2. ВВЕДЕНИЕ В БИОТЕХНОЛОГИЮ Раздел 3. Биотехнология в народном хозяйстве Тема

(культура микроспор и пыльников);
- гиногенез (культура семяпочек);
эмбриогенез,
культура протопластов;
получение цибридов;
клеточная

селекция;
ин витро размножение (культура апикальных и прочих меристем, эмбриоидогенез (искусственные семена));
ин витро сохранение;
идентификация и паспортизация генотипов.

был разработан на основе природного процесса.

Почвенная бактерия
Agrobacterium tumefaciens
способна

инфицировать двудольные растения,
вызывая опухоли –
корончатые галлы,
при этом происходит перенос
и встраивание в растительный геном чужеродных генов

Агробактерии –
почвенные бактерии, природные генные инженеры.
Умеют встраивать свои
гены в геном двудольных растений.
Эти гены расположены
в определенной области
Ti-плазмиды агробактерий,
которая переносится
в геном растений.
Ученые «обманывают» бактерию, заменяя часть ее генов на те, которые хотят ввести в растение

в 28 странах мира (в которых проживает более 66% населения)

на площади 184 млн. га.

присутствуют производные около 40 ГМ сортов сельхоз культур.

зарегистрированные Минздравом РФ и разрешенные для применения
в пищевой промышленности

и реализации населению:

СОЯ:
устойчивая к
глифосату (40-3-2)

устойчивая к
глюфосинату аммония
(А 2704-12 и А 5547-127)

РИС:
устойчивый
к глюфосинату аммония

КАРТОФЕЛЬ:
устойчивый к
колорадскому жуку
Рассет Бурбанк Ньюлив

Супериор Ньюлив
Елизавета 2904/1 kgs

Сахарная свекла: устойчивая к глифосату
Линия 77

КУКУРУЗА, линии:
- MON810, устойчивая к кукурузному бурильщику Ostrinia nubilatis («Monsanto Co», США)
- GA21, устойчивая к глифосату («Monsanto Co», США)
- NK-603, устойчивая к глифосату («Monsanto Co», США)
- Т-25, устойчивая к глюфосинату аммония («Bayer Crop Science GmbH», ФРГ)
- MON863, устойчивая к жуку Diabrotica spp. («Monsanto Co», США)

- Bt-11, устойчивая к глюфосинату аммония и кукурузному бурильщику Ostrinia nubilatis
(«Сингента Сидс С.А.», Франция)

об их экологической безопасности,
2) отсутствие общегосударственной научной стратегии, регламентирующей

создание, оборот и безопасное производство ГМР (своеобразных «правил движения»).

линия A 2704-12, А 5547-127

(принадлежат к фосфатидам)

строительства, ландшафтной экологии, декоративного цветоводства и как перспективный, возобновляемый источник

биотоплива.

являются: - возможность переноса всего одного гена, что практически не затрагивает

исходный генотип; - возможность придания растениям признаков, которые нельзя перенести путем скрещивания с близкородственными видами; - значительное ускорение процесса получения новых генотипов

1.1. Создание сортов с/х культур, устойчивых к вредителям

(насекомым, грибам, бактериям, вирусам, нематодам);
1.2. Создание сортов с/х культур, устойчивых к абиотическим факторам (засуха, засоленность, оксидативный стресс);
1.3. Создание сортов с/х культур, устойчивых к гербицидам

2. Создание сортов сельскохозяйственных культур с улучшенной пищевой ценностью
2.1. Создание сортов с/х культур, продуцирующих биологически активные вещества и лекарственные препараты (вакцины, витамины и др.)

в сельском хозяйстве – способствовать повышению урожайности сельхозкультур и устойчивости

к болезням и вредителям. Проблему ГМО необходимо рассматривать в контексте сопутствующих рисков и выгод. Не надо бояться говорить общественности о выгодах ГМО для массового питания, о значительном сокращении использования пестицидов, а также дизельного топлива»

Январь 2013 г.


«Пищевые продукты, содержащие ГМО и продаваемые на мировом рынке, вредного воздействия на здоровье людей не оказали…»
(из заключения Всемирной Организации Здравоохранения-ВОЗ)

CD-1 изучена хроническая токсичность альтернативного материала, содержащего фитомассу кукурузы и

инсектицидный белок Cry1Ab, наработанный штаммом ВКПМ В-1226 (Bac. thuringiensis subsp. kurstaki H3a3b).
В течение 30 дней мышам опытных групп скармливали ad libitum традиционный корм + альтернативный материал (Cry1Ab 10 мг/кг), в восстановительном периоде -14 дней – только традиционный корм. Животные контрольных групп в течение всего эксперимента получали ad libitum только традиционный корм.

30-дневного курса скармливания и 14- дневного восстановительного периода)
общее состояние

животных,
гематологический анализ периферической крови,
биохимический анализ сыворотки крови,
патоморфологические изменения
Вывод: достоверных изменений у подопытных животных, вызванных действием Cry1Ab-белка, не выявлено.

незрелых зародышей.









ГАПЛОИД – ядро, клетка, организм, характеризующиеся одинарным набором хромосом,

представляющим половину полного набора, свойственного виду.

можно выделить индивидуальные линии со своими характеристиками, включая интенсивность роста

и биосинтеза вторичных метаболитов, причем клоны могут различаться по этим признакам в десятки раз.
В результате использования спонтанного и индуцированного мутагенеза и селективных систем был выделен ряд перспективных клеточных клонов и штаммов-продуцентов БАВ, причем стабильность их сохраняется на протяжении многих лет.
Факторами, влияющими на рост клеток и их продуктивность по вторичным метаболитам, являются компоненты среды выращивания, прежде всего качественный и количественный состав фитогормонов, углеводов, ряда минеральных солей, рН среды, температура выращивания, степень аэрации, способ и интенсивность перемешивания, условия освещения. По значению для продуктивности культур факторы можно выстроить в следующий ряд: минеральный состав среды, количество и соотношение фитогормонов, соотношение нитратного и аммонийного азота, качественный и количественный состав углеводов, степень аэрации культуры.

промежуточными соединениями метаболизма клетки, образуются в его тупиковых ветвях. К

вторичным метаболитам растений можно отнести, например, алкалоиды.
Микроорганизмы образуют вторичные метаболиты, как правило, в период замедления или прекращения активного роста и размножения культур. В качестве вторичных метаболитов микроорганизмы образуют некоторые пигменты, антибиотики, витамины.

низкая молекулярная масса;
небольшой набор исходных соединений для их синтеза.

метаболитов - алкалоиды, изопреноиды (терпеноиды) и фенольные соединения. Каждая из

этих групп состоит из несколько тысяч соединений и подразделяется на многочисленные подгруппы. Известно также около десятка менее многочисленных групп вторичных метаболитов: растительные амины, небелковые аминокислоты, цианогенные гликозиды, глюкозинолаты, полиацетилены, беталаины, алкиламиды, тиофены и др. Количество соединений, входящих в эти группы, колеблется от единиц до нескольких сотен.

виде», они, как правило, входят в состав сложных смесей. Такие

смеси в зависимости от их состава и нахождения в растении часто носят собственные, исторически сложившиеся названия.
Эфирные масла, как правило, представляют из себя смесь легко испаряющихся изопреноидов (моно- и сесквитерпенов).
Смолы представлены главным образом дитерпенами.
Камеди состоят преимущественно из полисахаридов, но в их состав часто входят алкалоиды, фенольные соединения.
Слизи - это смесь водорастворимых олиго- и полисахаридов, Сахаров, а также небольших количеств фенольных соединений, алкалоидов или изопреноидов

растений разных видов. Известно
8 000 фенолов.
Представители: антоцианы, таннины, фитоалексины,

лигнин, кофейная, коричная кислоты, кумарин.
Фенолы находятся в вакуолях, пластидах, в лепестках цветков, в плодах, в клеточных стенках.
Функции фенолов:
- участвуют в транспорте электронов при фотосинтезе и дыхании (пластохинон, убихинон),
- влияют на окраску растений (антоцианы в листьях, корнеплодах, цветках); привлекают насекомых и птиц, опыляющих цветки или переносящих семена;
- влияют на дифференцировку клеток,
- на образование в клетках гормонов (этилена, подавляют синтез ИУК);
- тормозят ризогенез и растяжение клеток;
- являются фитотоксинами (оказывают антимикробное действие);
- с их помощью одно растение может действовать на другое,
- дубильные вещества повышают устойчивость деревьев к грибным поражениям.
Используются в медицине для стерилизации, лекарства (салициловая кислота), в промышленности как красители.

Известно около 10 000 алкалоидов.

Они найдены у 20% растений, наиболее распространены среди цветковых растений.
Представители: никотин, анабазин, эфедрин, морфин.
Они накапливаются в активно растущих тканях, в клетках эпидермы и гиподермы, в обкладках проводящих пучков, в млечниках. Могут накапливаться не в тех клетках, где образуются. Алкалоиды находятся в листьях, коре, корнях, древесине. Разные растения могут содержать различные алкалоиды.
Функции алкалоидов: регулируют рост растений (ИУК, кофейная и коричная кислоты), защищают растения от поедания животными. Используются алкалоиды в качестве лекарств, для борьбы с насекомыми.

изопрен) и имеющие общую формулу (С5Н8)n. Благодаря дополнительным группам (радикалам)

изопреноиды могут иметь число атомов углерода в молекуле некратное 5. К терпенам относятся не только углеводороды, но и соединения со спиртовыми, альдегидными, кето-, лактон- и кислотными группами. Политерпены – каучук, гутта.
Представители: гибберелловая, абсцизовая кислоты, цитокинины, каротиноиды.
Находятся в хлоропластах, в мембранах; входят в состав масла хвои, шишек, цветков, плодов, древесины; смол, латекса, эфирных масел.
Функции:
- защищают растения от бактерий, насекомых, животных;
- являются гормонами (цитокинины, гиббереллины, абсцизовая кислота, брассиностероиды);
- каротиноиды участвуют в световой фазе фотосинтеза, защищают хлорофилл от фотоокисления;
- стеролы входят в состав мембран, влияют на их проницаемость.
Используют в медицине как лекарства (камфора, ментол,
сердечные гликозиды витамин А), в парфюмерии.

количество первичных метаболитов;
2) многие вторичные метаболиты синтезируются разными путями;

3) в синтезе участвуют специальные ферменты.
Синтезируются в цитозоле (цитозо́ль — жидкое содержимое клетки. Большую часть цитозоля занимает внутриклеточная жидкость. Цитозоль разбивается на составляющие при помощи разнообразных мембран), эндоплазматическом ретикулуме, хлоропластах

глюкозинолаты), в периплазматическом пространстве (фенолы). Изопреноиды после синтеза выходят из

клетки.
Вторичные метаболиты редко распространены в тканях равномерно. Часто они накапливаются в идиобластах (идиобла́сты — отдельные растительные клетки, резко отличающиеся от окружающих клеток по форме и величине. Идиобласты могут встречаться в любой ткани или системе тканей), млечниках, специальных каналах и ходах.
Места синтеза и локализации часто разделены.
Вторичные метаболиты выделяются во внешнюю среду с помощью выделительных тканей (железистых клеток, железистых волосков – трихом).
Для алкалоидов выделение нехарактерно.
Синтез и накопление в тканях вторичных метаболитов зависит главным образом от вида растения, иногда от этапа онтогенеза или возраста, от внешних условий. Распределение в тканях зависит от вида растения.

железистые волоски (трихомы), в которых синтезируются моно- и сесквитерпены. B Световая микрофотография железистого волоска мяты, показанного

в продольном сечении. C – субкутикулярное пространство; S, секреторные клетки; St - ножка; B, базальная клетка; E, эпидермальная клетка. C. Световая микрофотография секреторной полости в листе лимона, показанной в поперечном сечении. L, люмен; Sh, клетки футляра; P, клетки паренхимы. D. Световая микрофотография смоляного хода в древесине сосны Джеффра, показанной в поперечном сечении X, вторичная ксилема.

от биопатогенов, животных,
- регулируют рост, движения.
обеспечивают окраску цветков и плодов,
способствуют

размножению растений и распространению семян,
- сдерживают прорастание семян конкурирующих видов.

современных лекарств используется растительное сырье. Растения являются продуцентами многих БАВ

– соединений, способных оказывать влияние на биологические процессы в организме. К таким соединениям принадлежат сердечные гликозиды, сапонины, стерины, каратиноиды, полифенолы, алкалоиды, витамины, хиноны, а также вещества, обладающие специфическим ароматом, вкусом и окраской.
Биологически активные вещества принадлежат к продуктам вторичного обмена, которые называют вторичными метаболитами или вторичными продуктами биосинтеза. В настоящее время известно более 100 000 вторичных метаболитов, продуцируемых растениями. Многие из них являются практически, экономически важными продуктами и используются в фармакологической, косметической, пищевой промышленности.

ресурсов;
высокая скорость получения биомассы (женьшень корень – 1 г в

год, культура клеток – 2 г/л/сут);
управляемость процесса;
независимость от сезона;
экологическая чистота;
для штаммов-суперпродуцентов более высокое содержание продукта

наличия и количества продукта;
оценка рентабельности;
получение активно растущих и синтезирующих клонов;
оптимизация

условий выращивания;
выбор метода выделения продукта;
применение элиситоров — веществ с низким молекулярным весом, выделяющихся из клеточных стенок патогенных организмов (напр., грибов) или из разрушающихся стенок растительных клеток. Способны индуцировать активность генов, кодирующих ферменты фенилпропаноидного пути. Действие этих ферментов ведет к аккумуляции т. н. фитоалексинов и фенольных соединений с фунгицидными свойствами;
Иммобилизация ();
масштабирование.

атаку патогенов – стало ключевым моментом в повышении продуктивности культур

клеток. Установлено, что некоторые экзометаболиты грибов, фрагменты их клеточных стенок, ряд микробных токсинов, различные тяжелые металлы, а также УФ облучение и ультразвук способны увеличивать синтез и накопление вторичных метаболитов в растениях. В качестве мощных элиситоров могут выступать жасмоновая кислота и ее производные. К настоящему моменту известно множество примеров интенсификации синтеза вторичных метаболитов в культурах клеток растений под действием жасмонатов. В последнее время в качестве еще одного мощного элиситора рассматривается фитотоксин коронатин.

синтеза используют специальные металлические и стеклянные ферментаторы (биореакторы) различной конструкции

(с мешалкой или барботажного типа). Режим ферментации периодический (накопительный) или непрерывный, главным образом хемостатный. Биосинтез продуктов вторичного синтеза проводят в ферментерах объемом от 0,1 до 63 м3 и более. Аэрацию культуральной биомассы осуществляют стерильным воздухом через барботер. Воздух стерилизуют, как правило, путем фильтрации на двух-трех последовательно установленных фильтратах. В ходе культивирования клеток растений регулируют температуру (25-37°С), рН и окислительно-восстановительные потенциал.

органелл в инертном субстрате. Например, клетки Catharanthus roseus, Digitalis lanata

в альгинатных, агарозных шариках, в желатине и т.д. Метод предполагает обволакивание клеток одной из различных цементирующих сред – альгинат, агар, коллаген, полиакриламид.
Адсорбция клеток на инертном субстрате. Клетки прилипают к заряженным шарикам из альгината, полистирола, полиакриламида. Метод применялся в экспериментах с животными клетками, а также клетками Saccharomyces uvarum, S. cerevisiae, Candida tropicalis, E. coli.
Адсорбция клеток на инертном субстрате с помощью биологических макромолекул (таких, как лектин). Применяется редко, есть сведения об экспериментах с различными линиями клеток человека, эритроцитами крови барана, адсорбированными на покрытой белком агарозе.
Ковалентное связывание с другим инертным носителем типа КМЦ. Очень редко применяется, известная удачная иммобилизация для Micrococcus luteus. В основном проводились эксперименты по иммобилизации клеток животных и микроорганизмов.

субстрате, образуют биомассу гораздо медленнее, чем растущие в жидких суспензионных

культурах.
Кроме медленного роста иммобилизация клеток позволяет им расти в тесном физическом контакте друг другом, что благоприятно отражается и на химических контактах.