Генетическая инженерия растений
проект по биологии (9 класс)

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 56»

(МБОУ «СОШ №56»)

Проект на тему:

«Генетическая инженерия растений».

Автор работы:

Учащаяся 9 класса А

Зверева М.Н.

Руководитель:

Учитель биологии

Добрынина Е.В.

2024 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Основная часть

1. Что такое генетическая инженерия растений
2. Направления генетической инженерии

Заключение

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы проекта. Биотехнология как наука базируется на использовании биологических процессов в сельском хозяйстве и промышленном производстве. В свете современных представлений биотехнология растений – это соединение методов культуры клеток и тканей растений с методами молекулярной биологии и техники рекомбинантных ДНК.

Клеточная инженерия – это создание клеток нового типа на основе ихгибридизации, реконструкции и культивирования. Основной задачей клеточной инженерии является конструирование новых форм растений с желаемыми признаками. Клеточная инженерия используется для решения теоретических проблем в биотехнологии и является одним из её основных методов для создания новых форм растений.

Метод основан на реконструкции жизнеспособной клетки из отдельных фрагментов с разным генотипом, либо существенном преобразовании исходного генотипа. Перспективен метод получения дальне родственных гибридов на основе парасексуальной гибридизации путем слияния протопластов. Реконструкция клетки является бурно развивающимся направлением клеточной инженерии. Речь идет о сборке совершенно новой клетки за счет объединения (слияния) изолированных клеточных фрагментов друг с другом или с целыми клетками. В результате такой реконструкции можно создать клетку, ранее в природе не существовавшую.

Получение искусственных ассоциаций межклеточного и внутриклеточного типа на основе культивируемых клеток или изолированных протопластов с микроорганизмами является одним из новых способов модификации растительной клетки.

Цель проекта является - определить возможные перспективы развития биотехнологии и генной инженерии растений.

Для достижения данной цели необходимо установление следующих задач: а именно познакомиться с основными направлениями биотехнологии и генной инженерии растений.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Что такое генетическая инженерия растений

Генная инженерия растений сегодня - самое бурно развивающееся направление не только биотехнологии, но, пожалуй, и всего научно-технологического комплекса. Но ее применение вызывает ожесточенные споры: сторонники, прежде всего создатели новых форм растений говорят о второй «зеленой революции», которая решит все наболевшие проблемы сельского хозяйства, а противники, преимущественно радикальные «зеленые» организации усматривают в ГМО не только гипотетические риски в будущем, но и угрозу, якобы уже сегодня нависшую над человеком и природой.

Это открытие оказалось очень важным для генной инженерии растений. Собственно, ее история и началась с момента, когда ученые научились заменять гены растения и гены бактерии в Т-ДНК генами, которые необходимо ввести в растение. Обманутая бактерия, внедряя свою ДНК в хромосому растения, в свою очередь, обманывает его геном, вынуждая исправно синтезировать необходимые человеку продукты.

Противники использования достижений генной инженерии обычно ссылаются на то, что все испытания пока были краткосрочными (самой генной инженерии 20 лет от роду), а влияние ГМ-продуктов может проявиться через длительное время - в следующих поколениях. Но при этом они упорно не хотят признавать, что накапливающиеся в окружающей среде ядохимикаты и удобрения, столь жадно потребляемые традиционным сельским хозяйством, также вполне могут сказаться на потомках. И чем же в этом случае генная инженерия растений опаснее существующих методик их химической защиты, без которых ни на одном крупном поле сегодня не получить приличного урожая и против которых зеленые не так уж возражают. Следующий довод - неизвестно, как новые растения повлияют на существующие пищевые цепи и экологический баланс в мире нельзя, исключить, что насекомые, обитающие на ГМ- растениях, подвергнутся мутации и последствия этого могут быть непредсказуемыми. И снова почему-то упускается из виду, что подобные мутации ежесекундно происходят в натуральной природе, которая вся сплошь состоит из генетически измененных организмов, ибо эволюция и происходила благодаря мутациям.

Ведущая роль в применении генно-инженерных растений принадлежит США. В основе генной инженерии растений лежат методы культивирования клеток и тканей растений in vitro и возможность регенерации целого растения из отдельных клеток.

Растения имеют одно очень важное преимущество перед животными, а именно возможна их регенерация in vitro из недифференцированных соматических тканей с получением нормальных, фертильных, способных завязывать семена растений. Это свойство открывает для молекулярных биологов большие возможности в изучении функционирования генов, введенных в растения, а также используется в селекции растений. Для конструирования растений необходимо решить следующие задачи: выделить конкретный ген, разработать методы, обеспечивающие включение его в наследственный аппарат растительной клетки, регенерировать из единичных клеток нормальное растение с измененным генотипом. Таким образом, методология генетической инженерии в отношении растений направлена на коренное изменение методов традиционной селекции, с тем чтобы желаемые признаки растений можно было получать путем прямого введения в них соответствующих генов вместо длительной работы по скрещиваниям.

Формальной датой рождения генетической инженерии растений является полученное с помощью Ti-плазмидного вектора первое в мире химерное растение санбин (sunbeen) как результат переноса гена запасного белка бобовых в геном подсолнечника (sunflower + been). Это было первым ощутимым, хотя, быть может, и несовершенным свидетельством того, что в отношении растений генетическая инженерия сможет оправдать надежды специалистов в области молекулярной генетики, биологии и селекции.

Самые распространенные ГМ-растения в мире - соя, кукуруза, масличный рапс и хлопок. В некоторых странах для выращивания одобрены трансгенные помидоры, рис, кабачки. Эксперименты проводятся на подсолнечнике, сахарной свекле, табаке, винограде, деревьях и т.д. В тех странах, где пока нет разрешения на выращивание трансгенов, проводятся полевые испытания.

Чаще всего культурные растения наделяют устойчивостью к гербицидам, насекомым или вирусам. Устойчивость к гербицидам позволяет «избранному» растению быть невосприимчивым к смертельным для других дозам химикатов. В результате поле очищается от всех лишних растений, то есть сорняков, а культуры, устойчивые или толерантные к гербицидам, выживают. Чаще всего компания, продающая семена подобных растений, предлагает в наборе и соответствующие гербициды. Устойчивая к насекомым флора становится поистине бесстрашной: например, непобедимый колорадский жук, съедая листик картофеля, погибает. Почти все такие растения содержат встроенный ген природного токсина - земляной бактерии Bacillus thuringiensis. Устойчивость к вирусу растение приобретает благодаря встроенному гену, взятому из этого же самого вируса.

Основная масса трансгенов культивируется в США, в Канаде, Аргентине, Китае, меньше - в других странах. Европа же очень озабочена.

Под натиском общественности и организаций потребителей, которые хотят знать, что они едят, в некоторых странах введен мораторий на ввоз таких продуктов (Австрия, Франция, Греция, Великобритания, Люксембург). В других принято жесткое требование маркировать генетически измененное продовольствие.

#1053;аправления и методы генетической инженерии растений

Трансформация растений — это процесс введения чужеродных генов или генетического материала в геном растения, в результате чего получается генетически модифицированный организм (ГМО).

Это мощный инструмент, который произвел революцию в области биотехнологии растений, позволив ученым вывести культуры, устойчивые к вредителям и болезням, обладающие более высокой урожайностью и способные расти в неблагоприятных условиях окружающей среды. Ниже обсуждаются различные широко используемые методы трансформации растений.

Агробактерионно-опосредованная трансформация является наиболее широко используемым методом трансформации растений. Он включает в себя использование почвенной бактерии под названием Agrobacterium tumefaciens, которая обладает способностью переносить сегмент своей ДНК, называемый Т-ДНК, в геном растения.

Т-ДНК обычно окружена двумя пограничными последовательностями, которые распознаются белками бактерии VirD2 и VirE2, что позволяет ей переноситься в растительную клетку.

Первым шагом в агробактериальной трансформации является подготовка растительной ткани к трансформации. Это можно сделать либо с помощью эмбриогенной ткани, такой как незрелые эмбрионы, либо с помощью эксплантатов, которые представляют собой небольшие кусочки растительной ткани.

Биолистическая трансформация, также известная как бомбардировка частицами или трансформация с помощью генной пушки, является еще одним методом трансформации растений. Он включает в себя использование устройства, похожего на пистолет, которое выстреливает крошечными частицами, покрытыми ДНК, в ткани растения, позволяя включить чужеродные гены в геном растения.

Первым шагом в биолистической трансформации является подготовка частиц, покрытых ДНК. Обычно это делается путем покрытия крошечных частиц золота или вольфрама интересующим геном, который затем загружается в генную пушку. Затем растительная ткань подвергается воздействию генной пушки, которая запускает частицы в ткань, позволяя чужеродной ДНК быть включенной в геном растения.

Биолистическая трансформация имеет ряд преимуществ по сравнению с агробактериальной трансформацией. Одним из главных преимуществ является то, что его можно использовать как на двудольных, так и на однодольных растениях, что делает его более универсальным методом трансформации растений.

Однако биологическая трансформация также имеет некоторые ограничения. Одним из основных ограничений является то, что это может привести к случайной интеграции чужеродной ДНК в геном растения, что может привести к непредсказуемым последствиям для фенотипа растения.

Электропорация – это метод трансформации растений, который предполагает использование электрических полей для введения чужеродной ДНК в растительную клетку. Электрические поля создают временные поры в клеточной мембране, позволяя чужеродной ДНК проникать в клетку и интегрироваться в геном растения.

Первым этапом электропорации является подготовка растительной ткани к трансформации. Обычно это делается с помощью эмбриогенной ткани или протопластов, которые представляют собой растительные клетки, у которых были удалены клеточные стенки. Затем протопласты суспендируют в растворе, содержащем чужеродную ДНК, и подвергают воздействию электрического поля, которое заставляет ДНК проникать в клетку.

Электропорация имеет ряд преимуществ перед другими методами трансформации растений. Одним из главных преимуществ является то, что его можно использовать на широком спектре видов растений, включая как двудольные, так и однодольные растения.

Однако электропорация также имеет некоторые ограничения. Одним из основных ограничений является то, что он может вызвать повреждение тканей растения, что может повлиять на жизнеспособность трансформированных клеток.

Микроинъекция – это метод трансформации растений, который предполагает использование тонкой иглы для введения чужеродной ДНК непосредственно в растительную клетку.

Первым этапом микроинъекции является подготовка растительной ткани к трансформации. Обычно это делается с помощью эмбриогенной ткани или протопластов, которые представляют собой растительные клетки, у которых были удалены клеточные стенки. Затем протопласты суспендируются в растворе, содержащем чужеродную ДНК, и вводятся иглой, которая позволяет ДНК проникнуть в клетку.

Микроинъекция имеет ряд преимуществ перед другими методами трансформации растений. Одним из основных преимуществ является то, что он позволяет точно контролировать процесс впрыска, что может привести к высокой эффективности трансформации.

Однако микроинъекции также имеют некоторые ограничения. Одним из основных ограничений является то, что это может быть трудоемким и трудоемким процессом, так как каждая клетка должна вводиться индивидуально. Кроме того, микроинъекция может вызвать повреждение растительной ткани, что может повлиять на жизнеспособность трансформированных клеток.

Трансформация растений имеет множество применений в области биотехнологии растений.

• Одним из основных применений является выведение культур, устойчивых к вредителям и болезням. Обычно это достигается путем введения генов, кодирующих белки, токсичные для вредителей или придающие растению устойчивость к определенным заболеваниям.
• Еще одним применением трансформации растений является разработка культур, которые имеют более высокую урожайность или способны расти в неблагоприятных условиях окружающей среды. Обычно это достигается путем введения генов, которые контролируют рост и развитие растения или позволяют растению противостоять абиотическим стрессовым факторам, таким как засуха, жара или холод.
• Трансформация растений также используется в производстве фармацевтических препаратов на растительной основе, таких как вакцины или антитела. Обычно это достигается путем введения генов, кодирующих желаемый белок, который затем может быть извлечен из растительной ткани и очищен для использования в медицине человека или животных.

Трансгенная система хролопластов.

Кроме клонирования и использования генов, непосредственно участвующих в процессах фотосинтеза, были идентифицированы гены, контролирующие количество хлоропластов в клетке. Использование таких генов также приводит к изменению уровня фотосинтеза.

Другой подход основан на увеличении содержания хлорофилла в каждом хлоропласте. Были получены модифицированные белки, специфически связывающие хлорофилл а/Ъ, и было показано, что повышенная экспрессия таких белков в трансгенных растениях к значительному увеличению биомассы.

Получение трансгенных растений, содержащих генетически измененные хлоропласты, является одним из быстро развивающихся направлений современной генной инженерии растений. Интерес к этой области исследований определяется большей безопасностью таких трансгенных растений в отношении загрязнения окружающей среды.

Поскольку хлоропласты не переносятся с пыльцой, значительно уменьшается опасность распространения трансгенов среди перекрестно опыляемых растений близких видов. Кроме того, сама пыльца трансгенных растений менее токсична для насекомых, которые не являются мишенью ее токсического воздействия. Для генома хлоропластов пластома характерен высокий уровень полиплоидии (10 -105 копий на клетку), поэтому отдельная клетка с трансформированными хлоропластами содержит тысячи копий трансгена, что позволяет получать очень высокий уровень экспрессии соответствующих рекомбинантных белков.

Таким образом, трансгенная система хлоропластов позволяет достичь высокой дозы чужеродного гена, что при правильно сконструированном трансгене обеспечивает очень эффективную продукцию целевого белка. Более того, способность пластид осуществлять экспрессию оперонов позволяет создавать искусственные опероны и в перспективе — вводить новые метаболические пути в растения, улучшая их потребительские свойства.

Важной особенностью пластид является то, что они передаются по материнской линии и обычно не содержатся в пыльце. Поэтому транспластомные растения по сравнению с обычными трансгенными растениями более безопасны для окружающей среды, так как в них предотвращается неконтролируемое распространение трансгена в другие растения.

Преимущества и недостатки генной инженерии.

С помощью генной инженерии можно увеличить в генетически измененной продукции содержание полезных веществ и витаминов по сравнению с «чистыми» сортами. Например, можно «вставить» витамин «А» в рис, с тем чтобы выращивать его в регионах, где люди испытывают нехватку ретинола. Можно существенно расширить ареалы посева ранее неустойчивых культур, приспособив их к экстремальным условиям, таким, как засуха и холод. Путем генетической модификации растений можно существенно уменьшить интенсивность обработки полей пестицидами и гербицидами.

В настоящее время генная инженерия технически не совершенна, так как она не в состоянии управлять процессом встраивания нового гена. Выведение генетически модифицированных видов растений и животных представляет определенную опасность, обусловленную непредсказуемостью их развития и поведения в естественной среде.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Как и любое достижение науки, успехи генетической инженерии могут быть использованы не только на благо, но и во вред человеку. Специально проведенные исследования показали, что опасность неконтролируемого распространения гибридных (рекомбинантных) ДНК не так велика, как представлялось ранее. Гибридные ДНК и несущие их бактерии оказались очень неустойчивыми к влияниям окружающей среды, нежизнеспособными в организме человека и животных при случайном проникновении.

Известно, что в природе и без вмешательства человека имеются условия, которые обеспечивают обмен генетической информацией (так называемый поток генов). Однако на пути случайного проникновения в организм чужеродной генетической информации природа создала много эффективных барьеров. При работе с большинством гибридных молекул ДНК вполне достаточно обычных мер предосторожности, которые применяют, например, микробиологи при работе с инфекционным материалом. Для особых случаев разработаны эффективные способы биологической защиты и физической изоляции экспериментальных объектов от человека и окружающей среды.

Следует отметить, что использование генетической инженерии для защиты растений от различных патогенных микроорганизмов в значительной мере сдерживается недостаточностью знаний о механизмах защитных реакций растений. В связи с возможностями генной инженерии конструировать энтомопатогенные растения на основе токсина микробного происхождения еще больший интерес к себе вызывают токсины растительного происхождения.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Атанасов А. Биотехнология в растениеводстве. Новосибирск: ИЦиГСО РАН, 1993. – 241 с.
2. Бекер М. Е., Лиепиньш Г.К., Райпулис Е.П. Биотехнология. М.: Агропромиздат, 1990. - 334 с.
3. Валиханова Г. Ж. Биотехнология растений. Алматы: Конжык, 1996. - 272 с.
4. Пирузян Э. С., Андрианов В. М. Плазмиды агробактерий и генная инженерия растений.М.: Наука, 1990. - 280 с.
5. Зверева С. Д., Романов Г. А. Репортерные гены для генетической инженерии растений: характеристика и методы тестирования // Физиология растений. 2000. Т. 47, № 3. - 479-488 c.
6. Пирузян Э. С. Основы генетической инженерии растений.М.: Наука, 1990. - 304 с.
7. Ли А., Тинланд Б. Интеграция Т-ДНК в геном растений: прототип и реальность // Физиология растений. 2000, том 47, № 3. - 354-359 c.
8. Лутова Л. А., Проворов Н. А., Тиходеев О. Н. и др. Генетика развития растений. СПб.: Наука, 200. - 539 с.
9. Романов Г. А. Генетическая инженерия растений и пути решения проблемы биобезопасности // Физиология растений, 2000. Том 47, № 3. - 343-353 c.