Биотехнология – динамично развивающаяся сфера, которая постоянно адаптируется под запросы экономики, сельского хозяйства, медицины. Она тесно связана с практической деятельностью человека и применяется для решения прикладных задач. Благодаря биотехнологии, мы получаем биопрепараты, лекарственные средства. Биотехнологические процессы положены в основу очистки сточных вод и переработки отходов. Генная инженерия вызывает интерес, но одновременно возникает много дискуссий о ее этичности и применимости. И, конечно, современное растениеводство и сельское хозяйстве нельзя представить без биотехнологий. На фоне растущего народонаселения, изменения климата, деградации почв – биотехнология и селекция растений приобретают особую актуальность.
Что такое биотехнологии в растениеводстве?
Биотехнология в растениеводстве, как и в целом, – это использование живых организмов или продуктов их жизнедеятельности с определённой целью. Чаще всего, это селекция новых сортов растений с заданными характеристиками, получение биопестицидов для борьбы с сорняками, грызунами, фитопатогенами и вирусами, производство биоудобрений для повышения продуктивности и плодородия почв, генетическая модификация растений, переработка отходов и побочных продуктов растениеводства и многое другое.
Важнейшая задача биотехнологии в современном мире – повышение продуктивности сельскохозяйственных культур и их пищевой ценности. Доказано, что рост урожайности на 30–40 %, а для кукурузы — на 50 %, обусловлен успехами биотехнологий.
Основные направления биотехнологий в растениеводстве
Укрупненно можно выделить следующие основные направления биотехнологии растений:
- Селекция новых сортов растений
- Генетические модификации растений.
- Получение биологически активных веществ растительного происхождения (биопрепаратов).
- Клонирование и микроклональное размножение растений.
Детальнее рассмотрим каждое из них.
Селекция растений
Селекция растений – это группа методов для создания сортов и гибридов растений с заданными свойствами. Биотехнология клеток растений в селекции – направление относительно новое, его применяют с середины прошлого века, но результаты впечатляют. Во всем мире миллионы гектаров заняты новыми сортами и гибридами.
Особенностью биотехнологических методов в селекции являются манипуляции in vitro («в стекле») – исследование в пробирках, в условиях экспериментальной научной лаборатории. Обычно исследования in vitro проводится с эксплантами (группа клеток от материнского организма) разных органов, тканей и клеток семенных растений. Использование других растений также возможно.
Варианты селекции разнообразны. Может проводится обратное скрещивание, инбридинг, селекция мутаций и гибридная селекция. В селекции новых сортов растений применяют методы культуры клеток и тканей. Они основываются на уникальном свойстве растительной клетки – тотипотентности (totipotency), т.е. способности клетки передавать генетическую информацию в полном объеме до развития целого организма. В качестве объекта исследования выбираются каллусные, суспензионные культуры или изолированные протопласты. Каллусные клетки (недифференцированные клетки) образуются в эксплантах, на поврежденных растениях. Суспензионные клетки – одиночные образования или агрегаты разных размеров, которые специально выращивают в питательной среде, изолированные протопласты – функционирующее содержимое клетки без оболочки.
Выделяют:
- прямую клеточную селекцию, при которой выживает только определенный тип клеток;
- непрямую, в которой селективно погибают клетки определенного типа;
- тотальную – все клеточные клоны исследуются индивидуально;
- неселективный отбор, когда клетки выбираются визуально или с использованием биохимических методов.
Достоинствами клеточной биотехнологии растений являются простота клеточных моделей, возможность проследить элементарные процессы в клетке из-за отсутствия воздействия организма, контролируемость. Селекция на уровне клетки ускоряет создание новых форм растений в 2–4 раза, в сравнении с традиционными способами.
Культуру клеток и тканей в селекции также применяют для производства удвоенных гаплоидов (гаплоид – клетка с половинным набором хромосом), из которых можно получить целое гаплоидное растение. Развивающимся направлением является маркерная селекция (MAS). Метод основывается на использовании молекулярных маркеров для проверки признаков растений. Молекулярный маркер – это сегмент ДНК, местоположение которого в геноме известно, он наследуется с конкретными признаками. MAS помогает выбрать растение с нужными свойствами на его начальных этапах развития, не дожидаясь, когда оно вырастет. Объединение гапплоидного и MAS-подходов значительно ускоряет процесс селекции новых сортов растений.
Генетические модификации растений
Генетическая модификация растений относится к группе биотехнических методов и позволяет получать образцы с заданными генами. Например, растения, устойчивые к неблагоприятным погодным условиям, с лучшими вкусовыми качествами, высокой питательной ценностью. Модифицированные растения могут стать своеобразными «биореакторами» для получения химических веществ и лекарственных соединений.
Генетическая модификация является целенаправленным изменением генотипа организма (в отличие от естественного, случайного изменения). Более распространено получение трансгенных растений, когда трансген вводится в ядерный геном в ядре клетки. Существуют также транспластомные растения, у них трансген вводится в хлоропластный геном.
Упрощенно процедуру генетической модификации растений можно описать так:
- выделение необходимого гена;
- перенос гена в геном реципиента;
- экспрессия (проявление) гена;
- получение нового модифицированного растения.
Важно отметить, что генетическая модификация растений – это введение не просто одного структурного гена, а целого пакета (кассеты) ДНК или генетической конструкции.
Для эффективного отбора, скрининга и идентификации трансгенных растений разработана система маркерных (известных) генов, которые переносятся в клетки растений вместе с «целевыми» генами.
Коренное отличие генетической инженерии от селекции — в том, что нужные признаки вводятся прямо в клетку, и не требуют длительных исследований по скрещиванию.
Несмотря на преимущества генетической модификации растений, в большинстве стран мира выращивать генетически измененные растения можно только в лаборатории.
Биопрепараты и биопестициды
Биопрепараты – это широкая группа веществ биологического происхождения (микроорганизмы, белки и др.), которые целенаправленно применяют для воздействия на живые организмы и органические соединения. В геотехнологии, например, их используют для удаления метана в шахтах, выщелачивания металлов, удаления серы из углей и др.; в охране окружающей среды – для разложения токсичных веществ и отходов; в медицине – для производства сывороток, вакцин, биостимуляторов, витаминов и пр. По происхождению биопрепараты классифицируются на микробиологические – на основе живых микроорганизмов, и биохимические, полученные при синтезе.
Биопрепараты, или биопестициды, активно используют в сельском хозяйстве против насекомых-вредителей, растительноядных клещей, фитопатогенных нематод, грибов и бактерий, сорняков и грызунов. У каждого из биопестицидов есть название в зависимости от объекта, на который направлено их действие, с приставкой био-, например, биоинсектициды, биофунгициды, биогербициды и др.
Действующим веществом в биопестицидах могут выступать живые микроорганизмы, способные подавлять патогенную микрофлору, или же органические экстракты, обладающие инсектицидным эффектом. Биопестициды считаются более безопасными, чем пестициды химического происхождения. Они характеризуются избирательным действием, не накапливаются в растениях, не вызывают привыкания у насекомых, способны к биоразложению.
Отдельно можно выделить биоудобрения и регуляторы роста растений. Действующее вещество в них – живые микроорганизмы, способные переводить питательные вещества из минерализованных форм в доступные для растений и улучшать работу корневой системы. Наиболее распространены биоудобрения с азотфиксирующими бактериями.
Клонирование и микроклональное размножение
Клонирование растения– это процесс создания его уменьшенной копий, опять же, на основании свойства тотипотентности. Для клонирования подходят клетки любых органов и тканей растения (зародыш, лист, стебли, чешуйки, корни и др.). При правильном выборе питательной среды (влажная почва, почвенная смесь, кокосовое волокно или минеральная вата) и условий миниатюрные копии взрослого растения (микроклоны) можно получить из маленькой части исходного растения. Чаще для клонирования используют части стебля или корня.
Клонирование гарантирует, что растения-потомки будут иметь те же черты, что и исходное растение. Клонирование растительного материала сокращает процесс селекции примерно в три раза (до 3–4 лет).
Широко распространена технология микроклонального размножения, которая включает несколько этапов:
- получение асептической (без патогенов) культуры, для чего исходное растение делят на экспланты и стерилизуют;
высаживание на индивидуально подобранную стерильную питательную среду и выращивание в ней при определенной температуре и освещенности; - размножение, через 2–6 месяцев готовый побег черенкуют и опять высаживают на новый субстрат, причем процесс может повторяться многократно, в зависимости от необходимого количества клонов;
- адаптация растений в теплице или грунте.
Последний этап бывает наиболее сложным и трудоемким, поэтому растения предварительно закаливают, могут обрабатывать различными веществами для повышения устойчивости к патогенам.
В микроклональном размножении важно сохранить генетическую стабильность растения на всех этапах. Технология помогает эффективно распространять новые сорта картофеля, плодовых, ягодных, декоративных и лесных растений. Она применяется в селекции при необходимости быстрого воспроизведения ценного материала, помогает сохранить редкие и исчезающие виды.
Достижения биотехнологии стали одним из важнейших векторов развития современного растениеводства. Они направлены на улучшение качества продукции, оптимизацию сельского хозяйства, сохранение качества окружающей среды и генофонда растений. Множество новых сортов плодовых и сельскохозяйственных культур появились, благодаря интенсивному развитию методов селекции, клонирования и микроклонального размножения. Применение биопрепаратов и биопестицидов улучшило качество жизни людей, повысило урожайность и безопасность сельскохозяйственной продукции. Методы генной инженерии пока не нашли широкого распространения, но, возможно, это впереди.
Больше информации о биотехнологиях можно найти здесь.
