Селекция микроорганизмов

Вопрос 1. Какое значение для народного хозяйства имеет селекция микроорганизмов?

Микробиология и связанные с ней прикладные технологии в настоящий момент имеют огромное для народного хозяйства значение. Так, микроорганизмы используются в хлебопечении, пивоварении, виноделии, для изготовления многих молочно-кислых продуктов, квашения овощей. Помимо пищевой промышленности, технологии с использованием деятельности бактерий и грибов применяются в металлургии – это очистка пород , выделение ценных металлов. В медицине – синтез важнейших белков (например инсулина).

Вопрос 2. Приведите примеры промышленного получения и использования продуктов жизнедеятельности микроорганизмов.

Например, микроорганизмы применяют для получения витаминов В2, В12. Дрожжевые грибы, растущие на гидролизатах древесины или за счёт потребления парафинов, служат источником кормового белка. В дрожжах содержится до 60 % белков. Применение этих высокобелковых концентратов позволяет дополнительно получать до 1 млн т мяса в год. Важное значение в народном хозяйстве имеет производство незаменимых аминокислот с помощью микроорганизмов.

Вопрос 3. Что такое биотехнология?

Технологию получения необходимых человеку продуктов из живых клеток или с их помощью называют биотехнологией. Биотехнология развивается чрезвычайно быстро. За последние десятилетия возник ряд совершенно новых производств, основанных на использовании различных бактерий и грибов.

Вопрос 4. Подумайте и приведите пример, свидетельствующий о том, что биотехнологические производства используются человечеством многие сотни и даже тысячи лет.

Человек использовал биотехнологию многие тысячи лет: люди пекли хлеб, варили пиво, делали сыр, используя различные микроорганизмы, при этом, даже не подозревая об их существовании.

Собственно сам термин появился в нашем языке не так давно, вместо него употреблялись слова «промышленная микробиология», «техническая биохимия» и др.

Вероятно, древнейшим биотехнологическим процессом было сбраживание с помощью микроорганизмов. В пользу этого свидетельствует описание процесса приготовления пива, обнаруженное в 1981г. при раскопках Вавилона на дощечке, которая датируется примерно 6-м тыс. до н. э.

В 3-м тысячелетии до н. э. шумеры изготовляли до двух десятков видов пива. Не менее древними биотехнологическими процессами являются виноделие, хлебопечение, и получение молочнокислых продуктов.

Вопрос 5. Дайте определение понятия «генная инженерия».

Генная инженерия – раздел молекулярной генетики, связанный с целенаправленным созданием вне живого организма новых комбинаций генетического материала, способного размножаться в клетке-хозяине и синтезировать конечные продукты обмена.

Вопрос 6. Какое понятие более широкое — «биотехнология» или «генная инженерия»? Объясните свою точку зрения.

Я думаю, что более широкое понятие - это биотехнология, так как она использует микроорганизмы, а также продукты их жизнедеятельности в промышленных масштабах. И тем более, важной составной частью биотехнологии является генная инженерия.

Вопрос 7. Обсудите в классе, какие перспективы открываются перед человечеством при использовании микроорганизмов в сельском хозяйстве.

Найдены пути использования белка микроорганизмов для кормления сельскохозяйственных животных. Выделены микробные препараты, усиливающие поступление в почву азота из воздуха. Открытие новых методов получения наследственно измененных форм полезных микроорганизмов позволило шире применять микроорганизмы в сельскохозяйственном и промышленном производстве, а также в медицине. Особенно перспективно развитие генной, или генетической, инженерии. Ее достижения обеспечили развитие биотехнологии, появление высокопродуктивных микроорганизмов, синтезирующих белки, ферменты, витамины, антибиотики, ростовые вещества и другие, необходимые для животноводства и растениеводства продукты. В существующих кормовых рационах далеко не всегда достаточно белка, необходимых аминокислот и витаминов. Поэтому необходимо вводить эти вещества в корм в виде тех или иных препаратов, в частности полученных с помощью микроорганизмов. Внимание ученых привлекает вопрос получения кормового белка путем микробного синтеза.

Производство нитрагина и ризоторфина. Эти бактерии в симбиозе с бобовыми культурами способны фиксировать свободный азот атмосферы, превращая его в соединения, легкоусвояемые растением. Микроорганизмы в почве образуют сложный биоценоз, в котором находятся между собой в сложных отношениях.

Вопрос 8. Под руководством учителя вместе с одноклассниками подготовьте выставку «Микроорганизмы на службе у человека».

Вопрос 9. Подготовьте сообщение «Вклад отечественных учёных (Н. И. Вавилов, Г. Д. Карпеченко, В. И. Мичурин и др.) в развитие селекции».

Широкое развитие селекция и семеноводство в нашей стране получили только после Великой Октябрьской социалистической революции. Историческую роль в развитии селекции и семеноводства сыграл изданный в1921 г. за подписью В. И. Ленина Декрет Совета Народных Комиссаров «О семеноводстве». Этот декрет, разработанный в основном П. К. Константиновы, обеспечил применение хорошо развитой системы размножения и внедрения новых сортов. Благодаря этому усиливалась работа по размножению и сравнительному испытанию имеющихся в то время ценных сортов.

Значение этого постановления заключалось не только в признании важности семенного дела для молодой Советской республики – декрет определил перспективы и организационные формы развития селекции и семеноводства в направлении концентрации и специализации этих отраслей. При селекционно-опытных станциях были созданы маточные рассадники сортовых семян, размножение которых возлагалось на специализированные семеноводческие хозяйства – совхозы.

Исключительно велика роль в развитии отечественной (20-30-х гг.) и мировой селекции, биологии вообще выдающегося советского ученого Николая Ивановича Вавилова (1887-1943). Его труды, посвященные эволюции, биогеографии, иммунитету и генетике сельскохозяйственных растений, служат в первую очередь селекции. Перу Н. И. Вавилова принадлежат немало работ: «Центры происхождения культурных растений» - всего на земном шаре было выделено восемь основных областей мирового сортового разнообразия возделываемых растений; «Закон гомологических рядов в наследственности изменчивости» - исследования Н. И. Вавилова показали, что дифференциация отдельных видов на агроэкологические и географические группы выявила множество параллелизмов как по морфологическим признакам, так и по физиологическим, экологическим, хозяйственно ценным признакам и свойствам; «Теоретические основы селекций растений», «Селекция как наука», «Основные задачи советской селекции растений и пути их осуществления», «Научные основы селекции пшеницы», «Мировые растительные ресурсы и их использование в практической селекции», «Значение межвидовой и межродовой гибридизации в селекции» и многие другие получили мировую известность. Созданная Н. И. Вавиловым мировая коллекция культурных растений Всесоюзного научно-исследовательского института растениеводства (ныне носящего его имя), которая насчитывала около 200 образцов.

В 1929 г. в стране был взят курс на развертывание сортового и семенного дела. Проведено первое районирование сортов, начаты проработки по семеноводству и семеноведению, а также по контрольно-семенному делу. Немало внимания этому вопросу уделял В. В. Таланов, организовавший и возглавивший Госсортсеть страны.

Советские селекционеры создали сорта картофеля для выращивания в различных почвенно-климатических условиях. Наибольшую известность получил сорт Лорх, выведенный Герой Социалистического Труда А. Г. Лорхом в 1929 г. Это был первый районированный (в 1931 г.) селекционный сорт картофеля в нашей стране. Обладая исключительно высокой пластичностью и урожайностью, он на протяжении почти 60 лет занимал первое место по площади. Выдающимся достижением советской селекции является создание ультраскороспелого сорта Приекульский ранний селекции Приекульской селекционной станции (автор Э. А. Петерсон) и Северо-Западным научно-исследовательским институтом сельского хозяйства среднеспелого, ракоустойчивого сорта Столовый 19 (автор Е. А. Осипова).

Большое значение для развития советской селекции имело постановление ЦК ВКП(б) и Коллегии НК РКИ СССР от 2 августа 1931 г. «О селекции и семеноводстве». По этому постановлению в основных природных зонах страны организовали десять крупных селекционных центров, в систему которых было включено более 165 селекционных станций, охватывающих все многообразие почвенно-климатических условий возделывания сельскохозяйственных культур.

В условиях интенсивного земледелия к сорту предъявляются очень большие требования. Вывести новый, отвечающий современным требованиям сорт стало таким же сложным делом, как, например, создать новый тип машины. Поэтому в содержании и формах организации селекционной работы в настоящее время происходят большие изменения. Основные тенденции развития селекции выражаются в специализации, кооперации и концентрации больших коллективов селекционеров и ученых других специальностей, объединяемых для создания новых сортов, обеспечивающих существенные, качественные сдвиги в повышении урожайности и улучшении важнейших хозяйственно-биологических свойств сельскохозяйственных культур. Для этого нужно реализовывать селекционные программы, рассчитанные на интенсификацию всего селекционного процесса и максимальное сокращение сроков выведения новых сортов, широко использовать новые генетические методы, современные технические средства и проводить работу в больших масштабах.

Для коренного улучшения селекционно-семеноводческой работы по зерновым, кормовым и техническим культурам в основных почвенно-климатических зонах страны созданы селекционные центры.

В селекционных центрах построены лабораторные корпуса, селекционные комплексы с теплицами и вегетационными камерами с автоматическим регулированием температуры, влажности воздуха и света, с морозильными камерами и камерами для фитопатологических работ. Селекционные центры оснащаются новейшим научным оборудованием и приборами, сушильно-зерноочистительными пунктами, малогабаритными машинами и орудиями (самоходные сеялки и комбайны и др.), а также другими средствами механизации для проведения селекционно-семеноводческой работы на современном научном уровне.

Создание селекционных центров позволило объединить научные силы специалистов разных профессий (селекционеров, генетиков, фитопатологов, биохимиков, технологов, физиологов и др.) и, комплексно решая важнейшие проблемы селекции и семеноводства, выводить сорта, обладающие высокой продуктивностью, засухоустойчивостью, комплексной устойчивостью к болезням, с высокими качествами зерна и другими хозяйственно ценными свойствами.

Ученый-селекционер, дважды Герой Социалистического Труда, лауреат Ленинской и Государственной премий, академик П. П. Лукьяненко (1901-1973) внес большой вклад в разработку методов селекции важнейшей хлебной культуры – пшеницы и других зерновых, в создание и внедрение ценных высокопродуктивных сортов, позволивших резко повысить урожайность этих культур.

Особенно велика заслуга П. П. Лукьяненко в разработке и совершенствовании метода гибридизации отдаленных эколого-географических форм применительно к пшенице, в создании высокоурожайных сортов нового, интенсивного типа, обладающих комплексом ценных биологических и хозяйственных признаков и свойств. Ученый показал, что эта задача может быть успешно решена только при вовлечении в гибридизацию широкого сортового и экологического разнообразия мягкой пшеницы. Для этого необходим большой сортовой фонд пшеницы, изучение и постоянное пополнение мировой коллекции данной культуры. Не менее важны правильный подбор пар для скрещивания, а также большие масштабы скрещивания в пределах комбинаций и проведение широких индивидуальных отборов в гибридных популяциях. Применяя этот метод, П. П. Лукьяненко создал более 40 новых высокопродуктивных, высококачественных сортов пшеницы.

Шедевром отечественной и мировой селекции стал сорт сильной озимой пшеницы Безостая 1. В нем гармонично сочетаются многие ценные свойства: сравнительно короткая и прочная солома, устойчивость к полеганию, высокая продуктивность колоса и урожайность, зимостойкость, хорошие мукомольно-хлебопекарные качества зерна. Безостая 1 – результат длительного и сложного селекционного процесса; для ее создания использованы сорта различных стран и континентов. Этот сорт не имеет себе равных по экологической пластичности, отличается исключительной отзывчивостью на внесение удобрений и на орошение.

Большим достижением в селекции озимой пшеницы является выведенный в Мироновском институте селекции и семеноводства пшеницы академиком ВАСХНИЛ В. Н. Ремесло высокоурожайный сорт Мироновская 808. Благодаря своей высокой зимостойкости, повышенной способности к весеннему отрастанию и хорошим технологическим качествам зерна этот сорт получил быстрое распространение и высевался в 53 областях, краях и автономных республиках страны.

Важные результаты по селекции твердой озимой пшеницы получены во Всесоюзном селекционно-генетическом институте. Методом отбора из гибридных популяций от скрещивания мягкой озимой пшеницы с твердой яровой академик ВАСХНИЛ Ф. Г. Кириченко получил несколько сортов озимой твердой пшеницы (Мичуринка, Новомичуринка, Янтарная, Одесская юбилейная), высевающихся в южных областях Украины. Эти сорта, по существу, стали первыми представителями новой зерновой культуры – озимой твердой пшеницы, ранее никогда не встречавшейся в природе. В селекцентре Донского НИИСХ академик ВАСНИЛ И. Г. Калиненко также вывел сорта озимой твердой пшеницы и озимый сорт Новинка 2. Ставились задачи создания и внедрения в производство высокоурожайных и высококачественных сортов озимой твердой пшеницы и озимой пшеницы тургидум, сочетающей устойчивость к суровым условиям перезимовки с повышенной засухоустойчивостью.

Селекционная работа с рисом в низовьях реки Кубань была начата после организации в г. Краснодаре в 1932 г. Всесоюзного научно-исследовательского института рисового хозяйства. Возглавил селекционную работу с рисом в институте Г. Г. Гущин. Им обосновано направление селекционной работы по этой культуре, требования, предъявляемые к сортам риса, и собран богатый исходный материал. Он разработал методику селекционной работы и ботаническую классификацию риса, написал монографию «Рис».

В. П. Кузьмин начинал свою научную деятельность на Тулунской селекционной станции Восточной Сибири, затем работал во Всесоюзном институте растениеводства в Ленинграде под руководством Николая Ивановича Вавилов. Институт в то время начинал сбор растений со всего земного шара, и В. П. Кузьмин в составе различных экспедиций изъездил долины, горы и пустыни всей Центральной Азии. Знания, полученные им в этих экспедициях, оказались весьма полезными в его работе на Шортандинской опытной станции в 1936 г. в Северном Казахстане. В самом начале войны ученый поставил задачу – создать сорта, способные произрастать в Центральном и Северном Казахстане, где наличие влаги ниже всякой нормы, а засуха превосходит всякие нормы, где ранние заморозки в конце лета нередко губят все посевы. Некоторый опыт создания высокоурожайных сортов, пригодных для возделывания в суровых условиях Северного Казахстана, у В. П. Кузьмина уже был. Еще до войны он создал сорт яровой пшеницы Акмолинка-1, который превзошел по урожайности местные сорта этой культуры. Этот опыт пригодился ученому при решении новой задачи.

В. П. Кузьмин, отобрав в качестве исходных форм высокоурожайные сорта украинских озимых пшениц и хорошо приспособленные к суровым условиям Казахстана местные сорта пшениц, начал работу над созданием сортов, в которых сочетались бы высокоурожайность, засухоустойчивость, холодостойкость, скороспелость, устойчивость к полеганию (низкорослость), неосыпаемость, хорошая вымолачиваемость зерна из колоса. В. П. Кузьмин в годы войны создал высокоурожайный сорт мягкой яровой пшеницы - Шортандинку, затем Снегурочку, твердую яровую пшеницу Акмолинку-5 с замечательными хлебопекарными качествами. В. П. Кузьмин работал не только над пшеницей. В суровые годы войны, когда в стране не хватало продуктов питания, он создает высокопродуктивные сорта гречихи, проса, гороха, подсолнечника, льна, картофеля. Горох Универсал, выведенный им, обладал комплексом хозяйственно ценных свойств.

Бурное развитие свекловодства в СССР выдвинуло проблему выведения одноростковой, т.е. раздельноплодной, свеклы, которую стали затем называть односемянной, хотя с ботанической точки зрения этот термин неточен. У обычной свеклы, как известно, в одном клубочке имеется несколько семян, которые после прорастания образуют гнездо из нескольких растений. Если не провести прореживание, то урожай катастрофически снижается. Удалять растения из гнезда можно только ручным способом. Поэтому на прорывку всходов требовалось очень большие затраты ручного труда.

Советским селекционерам удалось создать одноростковые сорта и гибриды сахарной свеклы. В 1956 г. в СССР впервые в мире была районирована одноростковая свекла – сорт Белоцерковская односемянная (авторы О. К. Коломиец, С. П. Устименко и П. П. Прозора). В 1958 г. районирован сорт Ялтушковская односемянная, а затем другие сорта и гибриды.

В продовольственной программе СССР на период до 1990 года была поставлена задача завершить в одиннадцатой пятилетке перевод селекции и семеноводства зерновых культур на промышленную основу. Осуществлен ряд мер по специализации и концентрации производства сортовых семян, укреплению материально-технической базы. Разработаны и внедряются технологии производства высококачественных семян. Действуют семяочистительные пункты по обработке семян зерновых культур, специализированные заводы по обработке семян кукурузы, сорго и трав. В достаточном количестве производятся семена высших репродукций для сортосмены и сортообновления.