6. Дәрістік кешен (лекция тезисі)

Тақырып 1. Кіріспе. Өсімдік биотехнологиясының мақсаты

Биотехнология – бұл биологиялық процесстер мен агенттердің негізінде жоғарғыффективті микроорганизмдердің формаларын, жасушалар культурасын және өсімдіктер мен жануарлар ұлпасын берілген қасиеттері негізінде алуға өндірістік қолдану.

Өсімдіктер биотехнологиясы өзі жеке ғылым ретінде қарастырылады, бірақ өзінің теориялық және әдістемелік принциптары жағынан жалпы биотехнологияның бір бөлімі болып есептелінеді. Өсімдіктер биотехнологиясының құндылығы әлемдік тіршілік патшалығының негізгі иелері өсімдіктердің биологиялық ерекшеліктеріне қарай анықталады.

Өсімдік жасушасының тотипотенттілік қасиетінің ашылуы. Хаберланд, Рехингер, Коккинг, Уайт, Скуг, Коте жұмыстары.

Олардың негізгі тарихи дамуының сатылары – эмпирикалық, этиологиялық, биотехникалық және геннотехникалық. Биотехнология жетістіктерінің қолданылу салалары.

Әдебиет (1-11)

Тақырып 2. Өсімдік клеткасының құрылысы

Өсімдік жасушасының құрылыс ерекшеліктері. Жасушалық органеллалар, мембраналық, мембраналық емес, яғни, өсімдік жасушаларына ғана тән. Клетка қабықшасы, ядро, цитоплазма, пластидтер, митохондриялар, микроденешіктер, эндоплазматикалық ретикулум, вакуолдер, диктиосомалар, микротүтікшелер, микрофиламенттер, рибосомалар. Эргастикалық заттар – кристалдар, антоциандар, крахмал дәндері, танидтер, майлар, липидтер, ақуызды денелер. Жасуша қабықшасыеың өсуі, плазмодесмалар. Өсімдік жасушасының метаболизм ерекшеліктері - фотосинтез. Өсімдік ұлпалары, меристема жайлы түсінік, паренхима, ксилема, флоэма.

Оптикалық микроскоп, трансмиссиондық, жарықөтетін электронды микроскоп. Сканирлейтін электронды микроскоп, тубулинді және микротүтікшелерді иммунофлуоресцентт микроскоп.

Әдебиет (6)

Тақырып 3. Қоректі орта. Фитогормондар

Оқшауланған жасушалар мен ұлпаларды көпкомпонентті қоректі ортада өсіру. Олар өздерінің құрамы бойынша біршама ажыратылады. Бірақ, барлық ортаның құрамына міндетті түрде өсімдіктерге керекті макро- және микро элементтер, көмірсулар, дәрумендер кіреді. Фитогормондар және олардың жасанды аналогтары. Көмірсулар (әдетте ол сахароза мен глюкоза) кезкелген қоректі қоспаның құрамына 2-3%-ды концентрацияда кіреді. Олар қоректі компонент ретінде қажетті, өйткені каллусты ұлпалардың басым көпшілігінің хлорофилдерінің болмауына байланысты автотрофты қоректенуін жоғалтқан. Сондықтан оларды шашыраңқы жарықта немесе қараңғыда өсіреді. Қоректі орталардың міндетті компоненті ол фитогормондар. Оларға эксплант жасушаларының дифференциациялануын жүзеге асыратын ауксиндер және жасушаның бөлінуін жылдамдататын цитокининдер жатады. Бұл фитогормондардың арақатынасын өзгерткенде немесе басқа фитогормондарды қосқан кезде әртүрлі морфогенезге әкеп соғады.

Әдебиет (1)

Тақырып 4. Каллусты ұлпалар

Өсімдіктердің тотипотенттілігі жарақаттанған жерлер қалпына келгенде жүзеге асады; жасушалардың ретсіз пролиферациялануының нәтижесінде өсімдіктердің жарақаттанған жерлерінің үстінде каллус дамып жетіледі (лат. Callus – сүйел, қалың тері). Сөйтіп, каллус жарақаттардың жазылуына көмектеседі. Бірақ-та көптеген бірүйлі өсімдіктер каллусс түзетін және вегетативті көбею қасиетін жоғалтқан. In vitro экспериментальды жағдайында ұлпалардың бөліктерін, мүшелерін (экспланттарды) өсіру кезінде немесе жасанды қоректі орталарда супрессивті (подавленной) in vivo тотипотенттілігі жүзеге асады. Бұл фитогормондардың өсу мен дамуға тигізетін әсеріне байланысты. Жасушалардың in vitro дифференсацияланған кезеңінен дедифференцировка кезеңіне өтуі және қарқынды жасушалық бөлінуі гендердің белсенді өзгеруімен сипатталады. Бір гендердің белсенділігі мен басқа гендердің бәсеңсуі, жасушаның ақуыз құрамының өзгеруіне әкеп соғады. Каллусты жасушаларда өздеріне тән ақуыздар пайда болады да, олармен бірге фотосинтездеуші жапырақ жасушасына тән ақуыздар жоғалып кетеді. Ұлпалардың каллусты жасушаларында биохимиялық және цитологиялық өзгерістер болады.

Әдебиет (1,4,12)

Тақырып 5. Жасуша өсіруден БАЗ алу

Өсімдіктер көптеген БАЗ – қосылыстарының продуценттері болып табылады. Бұл қосылыстар организмдегі биологиялық процестерге әсер етеді. Оларға жүрек гликозидтері, сапониндер, стериндер, каратиноидтар, полифенолдар, алкалоидтар, дәрумендер, хинондар, тағы сол сияқты өзіне тән иісі, дәмі, түсі бар заттар жатады. Биологиялық активті заттарды зат алмасудың екіншісіне, яғни оларды екінші метоболит немесе биосинтездің соңғы өніміне жатқызады. Қазіргі уақытта соңғы метаболиттердің өсімдіктерден алынатын 100 000 аса түрі белгілі. Олардың көпшілігі іс жүзінде үнемді, негізгі өнімдерге жатады және фармакологиялық, бояу алынатын, азық түлік өндірістерінде кеңінен қолданылады. Жасуша мен ұлпаны өсіруді табиғи өсімдік тектес заттарды алуға келесі әдістерді қолданып яғни, - әлдеқашан белгілі заттардан алу жолдары, мысалы кодеинді, хининді, пиретроиндерді; - қиын өсірілетін немесе мәдени түрге айналдыратын өсімдіктерден синтезделетін жаңа өнімдер, мысалы Papaver bracteatumнан тебаин; - жасуша өсіруді мүлдем жаңа заттар алу үшін қолдану, мысалы, Ruta өскінінен рутакультин; - жасуша өсіруді биотрансформацияға жүйе ретінде қолдану: яғни, соңғы өнімдерді алу мен қатар, химиялық процестің жеке бөлігі ретінде де қолдану, мысалы дигоксин синтезінде.

Әдебиет (1,2)

Тақырып 6. Микроклональді көбею

Клональді микрокөбею ол — жыныссыз жолмен in vitro алу, яғни, бастапқы өсімдік экземплярымен генетикалық сәйкес келетін. Бұл әдістің негізінде өсімдік жасушасының өзіне тән керемет тотипотенттілігі жатыр. Клон – өсімдік, жыныссыз яғни, вегетативті жолмен көбею арқылы алынған. Клондар аналық өсімдікпен және өзара дәлме дәл сәйкес келеді. Өсімдіктердің клональді микрокөбеюінде қолданылатын негізгі әдіс — өсімдіктерде әлдеқашан бар меристеманың белсенділігін арттыру. Ол апикальді ұлпаның басымдылығына байланысты. Мұны жүзеге асырудың екі әдісі бар: а) сабақтың төбе меристемасын алып, гормонсыз ортада біртіндеп in vitro өркенінен микроқалемшелеу; б) қоректі ортаға цитокининді әсер ететін, яғни көптеген қолтық өркендерінің дамуын қарқындататын заттарды қосу арқылы. Әдетте, цитокининдер ретінде 6-бензиламинопуринді (БАП) немесе 6-фурфуриламинопуринді (кинетин) және зеатиндерді қолданады. Екінші әдіс - эксплант ұлпаларынан адвентивті бүршіктердің пайда болу индукциясы. Ол қоректі ортаның қолайлы жағдайында, оқшауланған өсімдік бөліктерінің жетіспей тұрған мүшелерін қалпына келтіру қасиетіне және сөйтіп, өсімдіктің толық регенерация жасауына негізделген.

Әдебиет (1-3)

Тақырып 7. Өсімдікті сауықтыру

Вирусты аурулармен күресудің негізгі жолы – ол in vitro алып отырғызатын материалдың саулығы. Вируссыз өсімдіктерді алу үшін апикальді меристеманың вирусы жоқ дерлік культурасы қолданылады. Егер де донор-өсімдіктің апексін жылудың әсеріне ұшырататын болсақ, онда дамып келе жатқан өркеннің төбесіндегі вирустардың көбеюінің баяулауы соншалық, тіпті өсіп жатқан апекс вирустардан бос болады. Осындай оқшауланған апекстан өсіп шыққан in vitro регенерант, вируссыз болып келеді. Алынған өсімдіктерді микроқалемшелеу арқылы клондайды. Бұл жұмыста маңызды орын вирус жұқтырған өсімдіктердің диагностикасы алады. Тестілейтін ең негізгі сезімтал әдіске иммуноферментті анализ жатады, себебі, ол үшін өсімдіктің кез келген мүшесінің аз ғана бөлігі қажет. Вируссыз өсірілетін материалдарды алудың технологиясы көптеген көкеністер, мал-азықтық, жеміс беретін, сәндік және ағаштектес өсімдіктердің қатарына жасалған.

Әдебиет (1)

Тақырып 8. Гаплоидты технология

Гаплоидты организмдер – ол, соматикалық жасушаларда бір ғана хромосомы бар, яғни белгілі түрге тән жиынтықтың жартсысы. Гаплоидтарды аналық немесе аталық гаметофиттерді өсіру арқылы in vitro алуға болады. Культурада тозаңқап пен тозаңдық спорофитінің микроспорадан пайда болуы андрогенез деп аталады. Микроспоралар дамудың күрделі жолымен өтіп, эмбриоид немесе каллус түзеді сондықтан да регенерант-өсімдіктер гаплоидты, диплоидты және полиплоидты болуы мүмкін. Гаплоидты өсімдікті тұқым бүршігі культурасында жұмыртқа жасушасынан индуциялау гиногенез деп аталады және табиғатта кездесетін жыныссыз көбею апомиксистің бір түрі болып саналады. Регенеранттардың аналық гаметофит культурасында пайда болуы да осылай екі жолмен жүреді: через эмбриоидогенез және каллустағы органогенез арқылы. Аналық гаметофиттің дамуына әсер ететін факторларға өсімдік генотипі, орта құрамы, даму стадиясы жатады. практикалық селекция және генетикалық зерттеулер үшін үлкен құндылық болып есептеледі. Дәстүрлі әдістермен оларды алу тиімсіз әрі ұзақ, ал in vitro культурасында гаплоидты өсімдіктерді алу жақсы жетілген және мейлінше аз уақыт алады.

Әдебиет (1)

Тақырып 9. Жасушалық технология

Жасушалық инженерия – ол конструитивті әдіс, бұл жасушаның жаңаша өсіріліп, гибридизация және реконструкция негізінде алынған типі. Протопласт – жасушаның жасуша қабырғасынсыз түрі. Протопласттың жаппай бөлінуі целлюлолитикалық ферменттермен плазмолизға ұшыраған жасушаларды өңдегенде байқалады. Ерітіндінің концентрациясы, комбинациясы және ферменттердің концентрациясы, олармен әсер ету ұзақтығы эмпирикалық жолмен әрбір жағдайларға жеке қарастырылады. Жаңадан алынған өміршеңді протопластар, өздерінің талаптары бойынша, белгілі қолайлы жағдайда тез арада жасуша қабырғасын регенерация жасайды да, көбеюге ауысады. Протопласт спонтанды (кездейсоқ) қосылмайды, сондықтан біріктіретін химиялық және физикалық индукторларды қолданады. Соматикалық жасушалардың гибридизация процесін соматикалық гибридизация деп атайды. Оның негізгі артықшылығы - бір бірінен алшақ өсімдіктер түрлерін будандастыру және ассиметриялы гибридтерді алу мүмкіншілігі бар.

Әдебиет (1-3)

Тақырып 10. Өсімдіктердің генетикалық инженериясы

Генетикалық инженерия – бұл рекомбинантты ДНК молекулаларының аса қызметі жоғары генетикалық құрылымын құрастыру. Жасушаға жаңа генетикалық ақпаратты енгізу арқылы жасуша, содан кейін жаңа белгілерімен жаңа организм алу. Мұндай организм трансгенді деп аталады. Өсімдіктер үшін векторлар болып бактерия плазмидилары, хлоропластың және митохондрияның ДНК-сы, транспозондар және вирустар саналады. Ең басты, әрі сәйкес келетін және зерттелген вектор болып агробактерий плазмидалар, яғни олар үшін өсімдікті вирустарға төзімді ету және генетикалық материалды ауыстыру – табиғи процесс.

Өсімдіктердің генетикалық инженериясының болашағы ең алдымен өзгертілген геномдары ауыстырылған өсімдіктердің жекелеген жасушаларының эффективті регенерациясы және белгілердің берілуіне байланысты. Бұл әдіс арқылы тұқымда сақталатын ақуыздың сапасын жақсартуға және өсімдіктердің ауруларға, гербицидтерге, қоршаған ортаның қолайсыз жағдайларына төзімділігін арттыруға, сол сияқты өсімдіктердің мүлдем жаңа түрлерін алуға болады.

Әдебиет (1,4,8-9,20,22-24)

Тақырып 11. In vitro генофондын сақтау

Биотехнологияның теориялық және практикалық міндеттерін шешу үшін жасуша культурасын сақтайтын сенімді әдіс керек. Жасушаны сақтаудың екі тәсілі бар: өсу процесін баяулату және сұйық азотта қатырылған жағдайда криосақтау. Криосақтаудың қиыншылығы өсімдік жасушасының ерекшеліктеріне, мысалы үлкен мөлшерлерімен, вакуольдің күштілігімен және судың көп болуына байланысты. Жасушаны қатырған кезде, мұздың ішінен де сыртынан да қатқанынан яғни, мембрананың механикалық жарақаттануынан, сол сияқты судың азаюынан пайда болған осмостық стрестен, ол өледі.

Криосақтау үшін культураға ерекше дайындық керек. Криопротекторлар – жасушадағы судың қату нүктесін өзіне байланыстыру арқылы төмендететін және соның әсерінен жасушаны механикалық әрі осмостық стрестен сақтайтын заттар. Жасушаның әрбір түріне тән криопротектордың типі және оның концентрациясы сәйкес алынады. Жасушаны криосақтау ол, генофондты сақтаудың тиімді жолы және гендік банктер құруға қызмет ету болып саналады.

Әдебиет (1-5)