Презентация "основы селекции растений, животных, микроорганизмов". Презентация на тему «Селекция микроорганизмов Презентации по селекции животных растений микроорганизмов грибов

1 слайд

2 слайд

Традиционная селекция микроорганизмов (в основном бактерий и грибов) основана на экспериментальном мутагенезе и отборе наиболее продуктивных штаммов. Но и здесь есть свои особенности. Геном бактерий гаплоидный, любые мутации проявляются уже в первом поколении. Хотя вероятность естественного возникновения мутации у микроорганизмов такая же, как и у всех других организмов (1 мутация на 1 млн. особей по каждому гену), очень высокая интенсивность размножения дает возможность найти полезную мутацию по интересующему исследователя гену.

3 слайд

В результате искусственного мутагенеза и отбора была повышена продуктивность штаммов гриба пеницилла более чем в 1000 раз. Продукты микробиологической промышленности используются в хлебопечении, пивоварении, виноделии, приготовлении многих молочных продуктов. С помощью микробиологической промышленности получают антибиотики, аминокислоты, белки, гормоны, различные ферменты, витамины и многое другое.

4 слайд

Микроорганизмы используют для биологической очистки сточных вод, улучшений качеств почвы. В настоящее время разработаны методы получения марганца, меди, хрома при разработке отвалов старых рудников с помощью бактерий, где обычные методы добычи экономически невыгодны.

5 слайд

Биотехнология Использование живых организмов и их биологических процессов в производстве необходимых человеку веществ. Объектами биотехнологии являются бактерии, грибы, клетки растительных и животных тканей. Их выращивают на питательных средах в специальных биореакторах.

6 слайд

7 слайд

Новейшими методами селекции микроорганизмов, растений и животных являются клеточная, хромосомная и генная инженерия.

8 слайд

Генная инженерия Генная инженерия - совокупность методик, позволяющих выделять нужный ген из генома одного организма и вводить его в геном другого организма. Растения и животные, в геном которых внедрены «чужие» гены, называются трансгенными, бактерии и грибы - трансформированными. Традиционным объектом генной инженерии является кишечная палочка, бактерия, живущая в кишечнике человека. Именно с ее помощью получают гормон роста - соматотропин, гормон инсулин, который раньше получали из поджелудочных желез коров и свиней, белок интерферон, помогающий справиться с вирусной инфекцией.

9 слайд

Процесс создания трансформированных бактерий включает этапы: Рестрикция - «вырезание» нужных генов. Проводится с помощью специальных «генетических ножниц», ферментов - рестриктаз. Создание вектора - специальной генетической конструкции, в составе которой намеченный ген будет внедрен в геном другой клетки. Основой для создания вектора являются плазмиды. Ген вшивают в плазмиду с помощью другой группы ферментов - лигаз. Вектор должен содержать все необходимое для управления работой этого гена - промотор, терминатор, ген-оператор и ген-регулятор, а также маркерные гены, которые придают клетке-реципиенту новые свойства, позволяющие отличить эту клетку от исходных клеток. Трансформация - внедрение вектора в бактерию. Скрининг - отбор тех бактерий, в которых внедренные гены успешно работают. Клонирование трансформированных бактерий.

10 слайд

Образование рекомбинантных плазмид: 1 - клетка с исходной плазмидой 2 - выделенная плазмида 3 - создание вектора 4 - рекомбинантная плазмида (вектор) 5 - клетка с рекомбинантной плазмидой

11 слайд

Эукариотические гены, в отличие от прокариотических, имеют мозаичное строение (экзоны, интроны). В бактериальных клетках отсутствует процессинг, а трансляция во времени и пространстве не отделена от транскрипции. В связи с этим для пересадки эффективнее использовать искусственно синтезированные гены. Матрицей для такого синтеза является иРНК. С помощью фермента обратная транскриптаза на этой иРНК сперва синтезируется цепь ДНК. Затем на ней с помощью ДНК-полимеразы достраивается вторая цепь.

12 слайд

Хромосомная инженерия Хромосомная инженерия - совокупность методик, позволяющих осуществлять манипуляции с хромосомами. Одна группа методов основана на введении в генотип растительного организма пары чужих гомологичных хромосом, контролирующих развитие нужных признаков (дополненные линии), или замещении одной пары гомологичных хромосом на другую (замещенные линии). В полученных таким образом замещенных и дополненных линиях собираются признаки, приближающие растения к «идеальному сорту».

13 слайд

Метод гаплоидов основан на выращивании гаплоидных растений с последующим удвоением хромосом. Например, из пыльцевых зерен кукурузы выращивают гаплоидные растения, содержащие 10 хромосом (n = 10), затем хромосомы удваивают и получают диплоидные (n = 20), полностью гомозиготные растения всего за 2–3 года вместо 6–8-летнего инбридинга. Сюда же можно отнести и метод получения полиплоидных растений

Понятие селекции

• В широком смысле слова селекция как процесс изменения домашних животных и культурных растений, по выражению Н.И. Вавилова, «представляет собой эволюцию, направленную волей человека».
• Селекция - наука о методах создания новых пород животных, сортов растений, штаммов микроорганизмов с нужными человеку признаками.

• Дайте формулировку закона гомологических рядов в наследственной изменчивости.

• Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов.

• Какое значение для селекции имеет закон гомологических рядов в наследственной изменчивости?

• Закон успешно используется в селекционной практике:
• а) обнаружение спонтанных мутаций у одного вида дает основание для поисков сходных мутаций у родственных видов растений или животных;
• б) некоторые наследственные заболевания и уродства, встречающиеся у человека, отмечены и у некоторых животных, животных с такими болезнями используют в качестве модели для изучения дефектов у человека.
• Пр. катаракта глаза бывает у мышей, крыс, собак, лошадей; гемофилия - у мыши и кошки; диабет у крысы и т.д.

• Порода, сорт -это искусственно созданная человеком популяция, характеризующаяся специфическим генофондом, наследственно закрепленными морфологическими и физиологическими признаками, определенным уровнем и характером продуктивности.
• Штамм – чистая одновидовая культура микроорганизмов(или вирусов), выделенная из определенного источника и обладающая специфическими физиолого-биохимическими признаками

• Создание новых пород домашних животных и сортов культурных растений
• Улучшение ранее известных пород и сортов

• методы
• селекционной
• работы

• Скрещивание

• Искусственный
• отбор

• родственное

• неродственное

• Внутрипородное
• (внутрисортовое)

• Межпородное
• (межсортовое)

• Отдаленная
• гибридизация

• массовый

• индивидуальный

• Инбридинг

• Аутбридинг

• Гетерозис

• Скрещивание внутри
• одной породы между
• близкими родственниками
• для сохранения важных
• признаков

• Скрещивание различных
• пород животных, отличающихся по ряду признаков для получения межвидовых гибридов

• Скрещивание генетически
• отдаленных форм
• Получение межпородных
• высокопродуктивных
• гибридов

• Каждый сорт, каждая порода имеют особого дикого предка.
• Все породы кур происходят от дикой банкивской курицы,
• домашние утки – от дикой кряковой утки,
• породы кроликов – от дикого европейского кролика
• предки крупного рогатого скота – два вида диких туров,
• собаки – волк.

• размеры и продуктивность культурных растений выше, чем у родственных диких видов;
• культурные растения лишены средств защиты от поедания: горьких и ядовитых веществ, шипов, колючек;
• так же у культурных форм сильно развиты отдельные признаки, бесполезные или вредные для существования в естественных условиях, но полезные для человека.

• Экстерьер крупного рогатого скота мясного направления (шортгорнская порода)

• Экстерьер крупного рогатого скота молочного направления
• (джерсейская порода)

• Высокая продуктивность по тому или иному признаку связана с определенными экстерьерными особенностями.

• Порода была создана, чтобы объединить характеристики обоих животных и с целью увеличить производство говядины.

• Стада их круглогодично пасутся на высокогорных пастбищах в таких условиях, при которых не могут существовать тонкорунные овцы - мериносы

• Мулы более терпеливы, устойчивы, выносливы и живут дольше, чем лошади, и менее упрямые, более быстрые и умные, чем ослы.

• Лигры - крупнейшие кошки на Земле.
• Самый большой лигр по имени Геркулес, весом как два льва, проживает в парке «Остров джунглей» в Майами. В отличие от самок лигры-самцы обычно бесплодны, поэтому их нельзя разводить.

• Саванны гораздо более общительные, чем обычные домашние кошки, и их часто сравнивают с собаками благодаря их преданности хозяину. Их можно обучить ходить на поводке и даже приносить брошенные хозяином предметы.

• Близко родственное скрещивание и самоопыление используется для выведения «чистых линий»
• Гетерозис – гибридная сила. Потомки от скрещивания чистых линий превосходят по качествам родительские формы.
• И. В. Мичурин разработал метод отдаленной гибридизации для получения новых сортов

• Гетерозис- явление гибридной силы.
• В первом поколении гибридов повышается жизнеспособность и наблюдается мощное развитие (более крупные размеры), более высокая урожайность, более активный синтез органических веществ. Объясняется гетерозис переходом многих генов в гетерозиготное состояние и взаимодействием благоприятных доминантных генов.
• При последующих скрещиваниях гибридов между собой гетерозис затухает вследствие выщепления гомозигот.

• Тритикале
• (от лат. triticum - пшеница и лат. secale - рожь) - злак, гибрид ржи и пшеницы.
• Тритикале обладает повышенной морозостойкостью (больше чем у озимой пшеницы), устойчивостью против грибных и вирусных болезней, пониженной требовательностью к плодородию почвы, содержат много белка в зерне.

• использование микро
• организмов

• Синтез пищевых
• добавок

• Синтез БАВ

• Производство
• лекарств

• Производство
• кормов для
• животных

• Искусственный мутагенез – метод селекционной работы с микроорганизмами
• Мутагены: рентгеновские лучи, яды, радиация…

• Микроорганизмы

• Бактерии

• Вирусы

• Грибы

• Простейшие

• Сине-зеленые водоросли

• Микроорганизмы– это группа прокариотических и эукариотических одноклеточных организмов, различаемых только под микроскопом.

• Кокки - возбудители бактериального менингита

• Герпес-вирус
• 6-го типа

• Дрожжеподобные грибы вида C.albicans

• Paramecium, род простейших одноклеточных

• Цианобактерии

• Биотехнология – это технология получения из живых клеток или с их помощью необходимых человеку продуктов.

• Примеры промышленного получения и использования продуктов жизнедеятельности микроорганизмов:
• хлебопечение;
• пивоварение;
• виноделие;
• приготовление молочных продуктов;
• производство кормового белка;
• производство ферментных и витаминных препаратов используемых в пищевой промышленности, медицине, животноводстве.

• Генная инженерия

• Клеточная
• инженерия

• Биотехнология

Cлайд 1

Cлайд 2

Cлайд 3

Cлайд 4

Cлайд 5

Cлайд 6

Cлайд 7

Cлайд 8

Cлайд 9

Cлайд 10

Cлайд 11

Cлайд 12

Cлайд 13

Cлайд 14

Использование микробов В хлебопечении В виноделии В производстве кормового белка В производстве молочнокислых продуктов В производстве биологически активных веществ (антибиотиков, гормонов, витаминов, аминокислот, ферментов) В сельском хозяйстве (при производстве силоса) Для биологической защиты растений и очистки сточных вод

Из более чем 100 тыс. видов известных в природе микроорганизмов человеком используется несколько сотен, и число это растет. Качественный скачок в их использовании произошел в последние десятилетия, когда были установлены многие генетические механизмы регуляции биохимических процессов в клетках микроорганизмов.

Особенности селекции микроорганизмов 1) у селекционера имеется неограниченное количество материала для работы: за считанные дни в чашках Петри или пробирках на питательных средах можно вырастить миллиарды клеток; 2) более эффективное использование мутационного процесса, поскольку геном микроорганизмов гаплоидный, что позволяет выявить любые мутации уже в первом поколении; 3) простота генетической организации бактерий: значительно меньшее количество генов, их генетическая регуляция более простая, взаимодействия генов просты или отсутствуют.

Методы селекции микроорганизмов Широко используют различные способы рекомбинирования генов: конъюгацию, трансдукцию, трансформацию и другие генетические процессы. Например, конъюгация (обмен генетическим материалом между бактериями) позволила создать штамм Pseudomonas putida, способный утилизировать углеводороды нефти.

Методы селекции микроорганизмов Важнейшим этапом в селекционной работе является индуцирование мутаций. Экспериментальное получение мутаций открывает почти неограниченные перспективы для создания высокопродуктивных штаммов. Вероятность возникновения мутаций у микроорганизмов (1x х) ниже, чем у всех других организмов (1x x10 -4). Но вероятность выделения мутаций по данному гену у бактерий значительно выше, чем у растений и животных, поскольку получить многомиллионное потомство у микроорганизмов довольно просто и сделать это можно быстро.

4 Главным звеном биотехнологического процесса является биологический объект, способный осуществлять определенную модификацию исходного сырья и образовывать тот или иной необходимый продукт. В качестве таких объектов биотехноло­гии могут выступать клетки микроорганизмов, животных и расте­ний, трансгенные животные и растения, грибы, а также многокомпонент­ные ферментные системы клеток и отдельные ферменты. Основой большинства современных биотехнологических произ­водств является микробный синтез, т. е. синтез разно­ образных биологически активных веществ с помощью микроорганизмов. К сожалению, объекты растительного и животного происхождения в си­лу ряда причин еще не нашли столь широкого применения. Поэтому в дальнейшем целе­ сообразно рассматривать микроорганизмы как основные объекты биотехнологии.

1 Микроорганизмы - основные объекты биотехнологии В настоящее время известно более 100 тысяч различных видов микроорганизмов. Это в первую очередь бактерии, актиномицеты, цианобактерии. При столь большом разнообразии микроорганизмов весьма важной, а зачастую и сложной проблемой является правильный выбор именно того организма, который способен обеспечить получение требуемого продукта, т.е. служить про­мышленным целям. 5

Во многих биотехнологических процессах используется ограничен­ное число микроорганизмов, которые классифицируются как GRAS ("generally recognized as safe" обычно считаются безопасными). К таким микроорганизмам относят бактерии Васillus subtilis, Васillus amyloliquefaciens, другие виды бацилл и лактобацилл, виды Streptomyces. Сюда также относят виды грибов Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus, дрожжей Saccharomyces и др. GRAS-микроорганизмы непатогенные, не­токсичные и в основном не образуют антибиотики, поэтому при разра­ботке нового биотехнологического процесса следует ориентироваться на данные микроорганизмы, как базовые объекты биотехнологии. 6

Микробиологическая промышленность в настоящее время использует тысячи штаммов микроорганизмов, которые первично были вы­делены из природных источников на основании их полезных свойств, а затем улучшены с помощью различных методов. В связи с расширением производства и ассортимента выпускаемой про­дукции в микробиологическую промышленность вовлекаются все новые и новые представители мира микробов. Следует отметить, что в обозримом будущем ни один из них не будет изучен в той же степени, как Е. соli и Вас. subtilis. Причина этого - колоссальная трудоемкость и высокая стоимость подобного рода исследований. 7

Следовательно, возникает проблема разработки стратегии и тактики исследований, которые обусловили бы с разумной затратой труда из­влечь из потенциала новых микроорганизмов все наиболее ценное при создании промышленно важных штаммов- продуцентов, пригодных к ис­пользованию в биотехнологических процессах. Классический подход заключается в выделении нужного микроорганизма из природных условий. Из естественных мест обитания предполагаемого продуцента отби­рают образцы материала (берут пробы материала) и производят посев в селективную среду, обеспечивающую преимущественное развитие инте­ ресующего микроорганизма, т.е. получают так называемые накопитель­ные культуры. 8

Следующим этапом является выделение чистой культуры с даль­нейшим изучением изолированного микроорганизма и, в случае необходимости, ориентировочным опреде­лением его продукционной способности. Существует и другой путь подбора микроорганизмов-продуцентов - это выбор нужного вида из имеющихся коллекций хорошо изученных и досконально охарактеризованных микроорганизмов. При этом, естест­венно, устраняется необходимость выполнения ряда трудоемких опе­раций. 9

Главным критерием при выборе биотехнологического объекта является способность синте­зировать целевой продукт. Однако помимо этого, в технологии самого процесса могут закладываться дополнительные требования, которые по­рой бывают очень и очень важными, чтобы не сказать решающими. В общих словах микроорганизмы должны обладать высокой скоростью роста, утилизировать необходимые для их жизнедеятельности дешевые субстраты, быть резидентными к посторонней микрофлоре, т. е, обладать высокой конкурентоспособностью. Все вышеперечисленное обеспечивает значительное снижение за­трат на производство целевого продукта. 10

Приведем некоторые примеры, доказывающие роль микроорганизмов как объектов биотехнологии: 1. Одноклеточные организмы, как правило, характеризуются более высокими скоростями роста и синтетических процессов, чем высшие организмы. Тем не менее, это присуще не всем микроор­ганизмам. Некоторые из них растут крайне медленно, однако представляют из­вестный интерес, поскольку способны продуцировать различные очень ценные вещества. 11

2. Особое внимание как объекты биотехнологических разработок представляют фотосинтезирующие микроорганизмы, исполь­зующие в своей жизнедеятельности энергию солнечного света. Часть из них (цианобактерии и фотосинтезирующие эукариоты) в качестве источника углерода утилизируют СО 2, а некоторые представители цианобактерий, ко всему сказанному, обладают способностью усваивать атмосферный азот (т.е. являются крайне неприхотливыми к питательным веществам). Фотосинтезирую­щие микро- организмы перспективны как продуценты аммиака, водорода, белка и ряда органических соединений. Однако прогресса в их использовании вследствие ограниченности фун­даментальных знаний об их генетической организации и молекулярно-биологических механизмах жизнедеятельности, по всей видимости, не следует ожидать в ближайшем будущем. 12

3. Определенное внимание уделяется таким объектам биотехноло­гии, как термофильные микроорганизмы, растущие при °С. Это их свойство является практически непреодолимым препятст­вием для развития посторонней микрофлоры при относительно не стерильном культивировании, т.е. является надежной защитой от загрязнений. Среди термофилов обнаружены продуценты спиртов, аминокислот, ферментов, молекулярного водорода. Кроме того, скорость их роста и метаболическая активность в 1,5-2 раза выше, чем у мезофилов. Ферменты, синтезируемые термофилами, характеризуются повышенной устойчивостью к нагреванию, некоторым окислителям, детер­гентам, органическим растворителям и другим неблагоприятным факто­рам. В то же время они мало активны при обычных температурах. 13

Так, протеазы одного из представителей термофильных микроорганизмов при 20 °С в 100 раз менее активны, чем при 75 °С. Последнее является очень важным свойством для некоторых промышленных производств. Напри­мер, широкое применение в генетической инженерии нашел фермент Tag-полимераза из термофильной бактерии Thermus aquaticus. Ранее уже упоминалось о еще одном весьма существенном свойстве этих организмов, а именно, что при их культивировании температура среды, в которой они пребывают, значительно превышает температуру окружающей среды. Данный высокий перепад температур обеспечивает быстрый и эффективный обмен тепла, что позволяет использовать био­логические реакторы без громоздких охлаждающих устройств. А по­следнее, в свою очередь, облегчает перемешивание, аэрацию, пеногашение, что в совокупности значительно удешевляет процесс. 14

2 Выделение и селекция микроорганизмов Неотъемлемым компонентом в процессе создания наи­более ценных и активных продуцентов, т.е. при подборе объектов в био­технологии, является их селекция. Главным путем селекции явля­ется сознательное конструирование геномов на каждом этапе отбора нужного продуцента. Такая ситуация не всегда могла быть реализована, вследствие отсутствия эффективных методов изменения геномов селек­ тируемых организмов. В развитии микробных технологий сыграли важную роль мето­ды, базирующиеся на селекции спонтанно возникающих измененных ва­риантов, характеризующихся нужными полезными признаками. 15

При та­ких методах обычно используется ступенчатая селекция: на каждом эта­пе отбора из популяции микроорганизмов отбираются наиболее актив­ные варианты (спонтанные мутанты), из которых на следующем этапе отбирают новые, более эффективные штаммы, и так далее. Несмотря на явную ограниченность данного метода, заключающуюся в низ­кой частоте возникновения мутантов, его возможности рано считать полностью исчерпанными. 16

Процесс селекции наиболее эффективных продуцентов значительно ускоряется при использовании метода индуцированного мутагенеза. В качестве мутагенных воздействий применяются УФ, рентгенов­ское и гамма-излучения, определенные химические вещества и др. Одна­ко и этот прием также не лишен недостатков, главным из которых явля­ется его трудоемкость и отсутствие сведений о характере изменений, по­скольку экспериментатор ведет отбор по конечному результату. 17

Напри­мер, устойчивость организма к ионам тяжелых металлов может быть свя­зана с подавлением системы поглощения данных катионов бактериаль­ной клеткой, активацией процесса удаления катионов из клетки или пе­рестройкой системы (систем), которая подвергается ингибирующему действию катиона в клетке. Естественно, знание механизмов повышения устойчивости позволит вести направленное воздействие с целью получе­ния конечного результата за более короткое время, а также селектиро­вать варианты, лучше подходящие к конкретным условиям производства. Применение пере­численных подходов в сочетании с приемами классической селекции яв­ляется сутью современной селекции микроорганизмов- продуцентов. 18

Напри­мер, устойчивость организма к ионам тяжелых металлов может быть свя­зана с подавлением системы поглощения данных катионов бактериаль­ной клеткой, активацией процесса удаления катионов из клетки или пе­рестройкой системы (систем), которая подвергается ингибирующему действию катиона в клетке. Естественно, знание механизмов повышения устойчивости позволит вести направленное воздействие с целью получе­ния конечного результата за более короткое время, а также селектиро­вать варианты, лучше подходящие к конкретным условиям производства. Применение пере­численных подходов в сочетании с приемами классической селекции яв­ляется сутью современной селекции микроорганизмов- продуцентов. 19