1908, 1911, 1912).
Работы по химическому и радиационному мутагенезу (М.Н.Мейсель, 1928, В,В,Сахаров, 1933, И.А.Рапопорт, 1943, Ш.Ауэрбах, 1944), эволюционной генетике (Четвериков, 1926, Райт, Холдейн, 20-30 гг.) имели важное значение для развития селекции.
Создав теоретическую базу, используя новые методы, селекция стала наукой об управлении наследственностью организмов.

История развития селекции

станций, начало развития научной селекции в Росси, чтение лекций по

селекции и семеноводству
В 1909-14 созданы Харьковская, Саратовская, Безенчукская, Одесская опытные станции. В 1911 состоялся 1-й съезд селекционеров и семеноводов России, на котором были подведены итоги селекционно-семеноводческие работы опытных учреждений.
1921г.- принят декрет «О семеноводстве», подписанный В. И. Лениным, заложивший основы единой государственной системы селекционно-семеноводческие работы в СССР.
20-30-е гг.- создана сеть новых научно-исследовательских селекционных учреждений, организовано государственное сортоиспытание, проводится сортовое районирование, развернулись большие генетические и селекционные исследования.
Открытие Н. И. Вавиловым закон гомологических рядов в наследственной изменчивости, обоснованние им теория центров происхождения культурных растений.
Разработка теории отдалённой гибридизации Г. Д. Карпеченко и И. В. Мичуриным.
Создание в 1924 Всесоюзного института прикладной ботаники и новых культур, преобразованного затем во Всесоюзный институт растениеводства

История развития селекции

роль в биосфере и хозяйственной деятельности человека.
Число используемых человеком

видов растет после того, как были установлены многие генетические механизмы регуляции биохимических процессов в клетках микроорганизмов.
Многие из них продуцируют десятки видов органических веществ — аминокислот, белков, антибиотиков, витаминов, липидов, нуклеиновых кислот, ферментов, пигментов, сахаров и т. п., широко используемых в разных областях промышленности и медицины.
Такие отрасли пищевой промышленности, как хлебопечение, производство спирта, молочных продуктов, виноделие и многие другие, основаны на деятельности микроорганизмов.
Роль микроорганизмов в микробиологической, пищевой промышленности, в сельском хозяйстве и других областях трудно переоценить.
Особенно важно отметить то, что многие микроорганизмы для производства ценных продуктов используют отходы промышленного производства, нефтепродукты и тем самым производят их разрушение, предохраняя окружающую среду от загрязнения.
Микроорганизмы используют для биологической очистки сточных вод, улучшений качеств почвы.
В настоящее время разработаны методы получения марганца, меди, хрома при разработке отвалов старых рудников с помощью бактерий, где обычные методы добычи экономически невыгодны.

Использование микроорганизмов

важны для технологии производства; это высокая скорость роста, использование для

жизнедеятельности дешевых субстратов и устойчивость к заражению посторонними микроорганизмами.
Селекция микроорганизмов (в отличие от селекции растений и животных) имеет ряд особенностей:
1) у селекционера имеется неограниченное количество материала для работы: за считанные дни в чашках Петри или пробирках на питательных средах можно вырастить миллиарды клеток;
2) более эффективное использование мутационного процесса, поскольку геном микроорганизмов гаплоидный, что позволяет выявить любые мутации уже в первом поколении;
3) простота генетической организации бактерий: значительно меньшее количество генов, их генетическая регуляция более простая, взаимодействия генов просты или отсутствуют.
Эти особенности накладывают свой отпечаток на выбор методов селекции микроорганизмов, которые во многом существенно отличаются от методов селекции растений и животных. Например, в селекции микроорганизмов обычно учитываются их естественные способности синтезировать какие-либо полезные для человека соединения (аминокислоты, витамины, ферменты и др.). В случае использования методов генной инженерии можно заставить бактерии и другие микроорганизмы продуцировать те соединения, синтез которых в естественных природных условиях им никогда не был присущ (например, гормоны человека и животных, биологически активные соединения).
Природные микроорганизмы, как правило, обладают низкой продуктивностью содержащихся в них веществ, которые интересуют селекционера. Для использования же в микробиологической промышленности нужны высокопродуктивные штаммы, которые создаются различными методами селекции, в том числе отбором среди природных микроорганизмов.

Селекция микроорганизмов

исходных микроорганизмов. В частности, широко используют различные способы рекомбинирования генов:

конъюгацию, трансдукцию, трансформацию и другие генетические процессы. Например, конъюгация (обмен генетическим материалом между бактериями) позволила создать штамм Pseudomonas putida, способный утилизировать углеводороды нефти.
Часто прибегают к трансдукции (перенос гена из одной бактерии в другую посредством бактериофагов), трансформации (перенос ДНК, изолированной из одних клеток, в другие) и амплификации (увеличение числа копий нужного гена).
Так, у многих микроорганизмов гены биосинтеза антибиотиков или их регуляторы находятся в плазмиде, а не в хромосоме. Поэтому увеличение числа этих плазмид путем амплификации позволяет существенно повысить выход антибиотиков.
Важнейшим этапом в селекционной работе является индуцирование мутаций. Экспериментальное получение мутаций открывает почти неограниченные перспективы для создания высокопродуктивных штаммов. Вероятность возникновения мутаций у микроорганизмов (1x10-10— 1 х 10-6) ниже, чем у всех других организмов (1x10-6—1x10-4). Но вероятность выделения мутаций по данному гену у бактерий значительно выше, чем у растений и животных, поскольку получить многомиллионное потомство у микроорганизмов довольно просто и сделать это можно быстро.
Для выявления мутаций служат селективные среды, на которых способны расти мутанты, но погибают родительские клетки дикого типа. Проводится также отбор по окраске и форме колоний, скорости роста мутантов и диких форм и т. д.
Отбор по продуктивности (например, продуцентов антибиотиков) осуществляется по степени антагонизма и угнетения роста чувствительного штамма. Дня этого штамм-продуцент высевается на «газон» чувствительной культуры. По размеру пятна, где отсутствует рост чувствительного штамма вокруг колонии штамма-продуцента, судят о степени его активности (в данном случае антибиотической). Для размножения, естественно, отбираются наиболее продуктивные полонии. В результате селекции производительность продуцентов удается увеличить в сотни и тысячи раз. Например, путем комбинирования мутагенеза и отбора в работе с грибом Penicillium был увеличен выход антибиотика пенициллина примерно в 10 тыс. раз по сравнению с исходным диким штаммом.
Важным подходом в селекционной работе с микроорганизмами является получение рекомбинантов путем слияния протопластов, или гибридизации, разных штаммов бактерий. Слияние протопластов позволяет объединить генетические материалы и таких микроорганизмов, которые в естественных условиях не скрещиваются.

Селекция микроорганизмов

производстве необходимых человеку веществ. Объектами биотехнологии являются бактерии, грибы, клетки

растительных и животных тканей. Их выращивают на питательных средах в специальных биореакторах.
Новейшими методами селекции микроорганизмов, растений и животных являются клеточная, хромосомнаяи генная инженерия.
Генная инженерия основана на выделении нужного гена из генома одного организма и введении его в геном другого организма. "Вырезании" генов проводят с помощью специальных "генетических ножниц", ферментов - рестриктаз, затем ген "вшивают" в вектор - плазмиду, с помощью которого ген вводится в бактерию. "Вшивание" осуществляется с помощью другой группы ферментов - лигаз. Причем вектор должен содержать все необходимое для управления работой этого гена - промотор, терминатор, ген-оператор и ген-регулятор. Кроме того, вектор должен содержать маркерные гены, которые придают клетке-реципиенту новые свойства, позволяющие отличить эту клетку от исходных клеток. Затем вектор вводится в бактерию, и на последнем этапе отбираются те бактерии, в которых введенные гены успешно работают.
Излюбленный объект генных инженеров - кишечная палочка, бактерия, живущая в кишечнике человека. Именно с ее помощью получают гормон роста - соматотропин, гормон инсулин, который раньше получали из поджелудочных желез коров и свиней, белок интерферон, помогающий справиться с вирусной инфекцией.

Селекция микроорганизмов