Трансгенные растения и их свойства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Аналитический обзор

1.1 История возникновения трансгенных растений

1.2 Основные проблемы и направления

2. Методы получения

2.1 Агробактерия

2.2 Сегмент Т - ДНК

2.3 Обнаружения трансгенных продуктов

3. Одна из главных перспектив из изученных методов получения

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Актуальность темы. Население земли на начало 2017 года составляло 7,4 миллиарда человек и оперативно увеличивается из дня в день. Многие на планете ощущают постоянную нехватку пищи и воды. Это все связано с вредным воздействием человека на природу, в результате которого истощается плодородие почвы. В XX веке было утеряно не менее 20 % плодоносящих территорий на всей планете. Их площадь и сейчас продолжает уменьшаться в итоге биологической деградации, опустынивания земель, смыва полезной поверхности, изъятия участков под другие нужды. Переход на возделывание технических культур для изготовления метанола ведет к сокращению площади посевных земель, что еще более усугубляет положение с питанием человека. Еда населения характеризуется уменьшением количества биологически ценных продуктов, благодаря исследованиям. В итоге образуется нехватка белков, витаминов и прочих полезных элементов. Исследовательские сообщества прогнозируют увеличение количества человечества на Земле до 9-11 миллиардов к 2050 году, поэтому требуется удвоить или даже утроить объемы земледельческой продукции по всему миру. Это увеличение неосуществимо без введения трансгенных растений, помогающих повысить объем урожаев и снизить цену на продукты, а также содержащих свойства, которых нет у растений, выращенных по традиционной технологии. Получение трансгенных растений является на данный момент одной из перспективных и наиболее развивающихся направлений Агро производства. Существуют проблемы, которые не могут быть решены такими традиционными направлениями как селекция, кроме того, что на подобные разработки требуются годы, а иногда и десятилетия. Для создания трансгенных растений, требуется гораздо меньшего времени, чтобы они обладали нужными свойствами. Это и позволило получать растения с заданными хозяйственно ценными признаками, а также обладающих свойствами, не имеющими аналогов в природе. Примером последнего могут служить полученные методами генной инженерии сорта растений, обладающих повышенной устойчивостью к засухе.

Определяющие все признаки, это и есть, суть технологии любого живого организма есть гены. Сложные цепочки генов формируют свойства. Сама цепочка называется генотипом (геномом). Ранее новые гибридные сорта получались в результате соединения родительских растений, которые менялись генами друг с другом, и получались новые признаки. Этот процесс занимал большое количество времени, а конечный продукт не всегда соответствовал ожиданиям. Благодаря развитию новых технологий стало возможным изменение генотипа растений гораздо быстрее посредством введения необходимых генов. Это направление научной деятельности получило название генной инженерии. Растения с измененными генами называются трансгенными или генномодифицированными. Генные инженеры создают новые генотипы. Поэтому удается быстрее получать новые растения. Также появилась возможность трансформации генотипа с конкретной целью.

Целью курсовой работы является изучение трансгенных растений и их применение в биотехнологии.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Изучить методы получения трансгенных растений и продуктов.

2. Собрать теоретическую информацию, систематизировать полученную информацию для наилучшего и быстрого усвоения ее студентами.

Методы решения поставленных задач:

метод традиционной селекции;

метод агробактерии;

метод сегмента Т- ДНК;

метод обнаружения трансгенных продуктов.

1. Аналитический обзор литературы

1.1 История возникновения трансгенных растений

Что такое трансгенные растения? Это гибрид, в котором изменен набор генов. Чтобы придать растению некоторые полезные свойства, производят изменение: устойчивость к вредителям, морозостойкость, урожайность, калорийность и т.д. И далее генно-трансформированные продукты стали возникать один за другим. И одним из первых кто начал работать с данной наукой - фермеры. Несколько тысяч лет назад они изменяли генетический аппарат у растений. На интуитивном мышлении скрещивали друг с другом, определенные растения с наилучшими свойствами, фермеры заметили, что эти свойства сохраняются дальше в потомстве. Так и зарождалась селекция.

Облучения, слияние соматических клеток и химические мутагены стали применять с 20 века. А скрещивание и отбор стали проводить с учетом законов Менделя. При помощи этих методов изменения стали непредсказуемы и обычно затрагивают большое количество генов.

Чем классические методы селекции, генно-инженерия позволила создавать новые генотипы и, новые формы растений гораздо быстрее. Кроме того, появляется возможность целенаправленного изменения генотипа. Большое внимание привлекло на себя генетически трансформированные организмы для производства сельскохозяйственной продукции. В результате таких экспериментов были получены около двух десятков различных сортов растений для пищевых целей, и такие эксперименты продолжаются и сегодня. Мутации спонтанны и поэтому некоторые эксперименты дают довольно непредсказуемые результаты, ведь, и сложно предугадать, какая получится -- полезная или нет [1].

В 1981 году Шелл и его помощники создали первое трансгенное растение -- новый сорт табака с помощью методик генной инженерии. С тех пор многие лаборатории по всему миру применяют этот метод, и благодаря этому будет побежден голод и загрязнение планеты, большим количеством удобрений, создавая новые трансгенные растения. Тем, что большое количество людей каждый год переживают от недоедания, а другие умирают от голода, этим обусловлен нарастающий интерес к трансгенным растениям. Причины в безводности, болезнях растений и вредителях, неэффективной системе землепользования.

Поэтому, большие надежды возлагаются на генную инженерию, которая, продолжает направление традиционной селекции по улучшению генотипов полезных растений, но достигает тех же целей более эффективным и быстрым путем.

Трансгенные растения это генетически трансформированные растения, которые устойчивы к пестицидам мира. Это еще и великолепный продуцент вакцин и лекарств. Трансгенные растения безотказно поставляют многие терапевтические белки. Белки, синтезированные трансгенными растениями, гораздо безопаснее продуктов животного происхождения, потому что в растительных клетках не развиваются такие патогены человека и животных, как вирусы.

1.2 Основные проблемы и направления

Проблемы большого количества внедрения трансгенных растений ставит много вопросов перед обществом. Многие организмы являются бесплодными. Внедрение чужеродных генов других видов или классов в организмы приводит к определенному генетическому сбою и к закрытию процессов размножения: своеобразный "протест" природы против распространения генетических химер. Кроме этого, стерильные растения могут появляться при трансформации генами, вкюченными в метаболизм растительных гормонов. В результате генной трансформации могут синтезироваться какие-то компоненты, вызывающие аллергические реакции, или появиться опасные соединения, обладающие мутагенным, канцерогенным или токсическим эффектом.

Генетическая инженерия решает эту проблему довольно просто. Достаточно перенести в генетический материал растения нужный ген от устойчивых к гербицидам микроорганизмов. Устойчивые формы составляют подавляющее большинство, т.к. позволяет существенно снизить издержки производства за счет эффективного контроля над сорными растениями. Генетическая конструкция, созданная с помощью технологии рекомбинантных ДНК для переноса гена в растение, содержит также промотор от вируса. Одной из ключевых проблем растениеводства является повышение эффективности контроля численности насекомых-вредителей сельскохозяйственных культур. Среди биопестицидов широко используется Bt-токсин, получаемый из Bacillus thuringiensis.

Важное направление генетической инженерии - селекция сортов, устойчивые к стрессовым факторам среды: засухе, жаре, холоду, повышенному засолению почвы. С помощью генной инженерии повышают урожайность сельскохозяйственных растений. Например, встраивание в геном картофеля гена «фитохромаВ» приводит к повышению интенсивности фотосинтеза и увеличению урожая клубней. Преимущества "биофабрик" очевидны. Можно производить вещества, являвшиеся ранее очень редкими и дорогими, практически в неограниченных количествах. При этом не стоит проблема их тщательной очистки, как в случае с генетически модифицированными микроорганизмами.

Большой спрос представляет использование трансгенных растений в целях получения съедобных вакцин для повышения устойчивости организма человека к опасным заболеваниям. Стенки клеток растений обеспечивают эффективную защиту находящегося в них антигена в ротовой полости и в желудке. "Упакованный" антиген эффективно достигает кишечника, где индуцирует иммунный ответ на уровне слизистых оболочек. Важной особенностью съедобных вакцин является их потенциальная дешевизна, биологическая биобезопасность, простота хранения и применения. Концепция производства вакцин в трансгенных растениях сформулировал Х.Мэйсон с соавторами (1992 г.) [2].

Направления использований трансгенных растений могут быть совершенно неожиданными. Так, предполагается применять их для очистки почвы от загрязнений нефтью и тяжелыми металлами наряду с микроорганизмами. Самое удивительное, что растения табака с подобными свойствами уже получены. Предполагается использование трансгенных растений для дешевого и гуманного регулирования численности популяций некоторых диких животных. Для этого в геном растения встраивают гены, кодирующие антигены половых клеток или половых гормонов [3].

2. Методы получения

Вся работа с трансгенными растениями направлена на изменение методов традиционной селекции - желаемые признаки получаются благодаря введению генов именно в растение вместо длительной работы по скрещиванию различных линий. Сложность этого подхода заключается в том, что в отличие от бактерий и дрожжей, растения, как и животные, являются многоклеточными организмами. Для получения продукта нужный ген должен находиться в каждой клетке организма, что достаточно сложно осуществить. В этом плане растения имеют одно важное преимущество перед животными: возможна их полная регенерация in vitro из недифференцированных соматических тканей с получением нормальных, способных давать семена, растений. Это свойство, называемое тотипотентностью, дает уникальную возможность получить из единичных клеток, генотип которых можно изменить аналогично микроорганизмам, целое растение с новыми признаками. Задача осталась за поиском подходящего вектора для переноса нужного гена в выделенные камбиальные клетки [4].

2.1 Агробактерия

Исследователям помогла сама природа. Еще древним грекам было известно явление, называемое корончатыми галлами. В пораженных растениях клетки корончатых галлов приобретают способность неограниченно размножаться, оставаясь недифференцированными. Такие клетки по своим свойствам очень похожи на раковые клетки животных. Но только в XX веке ученым удалось установить и изучить причину возникновения такого явления. Виновницей оказалась одна из почвенных бактерий -Agrobacterium tumefaciens. Такая бактерия, как и многие другие, содержит плазмиды. Одна из них, названная Ti-плазмида (от английского сокращения «опухоль индуцирующая»), и оказалась опухолеродным агентом для клеток зараженного растения.

Ti-плазмида состоит из нескольких функционально различных участков ДНК. Наиболее важную роль играет участок Т-ДНК, который переносится в клетку зараженного растения и встраивается в ее хромосому. Там находятся гены синтеза фитогормонов и опинов. Фитогормоны ауксин и цитикинин подавляют дифференцировку опухолевых растительных клеток и переводят их в состояние деления, а опины используются бактерией как источник углерода, азота и энергии. Другими участками ДНК в Ti-плазмиде являются tra-область, где локализованы гены, контролирующие коньюгацию бактерий, и ori-область, продукты которой обеспечивают размножение плазмиды в бактериальной клетке. Еще один важный локус ДНК называется vir-область. Там содержатся гены, ответственные за перенос Т-ДНК в растительную клетку и встраивание ее в хромосому.

При заражении какого-нибудь двудольного растения Агробактерией происходят следующие процессы: Агробактерии, в изобилии находящиеся в почве, вступают в контакт со стеблем растения, чаще всего в прикорневой области. Вероятность заражения и опухолевой трансформации значительно возрастает, если у растения имеются ранки или повреждения наружного слоя клеток. Бактерии прорастают в ткани растения, живут и размножаются в межклеточном пространстве, не проникая в клетки. Далее происходит процесс трансформации, который можно разделить на несколько этапов: прикрепление бактерии к стенке растительной клетки, проникновение Т-ДНК внутрь клетки, интеграция Т-ДНК в геном растения и экспрессия плазмидных генов. Переноса Т-ДНК не происходит, если растение-хозяин оказывается больным или нежизнеспособным. Если же хозяин окажется здоровым организмом, перенос Т-ДНК происходит примерно за 30 минут. После встраивания в хромосому Т-ДНК становится частью генома растения, и ее гены активно транскрибируются. Клетка приобретает свойства раковой, и происходит рост опухоли - корончатого галла. Бактерии используют трансформированные клетки как фабрику по производству опинов - источника азота, углерода и энергии [5].

Таким образом, Агробактерии научились генно-инженерным методам задолго до человека. Ti-плазмида оказалась идеальным природным вектором для введения чужеродных генов в клетки растения. Необходимо также отметить следующие достоинства использования методов на основе применения Ti-плазмиды. Во-первых, круг растений - хозяев Агробактерии чрезвычайно широк, включая практически все двудольные растения. В последнее время ученые смогли добиться заражения и многих однодольных, главным образом злаков. Во-вторых, встроенная в геном растения Т-ДНК наследуется как простой доминантный признак по законам Менделя, а чужеродные гены имеют собственные регуляторные области. Для промышленного применения Ti-плазмиду необходимо лишь «немного» усовершенствовать.

В целом векторная система на основе Ti-плазмиды должна содержать следующие участки:

а) комплекс генов vir-области, необходимой для переноса и интеграции рекомбинантной ДНК в хромосому растения;

б) систему для узнавания чужеродных генов полимеразами растения - такой промотор есть в Т-ДНК;

в) маркер, необходимый для селекции трансформированных клеток;

г) уникальные сайты рестрикции, необходимые для введения в конструкцию нужных генов. Также необходимым условием является отсутствие генов, приводящих к образованию опухоли.

2.2 Сегмент Т - ДНК

Чаще всего для создания генно-инженерной конструкции используют следующий подход. Сегмент Т-ДНК вырезают из Ti-плазмиды с помощью рестриктаз и встраивают в стандартную плазмиду-вектор бактерии Escherichia coli. Рекомбинантная плазмида размножается, и в участок Т-ДНК вставляют нужный ген так же, как и в обычную плазмиду, с использованием рестриктаз. Такой молекулярный гибрид вводят в Agrobacterium tumefaciens, содержащий неизмененную Ti-плазмиду. Благодаря процессу рекомбинации происходит обмен гомологичными участками ДНК рекомбинантной и Ti-плазмид. В результате получится рекомбинантная Ti-плазмида, несущая нужный ген. Последним этапом будет заражение единичных растительных клеток такой Агробактерией и выращивание целого растения, все клетки которого будут экспрессировать нужный ген. Иногда оказывается проще использовать сразу две рекомбинантные плазмиды. Одна из них содержит только vir-область и является плазмидой-помощницей. Вторая плазмида должна содержать Т-ДНК со встроенным нужным геном. Плазмида - помощница способна переносить в растительную хромосому не только свою Т-ДНК, которой у нее и нет, но и соседнюю. Для облегчения отбора полученных растений, рекомбинантная Ti-плазмида несет специальный маркерный ген. В отличие от микроорганизмов, где в качестве маркера используется устойчивость к антибиотикам, в растениях используют особые белки, обладающие способностью светиться в ультрафиолетовом свете. Наиболее часто используют гены люциферазы светлячков и ген GFP медузы (по-английски, «зеленый светящийся белок»).

Помимо технологии, основанной на использовании Ti-плазмиды, в последнее время применяются и другие способы переноса рекомбинантной ДНК в растения. Современный арсенал методов трансформации очень обширен и включает такие подходы, как электропорация клеток (пропускание электрического разряда через смесь опытных клеток и рекомбинантных плазмид, при этом в мембранах клеток возникают бреши, и ДНК проникает в клетку и встраивается в геном), встряхивание смеси клеток, ДНК и микроигл (которые прокалывают мембраны аналогично электрическом току),опосредованная вирусами инфекция, микроинъекции ДНК в клетки. Промышленное применение нашла следующая технология: с помощью специального прибора «Shotgan» осуществляется обстрел растительных тканей мельчайшими пульками из золота или вольфрама, одетыми в молекулы ДНК.

В отдельных случаях оказывается необходимо не ввести какой-нибудь ген в растение, а наоборот, заблокировать или ослабить действие природного гена. В качестве примера могут служить плоды томата, которые во время созревания содержат значительное количество специального белка PG, придающего плодам рыхлость. Для устранения этого белка в плоды вводят вектор, содержащий перевернутую копию его гена. В результате транскрипции получается антисмысловая (перевернутая) мРНК, которая комплиментарно связывается с нормальной мРНК. Образуется молекула двухцепочечной РНК, которая уже не может служить матрицей для синтеза белка. В результате получаются томаты с новыми свойствами плодов, которые тверже, дольше хранятся и более устойчивы к грибковым заболеваниям.

Не менее перспективным является направление по генной инженерии не ядерного генома, а генома пластид и митохондрий. В трансгенном материале значительно увеличивается содержание продукта за счет более активных метаболических процессов. Еще множество различных подходов, включая регуляцию активности генов, находятся на стадии разработки.

2.3 Обнаружение трансгенных продуктов

Для выявления ГМ-продуктов был предложен новый метод с испоьзованием CIM-колонок (Convective Interaction Media), основанный на выделении ДНК из тестируемых продуктов с последующей ее идентификацией.

Доступность достаточного количества ДНК нужного качества является существенным фактором в тех случаях, когда для обнаружения генетически измененных организмов используются методы, основанные на полимеразной цепной реакции (PCR). Было проведено исследование по изучению возможности применения анионно-обменных монолитных CIM-колонок (Convective Interaction Media; BIA Separations, Ljubljana, Slovenia) для выделения ДНК из пищевых продуктов. В качестве пищевых препаратов были выбраны кукуруза, ее производные и продукты из них, а также предварительно термически обработанные продукты из зерен кукурузы.

Были испытаны 2 коммерческие дисковые CIM-колонки: ДЭАЭ (диэтиламиноэтил) и QA (четвертичные амины). Предварительные разделения были проведены для стандартного раствора ДНК лосося при разных значениях рН и разных концентрациях NaCl в подвижной фазе. Были выбраны ДЭАЭ - группы и рН=8 для дальнейшего выделения ДНК из сложного исходного экстракта, полученного из изучаемых продуктов. Количество и качество изолированной ДНК было протестировано с использованием электрофореза в агарозном геле, УФ-сканирующей спектрометрии и усиления PCR-методом в режиме реального времени. ДНК, полученная таким путем, была удовлетворительного качества для проведения дальнейшего PCR-анализа.

Описанный метод также применим для выделения ДНК из продуктов, подвергнутых обработке, с меньшим содержанием ДНК. Следует отметить, что этот новый метод более эффективен и требует меньше времени по сравнению с существующими методами по выделению ДНК из продуктов, произведенных из ГМ - растений.

3. Одна из главных перспектив из изученных методов получения

трансгенный растение модификация

Перспективы генной инженерии? К основным задачам генно-инженерии растений относятся их генетическая модификация, экспрессивность чужеродных генов и ее регуляция в клетках трансгенных культур.

Основные выдающиеся достижения физиологии растений создали основу для слияния технологии рекомбинантных ДНК в генно-инженерию растений. Открытие фитогормонов, регулирующий рост и развитие растений. Разработка методов культивирования клеток и тканей растений на средах, содержащих макро- и микроэлементы, сахара, витамины и фитогормоны. Установление феномена тотипотентности соматических растительных клеток, открывающий путь к регенерации из них целых растений. Это и есть основные достижения в физиологии растений [6].

Благодаря разработке методов генетической модификации клеточных органелл, в ближайшее время потенциал генной инженерии значительно возрастет. В данный момент достигнуты значительные успехи в создании и развитии методов трансформации хлоропластов высших растений. Дальнейшие успехи генной инженерии будут зависеть от понимания особенностей трансгенной экспрессии. В настоящее время можно говорить о том, как быстро и самое главное правильно развивается генная инженерия. Показано, что трансгенную экспрессию можно повысить на несколько порядков путем присоединению к чужеродным генам нуклеотидных последовательностей, прочно связанных с ядерным матриксом [7].

Генно инженерия уже стала важной отраслью производства продовольствия и других полезных продуктов, привлекающей значительные людские ресурсы и финансовые потоки. В ближайшие годы ожидается дальнейшее быстрое увеличение площадей, занятых трансгенными формами культурных растений.

Настоящий этап развития генной инженерии растений получил название "метаболическая инженерия". При этом ставится задача не столько улучшить имеющиеся качества растения, как при традиционной селекции, сколько научить растение производить совершенно новые соединения, используемые в медицине, химическом производстве и других областях.

Заключение

Биология поднялась за последние несколько лет множеством новых развитых технологий. Подходит революция генной инженерии и биотехнологии. В промышленной области не раз видят примененные эксперименты генной инженерии. Трансгенными растениями являются множество вакцин, которые помогают людям и растениям, дающие значительный экономический эффект. Чтобы использовать в применении трансгенные растения, необходима длительная и кропотливая работа. Произведённая работа по исследованию последствий использований генетически измененных компонентов, нельзя с утверждением сказать вредят ли такого рода организмы человеку и окружающей среде. Во многих странах поставки трансгенных белков, масел и множества других продуктов год от года только растут. В Казахстане ведутся разработки в области генной инженерии: казахстанскими учеными получены сорта картофеля, устойчивые к вирусным заболеваниям растений, из-за которых происходит львиная доля потерь урожая; также ведутся разработки генно-инженерных вакцин. Казахстану просто необходимо развивать генную инженерию и массово внедрять отечественные ГМ продукты в сельское хозяйство. Намного дешевле будет покупать трасгенные семена и овощи, произведенные казахстанскими производителями, чем закупать за рубежом. После изучения собранной информации, описывающей не только положительные, но и отрицательные стороны, вовлечённые в жизнь растения, я узнал о генетических процессах, происходящих в организме и вред, который они могут нанести человеку и окружающей среде в результате ошибок. Были выполнены поставленные задачи: изучены методы получения трансгенных растений; собрана теоретическая информация, систематизирована полученная информация для наилучшего и быстрого усвоения ее студентами.

Список использованной литературы

1. Трансгеноз и новая молекулярная генетика // Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 1996.

2. Бляхера Л.Я., Ванюшкин Б.Ф. История биологии. - М., 1997.

3. Семенюк Е.Г. Проблема оценки риска трансгенных растений // Агрохимия. 2001. №10.

4. Спирин А.С. Современная биология и биологическая безопасность / Вестник РАН. 1997. №7.

5. Вельков В.В. Оценка риска при интродукции генетически модифицированных микроорганизмов в окружающую среду // Агрохимия. 2000. №8.

6. Патрушев генетические системы. - М.: Наука

7. Романов инженерия растений и пути решения проблемы биобезопасности // Физиология растений, 2000. Том 47

Размещено на Allbest.ru