215

УДК 630*075

Биотехнология в лесном хозяйстве [Текст]: Методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 35.03.01 - Лесное дело / И.Ю. Исаков, А.И. Сиволапов; Мин. образ. и науки РФ, ФГБОУ ВО ВГЛТУ.- Воронеж, 2015.- 16 с.

Рецензент зав. Каф биологии и защиты растений ВГАУ, доктор с/х наук, проф. А.Л. Лукин

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы в лесном хозяйстве мира все более широкое применение находят методы и приемы биотехнологии - сравнительно новой, интенсивно развивающейся науки, связанной с целями и задачами лесной генетики, селекции и с экологическими проблемами отрасли.

Биотехнологии в мировом лесном секторе используются в практике защиты лесов, создания новых форм древесных растений с заданными признаками, производстве посадочного материала, оценке качества семенного материала, мониторинге фитосанитарного состояния питомников и лесных насаждений, а также в глубокой переработке древесины, утилизации отходов, домостроении.

Биотехнология – использование культур клеток бактерий, дрожжей, животных или растений, метаболизм и биосинтетические возможности которых обеспечивают выработку специфических веществ (или: применение биологических процессов и систем в производстве).

Современная биотехнология оказывает огромное влияние на все аспекты практической деятельности человека. С ее помощью в настоящее время получают десятки дорогостоящих биологически активных веществ (гормоны, ферменты, витамины, антибиотики, некоторые лекарства).

Важное значение имеет биотехнология в экологизации промышленных производств на основе создания безотходных процессов; биотехнологические методы применяются для очистки воды; биологические методы подавления вредителей сельскохозяйственных культур уверенно вытесняют химические инсектициды. Благодаря биотехнологии разработаны и внедрены энерго- и ресурсосберегающие производства.

Биотехнологические процессы являются базой для получения кормового и пищевого белка. Биотехнологическим способом получают возобновляемые источники энергии.

Программа изучения дисциплины согласно учебному плану подготовки по направлению 35.03.01 – Лесное дело предусматривает работу, где определенные подразделы выносятся на самостоятельную проработку, что позволяет более качественно освоить теоретический и практический курс.

В методических указаниях приводятся темы для самостоятельного изучения разделов, тесты для самоконтроля и библиографический список.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОРГАНИЗАЦИИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Самостоятельная работа студентов

Поскольку аудиторно лекции читаются не в полном объеме дисциплины, то студентам лесного факультета на самостоятельное изучение выносится ряд разделов дисциплины.

Преподаватель сообщает студентам содержание данных разделов и организует контроль знаний по заявленным темам.

Самостоятельно студенты в компьютерном классе кафедры лесных культур, селекции и лесомелиорации дорабатывают лабораторно-практические работы, готовят отчеты по каждой из них, решают задачи.

Тема 1. Основные положения «Комплексной программы развития биотехнологии в Российской Федерации до 2020 года», принятой 14 апреля 2012 года Правительством РФ по лесной биотехнологии.

Цель работы: изучить основные положения Программы развития лесной биотехнологии в РФ, планы реализации, какое значение придается биотехнологии в развитии страны.

Методические рекомендации

Впроцессе проработки темы необходимо уяснить современное состояние

вобласти лесной биотехнологии. В процессе работы ознакомиться с основными положениями Приоритетного направления Программы № 7 – Лесная биотехнология.

Реализация Программы в части приоритетного направления "Лесная биотехнология" приведет к созданию в стране современной системы управления лесонасаждениями с привлечением методов ДНК маркирования, созданию новых биотехнологических форм деревьев с заданными признаками, развитию плантационного лесовыращивания, созданию условий для малоотходной переработки древесины, утилизации отходов лесопиления, а также к созданию спроса на современные экологически безопасные средства защиты леса.

7.1 "Применение биотехнологий для управления лесонасаждениями"

Одним из приоритетных направлений развития лесных биотехнологий является молекулярное (ДНК) маркирование, направленное на решение следующих задач лесного хозяйства и промышленности:

-совершенствование принципов и подходов лесосеменного районирования;

-генетическая паспортизация и сертификация семян;

-мониторинг фитосанитарного состояния питомников и лесонасаждений;

-контроль законности происхождения древесины.

Таким образом, комплекс мероприятий направлен на разработку и ускорение распространения передовых технологий, а также широкое применение биотехнологий в целях повышения эффективности управления лесонасаждениями.

7.2"Применение биотехнологий для сохранения и воспроизводства лесных генетических ресурсов"

Современные методы лесной биотехнологии позволят эффективно проводить мониторинг состояния ресурсов, сохранять и воспроизводить лесные генетические ресурсы. К таким биотехнологиям относятся следующие:

- создание банков in vitro редких и исчезающих видов лесных растений;

- клональное микроразмножение редких и исчезающих видов лесных древесных и травянистых растений для создания резерватов; - мониторинг состояния лесных генетических ресурсов с применением методов анализа ДНК;

- оценка генетического разнообразия лесных насаждений с использованием методов анализа ДНК.

7.3"Создание биотехнологических форм деревьев с заданными признаками"

Экономическая эффективность лесонасаждений (лесных плантаций в частности) в первую очередь зависит от продуктивности и устойчивости к биотическим и абиотическим факторам среды используемых лесных пород. В свою очередь эти характеристики зависят от генетической ценности и качества посадочного материала. Необходимо развивать биотехнологии, направленные на создание новых форм лесных пород с заданными признаками. К таким биотехнологиям относятся следующие:

- селекция основных лесообразующих пород на основе ДНК маркирования для

выведения новых гибридных и сортовых форм;

-создание биотехнологических форм деревьев с заданными признаками, например, с пониженным содержанием лигнинов, устойчивостью к гербицидам;

-клональное микроразмножение генетически ценных форм деревьев с целью быстрого выведения на рынок новейших селекционных достижений и повышения качества посадочного материала.

Биотехнологические формы деревьев являются сырьевой базой современной лесоперерабатывающей промышленности. Значительная часть расходов в процессе переработки древесины приходится на отделение древесной целлюлозы от лигнина, который представляет собой вещество, связывающее волокна древесины. При этом используются едкие щелочные растворы, высокие температуры и давление. Использование древесины, содержащей меньше лигнина и больше целлюлозы, существенно повышает конкурентоспособность лесоперерабатывающей промышленности.

Быстрорастущие деревья являются также одним из эффективных способов борьбы с изменением климата в качестве поглотителей углекислого газа. Другим направлением использования быстрорастущего леса является его использование в качестве сырья для биотоплива.

7.4 "Биологические средства защиты леса"

Применение средств химии губительно сказывается на биоразнообразии лесных сообществ, а отсутствие работ по созданию и производству новых биологических средств защиты (включая микробиологические и энтомофаги) не позволяет сдерживать распространение в лесах новых опасных вредителей и фитопатогенов фитофагов, что негативно влияет на пожарную безопасность в лесах и приводит к значительным социально-экономическим ущербам от пожаров. Комплекс мероприятий направлен на изыскание биотехнологических средств защиты, перспективных для использования в защите леса и разработку на их основе технологий получения и применения экологически безопасных средств защиты леса от вредных организмов. Реализация указанного комплекса мероприятий позволит восполнить отсутствие биологических средств для защиты леса в стране и будет содействовать созданию в России их малотоннажных производств.

Увеличение числа биологических средств для защиты леса и расширение сферы их применения позволит снизить как социально-экономические потери

от вспышек массового размножения вредных организмов, так и пестицидную нагрузку на леса, содействуя сохранению биологического разнообразия.

Впроцессе ознакомления с программой рекомендуется обратить внимание на целевые показатели программы, создание базы для повышенного потенциала генетических ресурсов древесных растений.

Врезультате реализации Программы в России будет создана современная база промышленного производства, характеризующаяся повышенным ресурсным потенциалом лесов и существенно сниженным уровнем безвозвратных отходов лесного производства.

Тесты для самоконтроля: Назвать основные пункты Программы по развитию лесных биотехнологий в России; Необходимость принятия Программы; Назвать основные задачи первого пункта; второго пункта; третьего пункта; четвертого пункта Программы; Рассказать о перспективах биотехнологических исследований в области лесного хозяйства.

Тема 2. История развития биотехнологии и связь с другими науками.

Цель работы: ознакомиться с обзором исторического развития биотехнологии, еѐ связи с другими науками.

Методические рекомендации

При проработке темы необходимо усвоить основные этапы развития биотехнологии, ее связи с другими дисциплинами, краткой историей развития науки. Доисторические времена: домашние животные и культурные растения. Влияние греческой культуры: Гиппократ и Аристотель. 1600-1850-е годы: на заре современной биологии. Чарльз Дарвин и эволюция. Генетика, технология и общество. Первые биотехнологические процессы, используемые человечеством: брожение и окисление. Биотехнология и общество: евгеника и эуфеника. Генетика и биотехнология: теоретические и практические аспекты. Теория преформации. Теория случайного зарождения организмов из неживых компонентов. Карл Линней и его теория постоянства видов. Достижения биотехнологии в сельском хозяйстве.

Особенно внимательно следует определить роль и место в практике

лесного хозяйства, биотехнологии лесных растений как части лесного ресурсоведения. Студенту необходимо ознакомиться с основными разделами фундаментальной биотехнологии: классической (формальной) биотехнологии, цитогенетики, молекулярной биотехнологии, биотехнологии ферментов и иммунобиотехнологии, биотехнологии мутагенеза, радиационной и химической биотехнологии, эволюционной биотехнологией, геномикой и эпигеномикой, биотехнологии индивидуального развития и эпигенетикой, экологической биотехнологии и биотехнологической токсикологией, биотехнологией индивидуального развития.

Тесты для самоконтроля: Сравните теорию эпигенеза и преформации; Какие идеи положены Дарвином в основу его теории; В чем суть центральной догмы молекулярной биотехнологии и почему она лежит в основе этой науки; Назовите четыре основных метода исследований в биотехнологии; Расскажите о биотехнологических исследованиях в области лесного хозяйства и медицины.

Тема 3. Биотехнология и генная инженерия

Цель работы: уяснить цели и задачи современной биотехнологии, ознакомиться с еѐ задачами и структурой.

Методические рекомендации

При работе над темой следует иметь в виду, что биотехнология изучает все уровни организации живых организмов – молекулярный, цитологический, тканевый, организменный, надорганизменный, популяционный. Детально изучить: основы биотехнологии, определение биотехнологии, задачи биотехнологии, структуру современной биотехнологии, биотехнологию низкого уровня, биотехнологию высокого уровня: микробиологический синтез, клеточную и генную инженерию.

В заключении ознакомиться с задачами и методами генной инженерии, генетически модифицированных (трансгенных) организмов и генетически модифицированных источников, основными способами получения трансгенных клеток и организмов; их сравнительной характеристикой, с достижениями

генной инженерии, перспективами развития генной инженерии, этическими и технологическими проблемами генной инженерии.

Тесты для самоконтроля: Дать определение биотехнологии; Что такое цветные биотехнологии и их предназначение; Рассказать о целях зеленой биотехнологии; Рассказать о задачах красной, белой, коричневой, синей биотехнологиях; Понятие о трансгенных организмах.

Тема 4. Этапы развития биотехнологии древесных растений. Значение и функции протопластов.

Цель работы: Изучить основные этапы развития и достижения лесной биотехнологии, виды деревьев, введенных в культуру тканей, основными типами эксплантов и типах тканевых культур.

Методические рекомендации

При изучении характеристик основных этапов развития биотехнологии древесных растений необходимо знать основные проблемы работы с древесными растениями – длительный онтогенез, сложность введения эксплантов со взрослых деревьев. Важно знать определение «каллус», «каллусная ткань» а также методы индукции (получения) каллусогенеза у растений, запомнить виды древесных растений, введенных в культуру in vitro (тополь, ива, эвкалипт, сосна, береза, липа и др.), особенности строения и морфологии каллуса, индукцию и культивирование суспензионной клеточной культуры. Особое внимание уделить значению протопластов для прикладных и фундаментальных исследований, основным способам получения протопластов, способы культивирования и слияния протопластов.

Тесты для самоконтроля: Дать определение лесной биотехнологии; Назвать виды лиственных древесных растений, используемых в биотехнологии; Назвать виды хвойных древесных растений, используемых в биотехнологии; Назвать виды декоративных древесных и кустарниковых пород; Привести алгоритм введения в культуру ткани карельской березы.

Тема 5. Методы биотехнологии.

Цель работы: Изучить основные методы биотехнологии, их применимость к отдельным видам деревьев.

Методические рекомендации

В начале необходимо ознакомиться с основной задачей генной технологии - создание новых комбинаций наследственного материала в целых клетках микроорганизмов, грибов, растений и животных с последующей передачей введенной информации дочерней клетке.

При изучении данной темы следует уяснить следующие наименования и области их применения: Пути введения генов, методика генной инженерии, роль плазмид в этом процессе, виды используемых плазмид – агробактериальные и ризобиальные, изучить Закон РФ «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» об условиях работы в области генной инженерии.

К методам биотехнологии относится клеточная инженерия. Студенту важно уяснить типы клонирования культур тканей и клеток высших растений, соматическую гибридизацию клеток растений, особенности культивирования клеток растений. В качестве расширения кругозора следует знать инженерию культур клеток животных и человека: клонирование, трансплантацию эмбрионов, создание гибридом, особенности культивирования клеток животных.

А также получение медицинских препаратов и лекарственных веществ с помощью микроорганизмов и культур тканей.

Тесты для самоконтроля: Охарактеризуйте метод генной инженерии; Что такое плазмиды? Какова их роль в генной инженерии? Для каких целей в генной инженерии применяются ферменты рестриктазы? Лигазы? В чем заключается сущность метода клонирования растений? Для каких целей применяются методы клонирования? В чем заключается метод соматической гибридизации клеток? В чем сущность метода трансплантации эмбрионов? Охарактеризуйте гибридомную технику; Для каких целей применяют методы трансплантации эмбрионов и гибридомную технику? Охарактеризуйте методы получения гормонов, ферментов, интерферонов.