Современные проблемы в агрономии: учеб. По- собие Ч. 2/ Н. В. Кригер, Н. В. Фомина; краснояр. Гос. Агр. Ун-т. – красноярск, 2011. – 256 С.

Учебное пособие написано в соответствии с требованиями дей ствующего Государственного образовательного стандарта для на правления 110200 – Агрономия. Во второй части пособия проанализирована проблема применения микробных почвоудобрительных препаратов, особое внимание уделено применению биотехнологических методов в растениеводстве, описаны современные фиторемедиационные технологии и принципы фитомелиорации почв. Данное учебное пособие предназначено для студентов, бакалав- ров, магистрантов, аспирантов и преподавателей, специализирую щихся в области агрономических исследований, для студентов агроэкологических специальностей и для широкого круга исследователей.

ББК 20.1я73 © Кригер Н.В., Фомина Н.В., 2010 © Красноярский государственный аграрный университет, 201 3

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ РАЗДЕЛ

1. Использование биотехнологических методов в расте ниеводстве.............................................................................................. 5

1.1. Клеточная и тканевая биотехнология растений.................... 81 1.2Культивирование тканей и клеток высших растений........ 9 1.

1.3. Каллусогенез как основа создания клеточных культур....

1.4.Гормононезависимые растительные ткани........................ 20 1. 1.5Суспензионные культуры.................................................... 23 1.1.5. Культивирование одиночных клеток................................... 26 1.2.

Культура изолированных клеток............................................ 29 1.2.1. Гибридизация соматических клеток.................................... 29 1.2.2. Клональное микроразмножение........................................... 35 1.3.

Получение трансгенных растений с улучшенными качествами 45 1.3.1. Генная инженерия растени 49 1.4.

Современные подходы в селекции растений 71 1.5.

Ограничения и опасности генетической инжененрии 88 1.5.1.

Трансгены «за» и «против» 100 1.5.2.

Экологогенетические основы селекции на устойчивость растений к вредным видам 116 1.5.3.

Получение трансгенных растений, устойчивых к стрессовым воздействиям Получение трансгенных растений, устойчивых к насекомым 123 1.5.5. Получение трансгенных растений, устойчивых к грибной, бактериальной и вирусной инфекции.

Получение трансгенных растений, устойчивых к гербицидам 125 1.6. Увеличение фотосинтетических возможностей культурных растений с помощью генной инженерии 130 1.7.

Улучшение аминокислотного состава белков злаковых и некоторых других культур методами инженерии белков 138 1.8.

Повышение устойчивости растения к ранним заморозкам 144 РАЗДЕЛ

2. Проблема применения микробных почвоудобрительных препаратов 148 2.1. Препараты азотфиксирующих микроорганизмов 150

2.2. Препараты фосфатмобилизующих микроорганизмов 168

2.3. Комплексные микробные почвоудобрительные препараты 173

 

РАЗДЕЛ 3. Современные фиторемедиационные технологии 178

3.1. Фитоэкстракция 180

3.2. Ризофильтрация 183 4

3.3. Ризодеградация 184

3.4. Фитодеградация 185

3.5. Фитоволотализация 187

3.6. Фитогидравлика 188

3.7. Критерии подбора растений для фиторемедиации 188

3.8. Трансгенные растения для фиторемедиации 190

 

РАЗДЕЛ 4. Фитомелиорация почв....................................................... 196

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………… 210 ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЭКЗАМЕНУ............................. 213 ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ............................................... 216 ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ.......................................................................... 234 РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА.................................................. 254 5

 

РАЗДЕЛ 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ

 

Цель: рассмотреть и изучить биотехнологические приемы, используемые в настоящее время в растениеводстве.

Биотехнология – это управляемое получение полезных для народного хозяйства, а также медицины целевых продуктов с помощью биологических агентов: микроорганизмов, вирусов, клеток животных и растений, а также с помощью внеклеточных веществ и компонентов клеток.

В последнее время понятие биотехнологии имеет тенденцию расширяться: ряд специалистов к этой отрасли относит также целенаправленное конструирование одного из компонентов биотехнологической системы – биологического агента (штамма-продуцента) с применением рекомбинантной техники и клеточной инженерии. Определить, что такое биотехнология, не- легко, так как эта область широко интегрирует с другими разделами науки и техники. Биотехнология стыкуется с такими отраслями, как молекулярная биология, генетика и генная инженерия (создание биологических агентов), биохимия и микробиология (управление процессами биосинтеза), физическая химия и электрохимия (создание биосенсоров), химическая технология (создание реакторов и другой аппаратуры) и т. д. Биотехнология имеет глубокие исторические корни, а за последние 10 – 15 лет бурного развития оформилась как отдельная отрасль науки и производства. Можно выделить четыре основных этапа развития биотехнологии:

1) биотехнология пищевых продуктов, в том числе продуктов брожения;

2) биотехнология органических кислот, растворителей и биомасс в нестерильных условиях, биотехнология вакцин;

3) биотехнологические процессы в стерильных условиях (эра антибиотиков);

4) современный этап: применение ферментов, в том числе иммобилизованных ферментов и клеток; применение достижений молекулярной биологии и генной инженерии (рекомбинантные ДНК, моноклональные антитела и др.);развитие новых технических средств – датчиков, биореакторов, контрольно-измерительных систем, техники очистки и концентрирования, компьюторных программ.

Основными компонентами биотехнологического процесса являются биологический агент, субстрат, целевой продукт, аппаратура и совокупность методов для управления процессом.

В большинстве стран, в том числе в России, биотехнология рассматривается как приоритетное направление, во многом определяющее технический прогресс и развитие общества. Главные направления развития биотехнологии обусловлены, с одной стороны, потребностью в определенных продуктах и энергии при одновременно имеющем место накоплении масс неиспользуемого сырья, в том числе отходов; с другой – появлением новых результатов фун- даментальных исследований.

Сфера приложения биотехнологических процессов расширяется, особенно в сельском хозяйстве. Центральной концепцией сельскохозяйственной биотехнологии будущего, видимо, станет получение полноценных пищевых продуктов прямо из растительного сырья, минуя животный организм, поскольку и растительный протеин, и энергия, как известно, имеют низкий коэффициент перехода в продукцию животноводства.

При использовании существующей сейчас схемы получения мясо-молочных продуктов – поле – животные – человек – в будущем ожидается выращивание полноценных кормов (белок, лизин и др.) непосредственно в процессе фотосинтеза с одновременным сокращением крупнотоннажного микробного синтеза белка, лизина и других компонентов. Известны процессы круговорота основных химических элементов в природе, но они и их взаимосвязи изучены недостаточно. Например, при более детальном изучении нитрификации и денитрификации можно сделать эти процессы управляемыми. Сегодня 40 – 50% фиксированного азота теряется в процессе денитрификации, минуя растения. Современная биотехнология и биотехнология будущего могут целенаправленно интенсифицировать и дополнять новыми звеньями и циклами круговорот химических элементов. Наиболее быстрыми темпами развивается биотехнология растений в различных ее проявлениях. Что могут и что практически делают биотехнологи – клеточные и генные инженеры?

Используя новые методы, они создают генотипы растений с улучшенными или принципиально новыми качествами, с групповой или комплексной устойчивостью к биотическим и абиотическим факторам среды.

Важнейшей задачей генетиков, биотехнологов и селекционеров, без решения которой невозможно добиться поставленной цели, была и остается идентификация эффективных генов, детерминирующих важнейшие признаки устойчивости растений к стрессовым факторам среды. Эту сложную работу осуществляют специалисты многих генетических центров и лабораторий мира на основании изучения растительных ресурсов. Для этого в первую очередь используют выявленные и изученные источники и доноры устойчивости. Создание банков эффективных генов во многих странах только начинается. Важным этапом работы по генетической трансформации растений является выделение и клонирование генов, создание на их основе векторов для переноса чужеродных генов в клетки-реципиенты. Использование плазмидных, транспозонных, вирусных, пневмобалистических и других векторных систем позволяет исследователям осуществлять трансформацию растительных генотипов и получать транс генные растения с заданными свойствами или близкими к ним качественными характеристиками.

По генноинженерной технологии в ведущих биотехнологических центрах и лабораториях мира, прежде всего в США, Японии, Германии, Голландии, Франции, Китае, Индии, получены устойчивые формы растений: хлопчатника – к хлопковой совке; риса – к перикуляриозу; картофеля – к колорадскому жуку и фитофторе; пшеницы – к засолению; сахарной свеклы – к ризомании; рапса – с тремя нулями качества – к грибным заболеваниям.

Посевные площади, занятые под трансгенными сортами и гибридами сельскохозяйственных растений в производстве, уже занимают в мире более 17 млн га и постоянно расширяются. Существовавший ранее тотальный запрет на внедрение в производство трансгенных растений и других биологических объектов, полученных генноинженерными методами, постепенно ослабевает при сохраняющемся высоком уровне государственного контроля, надежности и безопасности их использования. Нессмотря на сложность и большую наукоемкость генноинженерных работ на первом этапе развития биотехнологии, в научных учреждениях сельскохозяйственного профиля получили большое развитие клеточные технологии, позволившие создать в значительных объемах сомаклональные варианты растений на основе суспен- зионных и клеточных культур, гаплоидных и автодигаплоидных вариантов пыльниковой и пыльцевой культуры; регенерантов из эмбриоидов, сформировавшихся в каллусных тканях, полученных из незрелых зародышей и других органов растений.

Почти два десятилетия активной работы биотехнологов в селекционных и биотехнологических центрах позволили получить сотни и тысячи регенератов растений с ценными свойствами: повышенной устойчивостью к засухе, высоким и низким температурам, засолению, опасным грибковым, бактериальным и вирусным заболеваниям, повышенной кислотности почвы и др.

В Государственный реестр внесены отечественные сорта зерновых и других культур, полученные отечественными селекционерами с использованием биотехнологических методов. В России, как и во многих других странах мира, создана правовая основа для проведения подобных исследований и использования полученных результатов.