Главная » Публикации » 2014 » Октябрь » 11

Курс "Биотехнология" в средней школе


Оцените материал!
Введение В настоящее время биотехнология является важнейшим направлением современной науки и практики, и значение её возрастает с каждым годом. В Тамбовской области обучению основам биотехнологии уделяется значительное внимание в первую очередь силами Мичуринского государственного аграрного университета. Однако среди школьников изучение данного раздела проводится недостаточно. Вот почему курс «Биотехнология» является перспективным. Часть 1. Общие вопросы биотехнологии Тема 1. Введение в биотехнологию. История развития биотехнологии В самом начале изучения курса «Биотехнология» обучающимся следует вспомнить такие разделы общей биологии, как «Генетика», «Микробиология», «Молекулярная биология», «Цитология», а также основные биологические термины: «ген», «нуклеиновые кислоты», «митохондрии», «клеточные мембраны», «рибосомы», «мейоз», «кроссинговер», «оперон» и др. Опираясь на знания, полученные при изучении различных разделов общей биологии, следует сформировать представление о биотехнологии, отметив её теоретическое и практическое значение. Необходимо указать, что методы биотехнологии позволяют ускорить массовое производство жизненно необходимых белков, существенно облегчают технологии получения незаменимых аминокислот, применяются для оздоровления растений и животных. Но особенно большие возможности биотехнология (в частности генетическая инженерия) открывает перед медициной, поскольку с её помощью стали возможными новые методы диагностики и лечения различных заболеваний человека. При изучении истории биотехнологии следует отметить, что впервые термин «биотехнология» был применён венгерским инженером Карлом Эреки в 1917 году. В этой же теме необходимо указать периоды важнейших биотехнологических событий: 1) в 1973 г. в печати появилась информация об успешном переносе генов из одного организма в другой, т. е. фактически о технологии рекомбинантной ДНК, давшей начало генетической инженерии; 2) в 1980 г. Верховный суд США постановил, что эксперименты в области биотехнологии и генетической инженерии могут быть запатентованы; 3) в 1990 г. - произошли два принципиально важных события: во-первых, было разрешено использование генотерапии (но лишь применительно к соматическим клеткам человека, а значит без передачи чужеродных генов потомству); во-вторых, был утвержден международный проект «Геном человека», который послужил юридическим разрешением человеку для познания своей сущности. Тема 2. Промышленная биотехнология Рассматривать промышленное значение биотехнологии следует с её роли в медицине, фармацевтике и производстве пищевых продуктов. Необходимо указать, что современные биотехнологи разрабатывают новые проекты, в которых культуры клеток и микроорганизмов являются источниками энергии, аминокислот, гормонов, лекарственных препаратов. Также создаются новые способы биологической очистки окружающей среды. На следующем этапе изучения темы следует обосновать экономическую эффективность биотехнологических исследований. Ведь несмотря на то что на сегодняшний день затраты на проекты биотехнологов весьма значительны, нельзя не согласиться с тем, что в будущем они себя оправдают. Вот почему транснациональные компании, деятельность которых связана с добычей и переработкой нефти, химической промышленностью, фармацевтикой, вкладывают огромные средства в биотехнологические проекты. Тема 3. Перспективы биотехнологии Содержание данной темы связано с дальнейшим прогрессом в области биотехнологических исследований. Современные учёные всего мира делают свои прогнозы, говоря о будущей пользе проектов, связанных с биотехнологией. Вот важнейшие из них: 1. Создание новых азотфиксирующих растений. 2. Производство аминокислот из одноклеточных организмов. 3. Селекция культур, устойчивых к вредителям. 4. Получение бактерий, производящих заменители нефтехимикатов. 5. Использование генной инженерии для лечения генетических заболеваний. 6. Использование генетического скрининга для извлечения генов, ответственных за врождённые дефекты. 7. Целостное исследование иммунологических процессов. Несмотря на многочисленные перспективы биотехнологии, нельзя не упомянуть о проблемах, возникающих при использовании результатов лабораторных исследований на практике. Во-первых, зачастую методы биотехнологии остаются весьма дорогостоящими. Во-вторых, синтез многих фармацевтических препаратов связан с большими трудностями из-за долгих испытаний по токсичности и безопасности. Наконец, нельзя забывать о человеческом факторе: необходима качественная подготовка новых специалистов-биотехнологов. Часть 2. Основные биотехнологические процессы Тема 4. Культура растительных клеток, тканей и органов Данную тему рекомендуется изучить более подробно, поскольку практикум по биотехнологии посвящён именно ей. Школьникам важно понять, почему в настоящее время культура in vitro изолированных органов и тканей растений является одним из важных направлений отечественной и зарубежной биотехнологии. В теме «Культура растительных клеток, тканей и органов» следует выделить несколько основных разделов. 1. . Выбор исходного экспланта В качестве исходного экспланта могут служить различные части растительного объекта: стебли, корни, листья, части цветка, пыльники, зародыши, гипокотили, семядоли. Выбор экспланта зависит от задач, которые ставит перед собой исследователь. Чаще всего используют культуру изолированных меристем, что позволяет быстро размножить генетически однородные растения-регенеранты, а также получить оздоровленный материал. 2. Получение стерильного растительного материала В настоящее время большинство исследователей-биотехнологов при стерилизации исходного растительного материала отдают предпочтение растворам веществ, содержащим активный хлор или ртуть Наиболее распространённым стерилизующим агентом является хлорид ртути (сулема). В отдельных случаях экспланты обрабатывают ещё диоцидом, раствором хлорной извести или раствором перекиси водорода. Р. Г. Бутенко (1964) рекомендует дополнительно обрабатывать экспланты этиловым спиртом. 3. Выбор минерального состава питательных сред для каллусогенеза и регенерации Установлено, что из неорганических факторов среды для морфогенеза большое значение имеют азотосодержащие минеральные соли. Содержание NH4+ в питательной среде необходимо для начала морфогенеза; присутствие в среде NO3ˉ служит для роста и развития новообразований. Многие авторы считают важным фактором регенерации оптимальное соотношение аммонийного и нитратного азота, и это соотношение зависит от генотипа исходных растений. 4. Подбор регуляторов роста для каллусогенеза и регенерации Основными регуляторами роста (фитогормонами) в питательных средах служат ауксины и цитокинины. Для эффективного морфогенеза в культуре in vitro необходимы определённые сочетания и концентрации ауксинов и цитокининов. Преобладание ауксинов в среде способствует корнеобразованию, а преобладание цитокининов вызывает закладку почек, стеблей и листьев. Рост массы каллусной ткани эффективнее всего происходит, если количество ауксинов в среде примерно равно количеству цитокининов. В состав некоторых питательных сред входят гиббереллины. Их функция заключается в участии в клеточном растяжении и повышении митотической активности меристем. Самым распространённым соединением данной группы веществ является гибберелловая кислота (ГК). 5. Использование углеводов, витаминов, аминокислот и антиоксидантов в питательных средах Углеводы. Накопление биомассы каллусов и регенерантов в культуре листовых эксплантов обеспечивается за счёт углеводов питательной среды. Оптимальное количество углеводов в питательной среде специфично для отдельных культур. Витамины. Отмечено, что при культивировании in vitro различных эксплантов малины оптимальный витаминный состав ещё не определён. Наиболее важное значение имеют витамины группы В, необходимые для процессов фотосинтеза, дыхания и размножения. Аминокислоты. С целью оптимизации процессов каллусогенеза в состав питательных сред вводят аминокислоту глицин и азотистое основание аденин. Установлен положительный эффект при использовании флороглюцина. Антиоксиданты. Добавление антиоксидантов в питательную среду положительно сказывается на морфогенезе, в частности, увеличивает количество адвентивных побегов. Тема 5. Культивирование животных клеток и тканей. Данная тема, как правило, вызывает наибольший интерес у обучающихся, поскольку здесь идёт речь и о клонировании человека и животных. В целом следует отметить, что уже сейчас становится возможным использование культуры животных клеток и в медицине, в частности в клеточной терапии, позволяющей восстанавливать повреждённые ткани (кожные покровы после ожогов, слизистые оболочки после поранения) путём трансплантации здоровых клеток, полученных in vitro . На сегодняшний день в промышленных масштабах с применением клеток человека и животных практикуется производство различных вакцин, гормонов, интерферонов, эритропоэтина, ферментов и др. Всё более широкое распространение получает выведение трансгенных животных с заданными ценными признаками. В перспективе метода культуры животных клеток и тканей возможно производство мышечной и жировой тканей, которые могут быть использованы в мясной промышленности в качестве замены мяса сельскохозяйственных животных. Тема 6. Роль микроорганизмов в биотехнологии В биотехнологических процессах используют более ста тысяч видов полезных микроорганизмов, которых относят к шести основным группам: 1. Бактерии 2. Актиномицеты 3. Дрожжи 4. Плесени 5. Простейшие 6. Вирусы. Культивировать микроорганизмы возможно лишь при соблюдении условий, обеспечивающих возможности их полноценного функционирования. Синтетические питательные среды, применяемые для культивирования микроорганизмов, являются стерильными. Они должны содержать органические и неорганические вещества. Среди органических важнейшими являются белки, жиры, углеводы, витамины и гормоны. Из неорганических веществ в составе среды используют минеральные соли и ионы металлов. Тема 7. Генетическая инженерия Данная тема является самой сложной из всего курса биотехнологии. В то же время это наиболее перспективное направление в этой области. При переходе к теме «Генетическая инженерия» обучающиеся должны вспомнить все основные фазы мейоза, в том числе процесс кроссинговера - обмена участками гомологичных хромосом, а также роль нуклеиновых кислот в синтезе определённых белков клетки. В самом начале изучения генетической инженерии учитель должен чётко сформулировать основополагающие понятия данной темы: «рекомбинантные ДНК» и «генетически модифицированные организмы». Далее следует пояснить, что метод генетической рекомбинации предназначен для выделения ДНК из различных видов, а также для введения рекомбинантных участков в клетки живых организмов с целью появления нового признака. После этого обучающиеся знакомятся главными практическими задачами генной инженерии: 1. Разработка способов изоляции генов. 2. Разработка способов переноса генов в организм. 3. Модификация отдельных клеток в различных живых системах. 4. Отбор генетически модифицированных организмов (ГМО), обладающий новыми полезными признаками. Часть 3. Практикум. Практическая работа обучающихся по биотехнологии имеет весьма существенное значение для профориентации и трудового воспитания. По сути это научно-исследовательский проект, требующий глубокого осмысления, тщательной подготовки и регулярных наблюдений. Практическая деятельность обучающихся в области биотехнологии требует обязательного сотрудничества школы с вузами или научными учреждениями, и это сотрудничество также имеет ряд положительных черт. Во-первых, обучающиеся могут определиться с выбором будущей специальности; во-вторых, учитель биологии имеет возможность повысить качество собственных знаний; в-третьих, научный поиск в целом благотворно сказывается на интеллектуальных возможностях обучающихся и повышает их личностный потенциал. Из всех направлений биотехнологии для практической работы обучающихся лучше всего подходит культивирование различных эксплантов растений in vitro. Данная работа, безусловно, должна осуществляться в лаборатории биотехнологии вуза или научного учреждения с помощью квалифицированного научного руководителя. Структура практического занятия по биотехнологии Каждое практическое занятие по биотехнологии должно отвечать следующим требованиям: 1) обеспечивать технику безопасности во время работы в лаборатории; 2) учитывать контингент обучающихся (возраст, уровень теоретической подготовки, желание продолжить обучение в данной области); 3) содержать задания, доступные для выполнения школьников; 4) быть интересным для обучающихся; 5) иметь целостность и законченность и сочетаться с предыдущими и последующими занятиями. В целом практическая работа школьников по культивированию различных эксплантов растений in vitro должна содержать следующие разделы: 1. Приготовление питательных сред. Учитель либо научный руководитель сначала показывает, как работать с лабораторными весами, затем подробно описывает состав питательных сред, предлагает обучающимся самостоятельно ознакомиться с методическими разработками, и только после этого следует непосредственно начать приготовление. 2. Введение эксплантов в культуру in vitro. Вначале экспланты промывают, затем подвергают стерилизации (кроме бутонов при андрогенезе in vitro) согласно методике и только после этого высевают непосредственно на приготовленную среду. После этого обучающиеся заполняют таблицу, в которой указывают количество введённых в культуру эксплантов (меристем, листовых дисков, пыльников), а также количество исследуемых сортов растений. 3. Каллусогенез и регенерация. Развитие эксплантов в культуре in vitro идёт двумя путями: а) сразу образуются эмбриоиды – молодые регенеранты; б) вначале появляются каллусы, и только из них образуются регенеранты. В своих таблицах обучающиеся указывают количество образующихся каллусов и регенерантов и вычисляют процент каллусогенеза и регенерации по каждому исследуемому сорту. 4. Адаптация регенерантов к условиям in vivo. Полученные регенеранты укореняют в питательной среде, а затем переносят в защищённый грунт. В таблице обучающиеся должны отметить количество адаптированных растений. Заключение. Данные методические рекомендации носят прежде всего ознакомительный характер, и каждый учитель может вносить свои дополнения и изменения в изучение курса биотехнологии. На курс «Биотехнология» отведено незначительное количество часов, но и при таком подходе обучающиеся могут решить, следует ли им продолжить образование в этой области или нет. Чтобы помочь школьникам в этом выборе, учитель должен найти применение теоретическим знаниям в практической деятельности не только во время аудиторных занятий, но и в научной лаборатории. Литература 1. Атанасов, А. Биотехнология в растениеводстве / А. Атанасов.- Новосибирск: ИциГ СО РАН, 1993.- 242 с. 2. Бабаева, С. А. / С. А. Бабаева, Т. Ф. Петрова, А. К. Гапоненко // Цитология и генетика.-1994.-Т. 28, № 4.- С. 23. 3. Батыгина, Т. Б. Культура изолированных пыльников злаков с позиции экспериментальной эмбриологии растений : Методологические аспекты / Т. Б. Батыгина, Н. Н. Круглова, В. Ю. Горбунова.- Уфа: БНЦ УрО РАН, 1992.- 32 с. 4. Белоусов, Л. В. Биологический морфогенез / Л. В. Белоусов.- М.: Изд-во МГУ, 1987 .- 239 с. 5. Бутенко, Р. Г. Культура изолированных тканей и физиология морфогенеза растений / Р. Г. Бутенко.- М.: Наука, 1964.- 272 с. 6. Бутенко, Р. Г. Перспективы исследований в культуре клеток и тканей растений / Р. Г. Бутенко // Культура клеток растений : Тр. II Всесоюзн. конф.- Киев : НАУКОВА ДУМКА, 1978.- С. 5-11. 7. Бутенко, Р. Г. Изолированные протопласты растений − объект и модель для физических исследований / Р. Г. Бутенко // Культура клеток растений.- М.: НАУКА, 1981.- С. 69-84. 8. Бутенко, Р. Г. Гормональная регуляция онтогенеза растений / Р. Г. Бутенко.- М.: Наука, 1984.- С. 42. 9. Верзилин, А. В. Использование биотехнологии для усовершенствования селекционного процесса клоновых подвоев яблони с целью его ускорения / А. В. Верзилин, Д. В. Иванов, Ю. В. Трунов // Использование биотехнологических методов для решения генетико-селекционных проблем : Сб. докл. XVIII Мичуринских чтений, 27-29 октября 1997.- Мичуринск, 1998.- С. 63-66. 10. Внучкова, В. А. Разработка метода получения растений-регенератов томата в условиях культуры ткани / В. А. Внучкова // Тканевые и клеточные культуры в селекции растений.- М.: Колос, 1979.- С. 14-23. 11. Волосевич, Н. Н. Изучение методов стерилизации при введении в культуру in vitro малины красной / Н. Н. Волосевич // Плодоводство : науч. Тр. – Самохваовичи, 2006. – Т. 18, ч. 2. – С. 169-173. 12. Высоцкий, В. А. Клональное микроразмножение некоторых форм груши / В. А. Высоцкий // Международная науч. конф. «Биология культивируемых клеток и биотехнология» : Тез. докл.- Новосибирск, 1988.- Ч.2.- С. 317-318. 13. Высоцкий, В. А. Биотехнологические приёмы в современном садоводстве / В. А. Высоцкий // Садоводство и виноградарство.- 2006.- №2.- С. 2-3. 14. Высоцкий, В. А. Регенерация растений земляники нейтральнодневных и ремонтантных сортов в культуре листовых дисков и пыльников / В. А. Высоцкий, Л. В. Алексеенко // Плодоводство и ягодоводство России : Сб. науч. тр.- М., 2005.- С. 330-336. 15. Высоцкий, В. А. Особенности клонального микроразмножения актинидии / В. А. Высоцкий, Л. В. Бартеньева // Международная науч. конф. «Биология культивируемых клеток и биотехнология» : Тез. докл.- Новосибирск, 1988.- Ч. 2.- С. 317-318. 16. Высоцкий, В. А. Введение в культуру дикорастущих видов актинидии, способы размножения in vitro / В. А. Высоцкий, Л. В. Бартенева, М. Т. Упадышев // Интенсификация размножения плодовых и ягодных культур : Сб. науч. тр. ВНИИС им. И. В. Мичурина.- Мичуринск, 1990.- С. 39-40. 17. Высоцкий, В. А. Особенности регенерации растений изолированными пыльниками и листовыми дисками ягодных культур in vitro / В. А. Высоцкий, М. Т. Упадышев, Ф. Р. Соломонова // Сельскохозяйственная биология.- 1998.- №3.- С. 44-50. 18. Высоцкий, В. А. Выращивание посадочного материала in vitro в производственных условиях / В. А. Высоцкий, А. А. Шипунова // Промышленное производство оздоровленного посадочного материала плодовых, ягодных и цветочно-декоративных культур : Мат. междунар. науч.-практ. конф., 20-22 ноября 2001.- М., 2001.- С. 75-76. 19. Гамбург, К. З. Ауксины в культурах тканей и клеток растений / К. З. Гамбург, Н. И. Рекославская, С. Г. Швецов.- Новосибирск : Наука, 1990.- 243 с. 20. Гамбург, К. З. Биохимия ауксина и его в действие на клетки растений / К. З. Гамбург. – Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1976. – 271 с. 21. Гапоненко, А. К. Перспективы использования культуры клеток растений в селекции / А. К. Гапоненко // Успехи современной биологии.- 1987.- Т.4.- С. 64-68. 22. Жуков, О. С. Методические рекомендации по получению растений-регенерантов плодовых пород в культуре пыльников / О. С. Жуков, О. Я. Олейникова, Н. И. Савельев.- Мичуринск: ВНИИГ и СПР имени И. В. Мичурина РАСХН, 1994.- 36 с. 23. Жуков, О. С. Методические рекомендации по получению растений-регенерантов плодовых пород в культуре пыльников / О. С. Жуков, О. Я. Олейникова, Н. И. Савельев.- Мичуринск: ВНИИГ и СПР имени И. В. Мичурина РАСХН, 2009.- 51 с. 24. Здруйковская-Рихтер А.И. Культура зародышей in vitro и получение новых форм растений: Автореф. дис. … д-ра биол. наук. - М., 1981.-33 с. 25. Ибрагимов, А. К. Наземные и водные экосистемы / А. К. Ибрагимов.- Горький: Изд-во ГГУ, 1978.- С. 85. 26. Кулаева, О. Н. Новейшие достижения и перспективы в области изучения цитокининов / О. Н. Кулаева, В. В. Кузнецов // Физиол. раст. – 2002. – Т. 49, № 4. – С. 626 – 640. 27. Методические рекомендации по использованию биотехнологических методов в работе с плодовыми, ягодными и декоративными культурами / Сост.: Е. Н. Джигадло, М. И. Джигадло, Л. В. Голышкина.- Орел, 2005.- 50 с. 28. Миронова, О. Ю. Разработка технологий клонального микроразмножения растений / О. Ю. Миронова // Биотехнология как инструмент сохранения биоразнообразия растительного мира : Матер. Всерос. науч.-практ. конф., г. Волгоград, 24-25 августа 2006 г.- Волгоград: Издатель, 2006.- С. 71-74. 29. Муравлёв, А. А. Культура пыльников в селекции ярового рапса : автореф. дис. … канд. биол. наук / А. А. Муравлёв.- Саратов: ГНУ ВНИ и ПТИР, 2007.- 24 с. 30. Муратова, С. А. Особенности клонального микроразмножения некоторых видов ягодных и декоративных культур / С. А. Муратова, М. Б. Янковская // Промышленное производство оздоровленного посадочного материала плодовых, ягодных и декоративных культур : Матер. межд. науч.-практ. конф., 20-22 ноября 2001 г.- М.: ВСТИСП, 2001.- С. 145-147. 31. Полевой, В. В. Фитогормоны : Учеб. пособие для студ. биологич. специальностей ВУЗов / В. В. Полевой.- Л.: Изд-во Ленинградского ун-та, 1982.- 248 с., ил. 32. Расторгуев, С. Л. Регенерация растений из изолированных соматических тканей земляники и малины / С. Л. Расторгуев // Индукция морфогенеза и тканевая селекция плодовых и ягодных культур: Методические рекомендации. − Мичуринск, 1996.−С. 40-61. 33. Расторгуев, С. Л. Разработка способов индукции растений-регенерантов земляники и малины в культуре тканей / С. Л. Расторгуев // Использование биотехнологических методов для решения генетико-селекционных проблем : Сб. докл. и сообщ. XVIII Мичуринских чтений, 27-29 октября 1997 г.- Мичуринск: ВНИИГи СПР, 1998.- С. 49-52. 34. Соловых, Н. В. Использование биотехнологических методов в работе с ягодными культурами : Метод. рек. / Н. В. Соловых.- Мичуринск : МичГАУ, ВНИИГ и СПР им. И. В. Мичурина, 2009.- 47 с. 35. Тырнов, В. С. Гаплоидия и селекция / В. С. Тырнов, С. С. Хохлов.-М.: Наука, 1976.- С. 87. 36. Шамина, З. Б. Культура клеток растений / З. Б. Шамина.- М.: Наука, 1981.- С. 124. 37. Bayuan, Wang. Tissue Culture of Fruit Crops China / Bayuan Wang, Yao-lin Gui and giang- San Sun // HortScience.- 1988.-V. 23, №6.- P. 962-965. 38. Bourgin, J. P. Obtention de Nicotiana haploids a partit detamines cultives in vitro / J. P. Bourgin, J. P. Nitch // Ann. Physiol. Vegetale. – 1967. – vol. 9. - № 4. – P. 377-382. 39. Callow, P. In vitro shoot regeneration on leaf tissue from micropropagated highbush blueberry / P. Callow, K. Haghighi, M. Giroux, J. Hancock // Hort. Science -1988.-V. 23 - P. 807-808. 40. Couseneau, J.C. Adventitious shoot regeneration from leaf explants of tissue cultured and greenhouse-grown raspberry / J.C. Couseneau, D.S. Donelly // Cell Tiss. And Organ Cult. –1991.-V.27., №3. –P.249-255. 41. Guha, S. In vitro production of embryos from anthers of Datura / S. Guha, S. C. Maheshwari // Nature. – 1964. – vol. 204. – P. 497-498. 42. Kim, S. W. High frequency somatic embryogenesis and plant regeneration in zygotic embryo cultures of Japanese honeysuckle / S. W. Кim, S. C. Oh, D. S. In, J. R. Liu // Plant Cell Tissue and Organ Culture.- 2003.- V.72.- № 2.- Р. 1652-1654. 43. Lemaitre, R. Rapport annual, Centre d’etudes pour la recuperation des energies residvelles / R. Lemaitre. –Gembloux, 1979. –P. 52−56. 44. Lespinasse, Yves. Progressi hel migliremento genetico e el melo: cloni autocompatilili e piante aploidi « Riu. Frutticolt e ortofloricolt» // Yves Lespinasse, E. Chevrean.- 1987.- 49, №8.- P. 25-29.

Просмотров: 873 Добавил: Аргентина (11.10.2014) Источник материала

Облако тегов

Опрос сайта

С какой целью вы употребляете пиво?


Статистика

  • Пользователи сайта:
    58120
  • Материалы для урока:
    162
  • Публикации:
    21
  • Онлайн-тестирования:
    26
  • Фотографии в альбоме:
    51
  • Любопытные факты:
    92
  • Сайты в каталоге:
    5
  • Форумные сообщения:
    7617
  • Оставленные комментарии:
    117