Вегетативное размножение растений клонирование
Добавил пользователь Cypher Обновлено: 19.09.2024
Говоря о клонировании, происходящем в природе или в лаборатории, необходимо представлять себе, что вся генетическая, т.е. наследственная, информация, необходимая для роста, развития, обмена веществ и размножения организмов, передается от родителей потомству в форме дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).
См. также НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ; НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ.
ДНК упакована в хромосомах, которых в клетке бывает от одной у некоторых одноклеточных до нескольких десятков у высших растений и животных. Генетического материала, находящегося всего в одной хромосоме крошечного одноклеточного существа вроде амебы, достаточно для осуществления всех его жизненных функций. Однако сложно устроенному животному для этого необходимо примерно 100 000 различных генов.
Прокариоты.
Прокариоты – это самые простые по строению одноклеточные организмы типа бактерий, в клетках которых нет оформленного ядра и многих органелл, свойственных клеткам эукариотов, т.е. эволюционно более продвинутых организмов. Обычно прокариоты размножаются бесполым путем, а именно простым делением клетки надвое. В результате они образуют клоны.
См. также КЛЕТКА; РАЗМНОЖЕНИЕ.
Эукариоты и многоклеточные животные.
Эукариоты характеризуются тем, что их клетки обладают многочисленными органеллами и ядром, в котором заключены хромосомы, т.е. ДНК. Некоторые из этих организмов – одноклеточные, но в большинстве случаев это многоклеточные формы, состоящие из многих различных по структуре и функциям эукариотных клеток. Некоторые простейшие, например амебы и парамеции, способны быстро размножаться путем деления надвое.
У многоклеточных животных произошла специализация клеток и сформировались половые клетки (гаметы), предназначенные для полового размножения. У низкоорганизованных многоклеточных встречается как половое, так и бесполое размножение. С усложнением и увеличением подвижности животных половое размножение стало преобладать. Оно обеспечивает сочетание в потомстве признаков обоих родителей, т.е. исключает образование клонов.
Партеногенез.
Клонирование в природе наблюдается в случае т.н. партеногенеза, когда потомство развивается из неоплодотворенной женской гаметы (яйцеклетки). Этот процесс широко распространен среди насекомых. Поскольку родительская особь всего одна, она генетически идентична потомкам и составляет с ними клон. У млекопитающих партеногенез можно искусственно стимулировать, но эмбрион погибает на ранних стадиях своего развития.
См. также ЯЙЦО; РАЗМНОЖЕНИЕ.
Размножение растений и получение рассады.
Среди сельскохозяйственных культур вегетативно размножают, например, бананы, ананасы, виноград и землянику. Особый способ клонирования, называемый прививкой, применяют в случае плодовых деревьев, в частности пекана, яблони и персика. Черенки, вырезанные из ветвей ценного в хозяйственном отношении экземпляра (привои), приращивают к укорененным растениям (подвоям) того же вида, а иногда и другого – близкого таксономически. Привой нормально растет и приносит плоды, не уступающие по качеству тем, что развиваются на материнском дереве.
Лабораторное клонирование антител.
Все позвоночные для защиты от инфекций вырабатывают особые белки – антитела. Разработаны методы их клонирования, позволяющие получать большие количества идентичных молекул. Произведенные таким образом антитела называются моноклональными. Эти высокоспецифичные вещества используются для определения концентрации ряда белков в жидкостях тела, например белковых гормонов, или для выявления раковых клеток (и возможного воздействия на них), что очень важно в научных исследованиях, а кроме того, является относительно недорогим методом диагностики некоторых заболеваний.
Клонирование генов.
Становится известно все больше специфических генов, связанных с развитием определенных болезней. Эти гены научились выделять из организма и присоединять к ним соответствующие промоторы, т.е. участки ДНК, управляющие их работой. Получаемые генные комплексы можно клонировать несколькими способами. Один из них – полимеразная цепная реакция (ПЦР), т.е. размножение нужного участка ДНК с помощью фермента полимеразы, что позволяет удваивать количество генных копий каждые несколько минут (см. также ПОЛИМЕРАЗНАЯ ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ). Клонированные таким образом гены можно затем ввести в организм животного (получив т.н. трансгенную особь), которое в результате приобретет способность синтезировать нужное вещество, например ценный фармацевтический продукт. Трансгенные животные служат также моделями для изучения ряда тяжелых болезней человека, в частности муковисцидоза.
Клонирование млекопитающих.
Выше уже приводились примеры разных типов клонирования в природе. Если любому зверю порезать кожу, клоны новых клеток быстро приходят на смену поврежденным. Однако клонирование целых высокоорганизованных организмов – процесс гораздо более сложный, чем заживление раны.
Зачем вообще клонировать животных? Во-первых, можно было бы воспроизводить ценные с той или иной точки зрения особи, например чемпионов пород крупного рогатого скота, овец, свиней, скаковых лошадей, собак и т.п. Во-вторых, превращение обычных животных в трансгенных сложно и дорого: клонирование позволило бы получать их копии. Проектируется производить трансгенных млекопитающих, способных синтезировать факторы свертывания человеческой крови и другие жизненно важные для нас продукты и выделять их в составе своего молока. Широкомасштабное развитие такой биотехнологии сэкономило бы огромные количества донорской крови, запасы которой ограничены и могли бы использоваться более эффективно.
Первые опыты.
Клонирование взрослых млекопитающих.
Открывающиеся перспективы.
Обзор
Автор
Редакторы
Спонсором приза зрительских симпатий выступила компания BioVitrum.
Сегодня существует ряд этических преград для дальнейшего развития клонирования, тем более в отношении человека. Некоторые мировые религии считают клонирование человека недопустимым. В некоторых странах клонирование запрещено вообще. В части стран запрещено клонирование, при котором воспроизводится целый многоклеточный организм [3].
Клонирование в биологии — это появление естественным или искусственным путем нескольких генетически идентичных живых организмов. Термин в том же смысле нередко применяют по отношению к одноклеточным организмам и клеткам многоклеточных организмов.
Естественное клонирование
В действительности, клонирование свойственно и растительному, и животному мирам. Например, вегетативное размножение растений, деление бактерий, клональное размножение ящериц. В том числе рождение близнецов у людей — тоже пример естественного клонирования.
Искусственное клонирование
Это группа методов, при которых целенаправленно создаются клоны молекул, клеток, многоклеточных организмов.
Бактериальное клонирование — это целенаправленное создание и выращивание бактериальных клонов для биотехнологий.
Молекулярное клонирование, при котором получают клоны фрагмента ДНК, а затем вставляют в необходимые клетки.
Искусственное клонирование многоклеточных организмов. При этом виде клонирования можно создать клоны клеток, тканей, целого органа или даже организма. Именно искусственное клонирование многоклеточных организмов является предметом споров и разногласий научного сообщества, религии, и предметом этой статьи.
Немного о биологии размножения многоклеточных организмов
Совокупность наследственного материала клетки называется геномом. Многоклеточные организмы — эукариоты. Одной из особенностей эукариотических клеток является то, что наследственный материал находится в ядре клетки в виде хромосом, а также в виде кольцевидной ДНК в митохондриях.
Хромосома — нитевидная структура, состоящая из ДНК и белков. Именно ДНК несет генетическую информацию. Например, в ядре клеток человека содержится 23 пары хромосом (то есть всего 46) [4]. В половых клетках человека содержится половина — 23 хромосомы. При соединении двух половых клеток — маминой и папиной — получается клетка зигота с 46-ю хромосомами (рис. 1). Зигота дает начало всем будущем клеткам и тканям организма. Таким образом, в естественных условиях все клетки многоклеточного организма несут генетическую информацию от своих отца (мужской гаметы) и матери (женской гаметы) [5]. Клетки, содержащие 23 хромосомы, называются гаплоидными, а содержащие все 46 хромосом — диплоидными. В организме млекопитающих все клетки, кроме половых, являются диплоидными соматическими [4], [6].
Рисунок 1. Результат оплодотворения — зигота человека
У разных млекопитающих — разное количество хромосом (см. табл.).
| Название млекопитающего | Количество хромосом диплоидного набора | Количество хромосом гаплоидного набора |
|---|---|---|
| Человек | 46 | 23 |
| Шимпанзе | 48 | 24 |
| Овца | 54 | 27 |
Немного истории клонирования
У клонирования сложный и тернистый путь.
В 40-х годах прошлого века советский ученый-эмбриолог Г.В. Лопашов проводил эксперименты по переносу клеточных ядер в энуклеированную (лишенную ядра) яйцеклетку земноводных. Аналогичные работы с земноводными проводили эмбриологи Т. Кинг и Р. Бриггс в США. В 50-х годах английский эмбриолог Д. Гордон пересаживал ядра соматических клеток в яйцеклетки лягушки. В 1963 году Тонг Дизхоу получал клоны карпа. В 1975 году были опубликованы результаты успешной работы Д. Бромхола по клонирования кроликов. В 1983 году Л.А. Слепцова и ее коллеги клонировали костистых рыб (вьюнов). В 80-х годах прошлого столетия ученый С. Вилладсен провел серию успешных опытов по клонированию сельскохозяйственных животных путем переноса в яйцеклетку ядра зародыша. В 1997 году Йэн Уилмат и Кейт Кэмпбелл из Шотландии объявили о прорыве: проведено клонирование овцы с использованием соматической, не зародышевой, клетки [1], [7]!
Долли — самка овцы, первое млекопитающее, которое смогли клонировать из зрелой соматической клетки путем замещения ядра. Технология получения этого клона была следующей.
Рисунок 2. Схема клонирования овцы Долли
Например, клонирование может помочь получить животных и растения с необходимыми параметрами, такими как плодовитость, устойчивость к болезням. Опыты с клонированием могут помочь в лечении болезней. Очень интересной является перспектива использования клонирования для восстановления популяции вымерших или вымирающих видов. Отдельного внимания заслуживают опыты терапевтического клонирования — получение культуры стволовых клеток для разработки новых методов терапии тяжелых заболеваний, например, онкологических [7].
Заводя ту или иную плодовую культуру, каждому из нас хочется застраховаться, чтобы не получить зараженное болезнями и вредителями растение, которое не только не порадует хорошим урожаем, но и заставит долгие годы (если, конечно, выживет) ждать первых плодов. Есть ли выход?
— Есть, — уверенно отвечает старший научный сотрудник отдела биохимии и биотехнологии растений Центрального ботанического сада НАН Беларуси Вероника Филипеня. — Это растения, полученные путем клонального микроразмножения. Обычно культуры размножают семенным и вегетативным способами. Но у каждого из них есть как свои преимущества, так и недостатки. Главный минус семенного размножения — генетическая пестрота получаемого посадочного материалa и длительный ювенильный период (то есть период до цветения и плодоношения). При вегетативном размножении ничего этого нет, но, увы, эффективность получения саженцев некоторых видов и сортов очень низкая. К тому же не всегда удается получать стандартный посадочный материал из–за возможного накопления инфекции в исходных растениях и переноса ее в укореняемый черенок. Сложно размножать растения и прививками.
— Это принципиально новый метод вегетативного размножения в условиях in vitro, то есть в пробирке. Он основан на способности изолированных частей растения, помещенных на определенные питательные среды, восстанавливать недостающие органы и таким образом регенерировать целый организм. Можно использовать клетки почти любых органов и тканей растения — зародыша, листа, стебля, семядолей, чешуек и донца луковицы, сегментов корней и зачатков соцветий. Главное — подобрать соответствующие питательные среды и условия стерилизации, чтобы избавить растительную ткань от инфекции.
— У нас это направление биотехнологии развивается с 80–х годов прошлого века, но особенно активно — последние два десятилетия. Уже есть около 30 лабораторий. Первой культурой, для которой было разработано и применено клонирование in vitro для массового получения посадочного материала, стал картофель. Оно и неудивительно: ведь мы — страна традиционного производства картофеля. Налаживается масштабное производство оздоровленного посадочного материала земляники, голубики высокорослой, брусники обыкновенной, декоративных растений (рододендроны, сирень, розы) и других ценных культур. Научные исследования по клональному микроразмножению растений проводятся в НИИ картофелеводства, НИИ плодоводства, Белорусской государственной сельхозакадемии, Институте генетики и цитологии НАН.
Одна из самых больших коллекций in vitro хозяйственно ценных цветочно–декоративных, нетрадиционных ягодных культур, а также редких и эндемичных видов собрана у нас в Центральном ботаническом саду. В ней более 250 видов и сортов. В связи с интенсивным развитием в Беларуси такого направления ягодниководства, как голубиководство, учеными ботсада разработаны методики и освоено масштабное производство саженцев голубики, отвечающих всем современным требованиям. В коллекции in vitro около 40 сортов голубики высокорослой.
— В первую очередь оно позволяет получить генетически однородный, оздоровленный (свободный от инфекций, в том числе вирусных) посадочный материал. Это и производство огромного числа растений (генетических копий) из минимального количества исходного материала, и круглогодичное размножение, и планирование выпуска продукции к определенному сроку, а также возможность размножения растений, трудно размножаемых традиционными способами. Для некоторых видов растений с одного исходного черенка, высаженного в пробирку, за год можно получить до 1 млн саженцев. Такого результата никогда не достичь обычными методами. Быстрое клонирование растительного материала in vitro также позволяет сократить селекционный процесс до 3 — 4 лет вместо 10 — 12 и достаточно быстро получить новые высокопродуктивные сорта.
— Этот метод давно вышел за рамки лабораторий и превратился в перспективное направление биотехнологии, направленное на масштабное производство декоративных, плодовых, ягодных, лесных и овощных культур. Уверена, что в ближайшее время в Беларуси клонирование in vitro станет основным способом получения качественного посадочного материала. Подтверждением этому служит постепенно увеличивающееся количество создаваемых лабораторий клонального микроразмножения, в том числе частных. А создание коллекций in vitro c использованием микроразмножения может стать важным инструментом поддержания биоразнообразия, сохранения и восстановления редких и исчезающих видов, занесенных в Красную книгу нашей страны.
— Технологии клонального микроразмножения разработаны более чем для 2.400 видов и сортов растений. В мировой практике этот метод широко используется в производстве безвирусного посадочного материала ряда важных сельскохозяйственных, в том числе технических (сахарная свекла, хмель, табак), овощных (томаты, картофель, огурцы, перец), плодовых (яблоня, слива, вишня, груша), ягодных (малина, смородина, голубика, земляника) и цветочно–декоративных (гвоздика, хризантема, роза, гербера) культур.
— С выбора исходного (донорного) растения и его части (то есть экспланта), которая в дальнейшем будет использоваться для размножения. Эксплант отделяют, стерилизуют и помещают на питательную среду. Ее состав подбирается для каждого вида, а в большинстве случаев — и сорта растений. Используют как твердые, так и жидкие питательные среды. При этом, кроме минеральной основы культуральных сред, внимание уделяется и регуляторам роста, особенно фитогормонам. В качестве питания используются различные углеводы: сахароза, глюкоза, фруктоза. А затем с учетом естественных условий произрастания при культивировании in vitro для растений устанавливают определенный температурный режим, интенсивность освещения и фотопериод.
— Оно начинается со стерилизации экспланта в асептических условиях бокса и с обработки ткани антибиотиками. Но таким образом удается освободиться в основном от бактерий, грибных инфекций и нематод. Вирусы, вироиды, микоплазмы все равно остаются в тканях инфицированных растений. Именно из–за вирусных болезней и погибает от 10 до 50% урожая сельскохозяйственных культур, размножающихся вегетативно. Если генетические тесты подтверждают наличие вирусов в клетках растений, то проводится термо– и химиотерапия в культуре in vitro.
— Конечно. Чем старше растение, тем оно более инфицировано и у него более низкий регенерационный потенциал. Важно и время года. При изолировании экспланта происходит механическое повреждение тканей, сопровождаемое резким усилением интенсивности биосинтеза фенольных соединений и их ферментативным окислением, в результате которого образуются токсические хиноны, вызывающие некроз и гибель экспланта. Больше всего фенольных соединений образуется в растениях летом и осенью. При разработке метода микроклонального размножения сотрудниками нашего ботанического сада было установлено, что большим регенерационным потенциалом у сортов голубики высокорослой и рододендронов обладают ювенильные, а у сортов брусники обыкновенной — зрелые части растений.
— Их четыре. Выбор растения–донора, изолирование эксплантов и получение хорошо растущей стерильной культуры. Вторым идет собственно микроразмножение, когда достигается получение максимального количества черенков в пробирках. Затем — укоренение размноженных побегов и последующая их адаптация к почвенным условиям. Заключительный этап — выращивание растений в теплице и подготовка их к посадке в поле.
Вот, к примеру, как проходит клональное размножение голубики по методике, разработанной в нашем ботаническом саду. На первом этапе идет отбор и оценка исходных растений. Здоровые с доказанной сортовой принадлежностью используют как источник эксплантов. Получение стерильной культуры голубики лучше всего проводить с февраля по август. Экспланты (кусочки побегов с двумя пазушными почками) отделяют, выдерживают в течение 30 минут в стерилизующем растворе и высаживают на специально подобранные для первого этапа питательные среды. Через 2 — 4 недели из пазушных почек начинают развиваться новые побеги. Главная задача второго этапа — массовое размножение стерильных растений. Для увеличения эффективности размножения побеги черенкуют и пересаживают на среду другого состава, подобранную специально для тиражирования растительного материала. Такое черенкование проводят до тех пор, пока не получится необходимое количество саженцев. На третьем этапе побеги укореняют. Это можно сделать как в пробирках, так и в почвенном субстрате. Растения с хорошо развитой корневой системой осторожно вынимают из колб или пробирок. Корни отмывают от остатков питательной среды и высаживают в почвенный субстрат (нераскисленный торф или смесь торфа и перлита (3:1), предварительно простерилизованный в автоклаве. Для стимуляции образования корней используют различные гормоны, такие как ауксин или индолилмасляная кислота в концентрации 0,5 — 1 мг/л. Длительность корнеобразования, как правило, составляет 3 — 6 недель. Чтобы растения не пересыхали, их укрывают пленкой на 10 — 14 дней для поддержания высокой влажности. Емкости с растениями ставят в теплицу, в которой можно регулировать температуру, свет и влажность. Для лучшего роста хорошо бы создать и условия искусственного тумана. На четвертом этапе микрорастения приучают к обычным условиям роста. Пересадка растений–регенерантов в субстрат — ответственный этап, завершающий процесс клонального микроразмножения. Лучшее время для пересадки пробирочных растений — весна и лето.
По мере роста растения рассаживают в емкости побольше со свежим субстратом. И выращивают в соответствии с агротехникой данной культуры. Если растение прижилось и начало расти, то заложенного в нем в лаборатории здорового потенциала хватит на долгие годы. Поэтому не стоит бояться приобретать саженцы, выращенные в пробирке.
Растения размножаются черенками, отростками, усиками - это и есть клонирование. Зачем применять этот способ? Гроумир расскажет!
Одно материнское растение - много новых растений. Очень удобный способ размножения растений. Вы выращивали одно растение в маленьком и тесном гроубоксе и вот решили, что это хобби подходит для вас и вы решаете увеличить количество выращиваемых растений.
Что же делать если нет денег на семена?
Ответ прост: Клонируй свое любимое растение!
Что делать всхожесть семян плохая и вы не можете купить семена хорошего качества?
Ответ тот же: Клонирование! Ваше растение получилось отличным? Если ответ "ДА" - смело клонируй!
У вас нет денег на хорошие семена или не уверенны в продавце семян?
Ответ все тот же: Клонирование. Попросите ваших друзей поделиться крошечной частью их растения! Удобно, бесплатно, да и выбрать можно лучшее растение.
Препараты для клонирования можно найти здесь: Смотреть
Клонирование растений открывает перед растениеводами большое количество преимуществ. Гроумир перечисляет некоторые из них:
- Клон является практически идеальной и достаточно точной копией материнского растения, поэтому он будет развивать точно так же.
- Одно растение = много растений! Нужно немного подождать! Не нужно покупать семена.
- Опыт. Опыт важен в любом деле. Вы уже опытны и хорошо знаете ваше растение. Вы лучше позаботитесь о своих новых растения, так как вы имеете опыт и знания по уходу материнского растения.
- Экономия времени. Клоны сильнее рассады, они быстрее развиваются, а это значит, что вы быстрее получите урожай.
- Точь в точь! Клонирование позволяет сохранить генетику материнского растения, которое ты выбрал за лучшее качество плодов, а это означает, что урожай у клона будет хорошим.
В то время когда я начинал я еще не знал о клонировании. У моего друга как раз был лудший экземплярчик. Друг уже забросил это дело, а я все жалею, что был таким незнающим. Результаты у меня из семян неудачные, всхожесть редкая, очень маленькие и дохленькие. Не то что бы я зажал пару тысяч на удобрениях или лампе, я потратился по моим меркам неплохо: 40 000 рублей для бокса 160 высотой и габаритами 80 и 60. А результаты так себе. Теперь всерьез задумываюсь о клонировании, тем более его рекомендуют продавцы.
Читайте также: