Публікація:Сидоров В.А. (1990) Биотехнология растений. Клеточная селекция

Матеріал з ІКБГІ
Перейти до: навігація, пошук
Sidorov 1990 Biotehnologiya rastenii.jpg

Сидоров В.А. Биотехнология растений. Клеточная селекция / АН УССР. Отделение клеточной биологии и генетической инженерии Ин-та ботаники им. Н. Г. Холодного. - Киев: - Наук. думка, 1990. - 280 с. - ISBN 5-12-001807-6
УДК 575.1+575.2+576.5

Монография, посвященная различным вопросам клеточной селекции высших растений, является первой книгой цикла по биотехнологии растений. В ней изложены особенности мутагенеза и селекции мутантов in vitro, их характеристика и использование. Обобщены результаты исследований клеточных линий и растений, устойчивых к гербицидам, стрессовым факторам, лекарственным препаратам, аминокислотам и их аналогам, болезням, аналогам оснований. Определены перспективные направления развития клеточной селекции.
Для генетиков, селекционеров, молекулярных биологов, преподавателей и студентов вузов. Ил. 67. Табл. 35. Библиогр.: с. 230—273.

Предисловие

Необходимость внедрения в сельское хозяйство нетрадиционных технологий, которые позволили бы поднять на новый уровень производство необходимых для человека продуктов питания, в последние годы ощущается все с большей остротой. Для селекционного процесса технологии клеточной и генной инженерии растений имеют огромные перспективы. Одно из важных направлений в биотехнологии растений занимает клеточная селекция, при которой отбор клеточных линий и растений с новыми наследственными признаками производится на уровне культивируемых in vitro клеток. Получение растений из отобранных в селективных условиях мутантных клеток возможно благодаря уникальному свойству растительной клетки — ее тотипотентности. Приемы культивирования растительных клеток и регенерации из них растений, разработанные для многих важных сельскохозяйственных культур, уже сейчас позволяют экспериментально реализовать возможности клеточной селекции, т. е. применять ее для создания новых сортов растений. Перечень мутантов с важными сельскохозяйственными признаками, селекция которых осуществима на клеточном уровне, довольно большой. К ним относятся мутанты устойчивости к стрессовым факторам, гербицидам, различным заболеваниям, сверхпродуценты незаменимых аминокислот. Мощным источником генетического разнообразия растений является сомаклональная изменчивость, возникающая при прохождении растениями стадии неорганизованного роста, которая позволяет вести ненаправленную селекцию in vitro. Вместе с тем в селекции растений следует реально учитывать и ограничения клеточной технологии. Несмотря на огромные перспективы целенаправленного улучшения ряда признаков растений in vitro, технология клеточной селекции все же остается хотя и важным, но лишь дополнением к традиционным методам селекции.

Прикладные направления исследований, которые решаются с помощью клеточной селекции, не ограничиваются созданием ценного исходного материала. Методы клеточной селекции лежат в основе ряда технологий промышленного выращивания клеточных культур, продуцентов экономически значимых веществ. Они также являются важными элементами экспериментов по соматической гибридизации и трансформации растений.

Наряду с биотехнологическими аспектами применения новых подходов селекции неоценимо значение этих работ для развития фундаментальных вопросов мутагенеза, генетики, молекулярной биологии, физиологии и биохимии растений. Благодаря новой технологии селекции получены многочисленные генетически маркированные клеточные линии и растения, которые широко используются в качестве исходного материала для различных прикладных и в первую очередь теоретических исследований. С их применением были выделены мутанты, ранее не известные у растений. Используя простые приемы селекции на уровне каллусных тканей, уже в середине 70-х годов XX ст. получены первые мутанты, устойчивые к антибиотикам. Это способствовало дальнейшему развитию цитоплазматической генетики растений. Значительный прогресс в области клеточной селекции достигнут благодаря разработке техники культивирования голых растительных клеток — изолированных протопластов. Методы выделения и культивирования in vitro больших количеств индивидуальных растительных клеток позволили использовать эффективные микробиологические приемы селекции мутантов в отношении растений. В результате их применения у высших растений было идентифицировано большое разнообразие ауксотрофных и других редких мутантов.

Большинство работ в данной области исследований проведено в 80-х годах. Арсенал новых методов селекции становится все более мощным, и спектр различных мутантов, получаемых in vitro, с каждым годом расширяется. Несмотря на довольно совершенную методологию клеточной селекции и актуальность вопросов, решаемых при помощи новых технологий, это направление исследований все же не находит должного внимания. При огромном количестве методических работ, посвященных выделению и анализу клеточных мутантов, многие важные проблемы клеточной селекции рассматривались лишь разрозненно, в отдельных обзорах и сборниках. В данной монографии сделана попытка обобщить накопленные к настоящему времени сведения о клеточной селекции мутантов, их детальном изучении и использовании. В нее также включены результаты собственных исследований.

Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам лаборатории клеточной селекции Института ботаники им. Н. Г. Холодного АН УССР за помощь в подготовке издания, Института физиологии растений Центра биологических исследований ВАН (г. Сегед) П. Малиге, Л. Менцелю, Л. Мартону, П. Медяши и А. Чепло, а также лаборатории генетики растений Свободного Брюссельского университета М. Жакобсу, И. Негруцу и С. Хеннисдаелсу за представленные материалы совместных работ и ряд оригинальных фотографий; А. А. Кучко, сотруднику УкрНИИ картофельного хозяйства ЮО ВАСХНИЛ.

Оглавление

Предисловие … 5

Список сокращений … 7

Глава 1. Особенности мутагенеза и селекции мутантов in vitro … 9
1.1. Исходный материал для мутагенеза и селекции … 10
1.1.1. Каллусные и суспензионные культуры … 10
1.1.2. Изолированные протопласты … 11
1.1.3. Другие объекты … 12
1.2. Влияние мутагенов на выживаемость культивируемых in vitro клеток … 13
1.2.1. Мутагены и их применение на клеточных культурах … 13
1.2.2. Выживаемость клеток после обработки мутагеном … 15
1.2.3. Спонтанная и индуцируемая частота возникновения новых вариантов … 18
1.3. Селекция клеточных вариантов и регенерация растений … 21
1.3.1. Методы селекции … 21
1.3.2. Экспрессия мутационных изменений на уровне растений … 25

Глава 2. Сомаклональная изменчивость … 29
2.1. Терминология и номенклатура … 30
2.2. Природа и механизмы возникновения сомаклональной изменчивости … 31
2.2.1. Естественное генетическое разнообразие клеток растений … 31
2.2.2. Изменчивость генома в процессе культивирования in vitro … 32
2.2.3. Изменчивость цитоплазмона у сомаклональных вариантов … 34
2.3. Зависимость сомаклональной изменчивости от исходного материала и приемов культивирования in vitro … 35
2.3.1. Значение генотипа и исходного эксплантата … 35
2.3.2. Влияние условий культивирования и регенерации растений … 37
2.4. Разнообразие сомаклональных вариантов и их практическое использование … 39
2.4.1. Спектр изменчивости среди растений‑регенерантов … 39
2.4.2. Генетический анализ сомаклонов … 44
2.4.3. Практическое использование и перспективы применения сомаклональной изменчивости … 46

Глава 3. Хлорофиллдефектные мутанты … 49
3.1. Генетические основы пигментдефектности … 50
3.1.1. Цитоплазматические мутанты … 50
3.1.2. Ядерные мутанты … 51
3.1.3. Другие причины пигментдефектности … 52
3.2. Получение хлорофиллдефектных мутантов с использованием клеточных технологий … 53
3.2.1. Эксплантаты растений с соматическими мутациями … 53
3.2.2. Культура пыльников и микроспор … 57
3.2.3. Культура клеток и тканей … 58
3.3. Анализ мутаций хлорофиллдефектности с помощью слияния протопластов … 60
3.3.1. Комплементационный анализ … 60
3.3.2. Половая гибридизация … 63
3.4. Применение пигментдефектных мутантов в клеточной инженерии … 64
3.4.1. Получение соматических гибридов … 64
3.4.2. Реконструкция цитоплазмона при соматической гибридизации … 68

Глава 4. Устойчивость к лекарственным препаратам … 72
4.1. Избирательное действие антибиотиков и механизмы устойчивости к лекарственным препаратам … 73
4.2. Приемы выделения мутантов, устойчивых к антибиотикам … 75
4.2.1. Селекция мутантов на уровне клеточных колоний … 76
4.2.2. Сочетание нескольких методов селекции … 77
4.2.3. Селекция на уровне вторичных побегов, возникающих из пазушных почек, культивируемых in vitro растений … 78
4.3. Клеточные линии и растения, устойчивые к антибиотикам … 79
4.3.1. Устойчивость к аминогликозидным антибиотикам — специфическим ингибиторам 70S рибосом … 79
4.3.2. Устойчивость к другим антибиотикам — ингибиторам рибосом «бактериального типа» … 83
4.3.3. Устойчивость к антибиотикам, блокирующим синтез на 80S рибосомах … 84
4.3.4. Некоторые аспекты использования антибиотикоустойчивых мутантов в генетических исследованиях … 85
4.3.5. Чужеродные гены устойчивости к антибиотикам как доминантные селективные маркеры … 87

Глава 5. Устойчивость к аминокислотам и их аналогам … 90
5.1. Механизмы устойчивости … 90
5.2. Выделение и характеристика линий, устойчивых к аминокислотам … 95
5.2.1. Устойчивость к лизину и треонину … 95
5.2.2. Устойчивость к валину … 98
5.3. Выделение и характеристика линий, устойчивых к аналогам аминокислот … 99
5.3.1. Устойчивость к аналогам триптофана … 99
5.3.2. Устойчивость к аналогам метионина … 100
5.3.3. Устойчивость к аналогам пролина … 102
5.3.4. Устойчивость к аналогам лизина … 104
5.3.5. Устойчивость к аналогам фенилаланина и других аминокислот … 108
5.4. Перспективы использования вариантов устойчивости к аминокислотам и их аналогам … 109

Глава 6. Устойчивость к антиметаболитам синтеза и утилизации нуклеиновых кислот … 111
6.1. Биохимические основы действия антиметаболитов и механизмы устойчивости к ним … 111
6.2. Выделение и характеристика устойчивых вариантов … 115
6.2.1. Устойчивость к аналогам пиримидиновых оснований … 115
6.2.2. Устойчивость к аналогам пуриновых оснований … 117
6.2.3. Устойчивость к другим аналогам … 118
6.3. Значение маркерных линий для реконструкции клетки (организма) … 120

Глава 7. Устойчивость к ингибиторам других метаболических путей … 122
7.1. Ингибиторы фотодыхания … 122
7.2. Ингибиторы синтеза полиаминов … 125

Глава 8. Устойчивость к гербицидам … 127
8.1. Механизмы действия гербицидов … 128
8.1.1. Гербициды, блокирующие фотосинтетические процессы … 128
8.1.2. Гербициды — ингибиторы биосинтеза аминокислот … 130
8.2. Природа и механизмы устойчивости к отдельным гербицидам … 132
8.3. Выделение и характеристика клеточных линий и растений‑регенерантов, устойчивых к гербицидам … 136
8.3.1. Устойчивость к карбаматам … 136
8.3.2. Устойчивость к бипиридилиевым гербицидам … 137
8.3.3. Устойчивость к глифосату и L‑фосфинотрицину … 138
8.3.4. Устойчивость к пиклораму … 138
8.3.5. Устойчивость к амитролу … 139
8.3.6. Устойчивость к феноксисоединениям … 140
8.3.7. Устойчивость к триазиновым гербицидам … 141
8.3.8. Устойчивость к сульфонилмочевинам … 142
8.4. Возможные области использования гербицидов и мутантов … 143

Глава 9. Устойчивость к стрессовым факторам … 146
9.1. Засоление … 146
9.1.1. Влияние соли на растения и механизмы устойчивости … 147
9.1.2. Выделение солевыносливых вариантов in vitro и их характеристика … 150
9.2. Металлы … 153
9.2.1. Основы устойчивости растений к ионному стрессу … 153
9.2.2. Выделение и характеристика вариантов, устойчивых к ионному стрессу … 155

9.3. Засуха … 156
9.3.1. Использование клеточных культур в селекции на засухоустойчивость … 158
9.4. Экстремальные температуры … 158
9.5. Радиационный стресс … 160

Глава 10. Устойчивость к болезням … 163
10.1. Основные понятия и терминология … 163
10.2. Использование патогенов в селекции на устойчивость к болезням … 166
10.3. Селекция к патотоксинам … 168
10.4. Применение для селекции культуральных фильтратов … 174
10.5. Использование других приемов и технологий для получения in vitro устойчивых к болезням растений … 176

Глава 11. Ауксотрофные и температурочувствительные мутанты … 179
11.1. Приемы селекции ауксотрофных и ts‑мутантов … 180
11.1.1. Метод реплики … 181
11.1.2. Тотальная селекция … 182
11.1.3. Приемы преселекции … 183
11.1.4. Негативная селекция … 185
11.1.5. Прямая селекция … 187
11.2. Характеристика ауксотрофов, полученных путем клеточной селекции … 188
11.2.1. Nicotiana plumbaginifolia … 188
11.2.2. Hyoscyamus muticus … 191
11.2.3. Другие объекты … 192
11.3. Температурочувствительные мутанты и их характеристика … 193
11.4. Практическое использование ауксотрофов … 195

Глава 12. Мутанты с дефектностью по нитратредуктазе … 196
12.1. Общие представления о структурно-функциональной организации NR … 197
12.2. Методы выделения NR‑мутантов … 200
12.2.1. Тотальная селекция … 200
12.2.2. Селекция на устойчивость к хлорату … 201
12.3. NR‑мутанты и их характеристика … 203
12.3.1. Мутанты с дефектностью апопротеинового гена … 204
12.3.2. Мутанты по молибденсодержащему кофактору … 209
12.4. Значение мутантов с дефектной ассимиляцией нитрата и возможные аспекты их использования … 211

Глава 13. Гормоннезависимость и устойчивость к регуляторам роста … 213

Глава 14. Способность клеточных культур расти на средах с неутилизируемыми сахарами … 216

Глава 15. Получение генетически маркированных растений путем переноса чужеродных селективных признаков … 219
15.1. Слияние протопластов и перенос цитоплазматических мутаций … 219
15.2. Перенос ядерных генетических маркеров путем слияния протопластов … 223
15.2.1. N. plumbaginifolia + N. sylvestris, A. belladonna … 223
15.2.2. S. tuberosum + S. pinnatisectum … 225
15.2.3. N. plumbaginifolia + Petunia hybrida, Lycopersicon esculentum … 226

Заключение … 228

Список литературы … 230

Предметный указатель … 274


Особисті інструменти
Простори назв

Варіанти
Дії
 
   
Інструменти