Обзоры, проблемы, итоги. Рубрика в журнале - Сельскохозяйственная биология
Агротехнологические и селекционные резервы повышения урожаев зерновых культур в России
Статья научная
Рассматриваются новые подходы к решению задач повышения урожаев зерновых культур с помощью современных методов агротехнологий и селекционных технологий. Ранее было показано, что урожай агрофитоценоза детерминируется семью генетико-физологиче-скими системами - ГФС (А.Б. Дьяков с соавт., 1994), с которыми де факто работает селекционер, повышая продуктивность и урожай будущего сорта. В указанной работе А.Б. Дьяковым и В.А. Драгавцевым выполнено первое генотипирование каждой ГФС, способной поднять урожаи, что позволило определить направления для оптимальных стратегий управления семью ГФС. В настоящей статье впервые показано, что эффективность работы некоторых систем может быть повышена как агротехнологическими, так и генетико-селекционными методами. В будущем улучшение агротехнологий пойдет в сторону совершенствования точного земледелия. Это предполагает мониторинг фитоценоза в его развитии, регистрацию стрессовых воздействий лим-факторов на признак, который закладывается на той или иной стадии онтогенеза, создание агроприемов, которые точно влияют на фитоценоз в конкретную фазу его развития за счет воздействия биопрепаратами для снятия негативного влияния лим-фактора. Следовательно, для защиты чувствительных фаз онтогенеза должны быть разработаны специальные «фазовые» агротехнологии. Максимальный эффект от точных селекционных технологий можно получить при создании математических моделей, которые позволяют строго количественно описать вклады каждой из семи ГФС в повышение урожая для каждой фазы онтогенеза, и реализации таких моделей как при классической полевой селекции, так и (с максимальной эффективностью) в специальном селекционном фитотроне при контролируемых изменениях лим-факторов среды, воспроизводящих условия в типичные годы для конкретной зоны селекции. Авторами были созданы первые модели и важные количественные алгоритмы для селекционеров, обеспечивающие быструю идентификацию индивидуальных генотипов по их фенотипам и оптимальный подбор родительских пар при скрещивании с предсказанием и дальнейшим получением трансгрессий (для самоопыляющихся растений). В настоящей статье отмечается, что эффективность некоторых важных систем может быть повышена только селекционными методами. Анализ уникальных селекционных достижений академиков В.С. Пустовойта и П.П. Лукьяненко и лауреата Нобелевской премии Нормана Борлоуга (Norman E. Borlauge) обнаружил те ГФС, которые были улучшены великими селекционерами, и те, которые еще не подвергались селекционному улучшению. Организация селекционных и агротехнических работ с ГФС (отдельно с каждой) должна дать большой прирост урожаев в будущем. В статье показаны перспективы использования гормонов в разные фазы онтогенеза для заглубления корневых систем, для повышения аттракции и адаптивности к лим-факторам (стрессорам). Агротехнологии и селекционные технологии должны формировать единую систему, потому что высокий генетический потенциал новых сортов нуждается в точно соответствующей ему агротехнологии, и наоборот, лучшая агротехнология может быть ограничена недостаточными возможностями конкретного сорта. В современном сельском хозяйстве главный фактор оптимальной командной работы агротехнологов и селекционеров - это агрофизическое оборудование и агрегаты, селекционный фитотрон, информационные технологии, надлежащее математическое моделирование и алгоритмы управления урожаями при их совместном взаимосвязанном практическом применении.
Бесплатно
Статья обзорная
Эффективная стерилизация растительных эксплантов и соблюдение правил антисептики не исключают присутствия в in vitro культурах так называемых скрытых (эндофитных) бактерий. Роль этих бактерий в культурах тканей мало изучена, однако ее, например, связывают с регенерационной способностью эксплантов и возможностью трансформировать культивируемые in vitro клетки животных и человека. Бактериальные штаммы, патогенные для человека, могут устойчиво сохраняться в пассируемых культурах и в растениях ex vitro. Расширение среды обитания бактерий создает экологические и генетические риски, которые определяют необходимость тщательного мониторинга эндофитных сообществ в растениях, употребляемых в пищу в сыром виде, а также при применении in vitro технологий в практическом растениеводстве и для получения продуктов питания. Идентификация бактериальных микроорганизмов, колонизирующих in vitro культуры растений, дает возможность изучать влияние бактерий на хозяина, проводить направленную химиотерапию, создавать банк данных микроорганизмов, ассоциированных с культурой растительных тканей. Наиболее распространены два метода идентификации - традиционный, более доступный, но не позволяющий выявлять некультивируемые формы (он основан на использовании культуральных и морфологических характеристик, а также химических и биохимических реакций), и молекулярно-генетический. В последнем случае с использованием метагеномной ДНК и соответствующих специфических праймеров определяют различные последовательности 16S-рРНК, имеющие как консервативные сайты, одинаковые у всех прокариотов, так и пригодные для идентификации видоспецифичные участки. Внутренние транскрибируемые спейсеры (internal transcribed spacers - ITS) преимущественно применяют для различения микроорганизмов на уровне видов и даже штаммов. Таксономический состав бактериальных эндофитов свидетельствует об их разнообразии и отсутствии специфического набора в in vitro культурах растений разной систематической принадлежности и в эксплантах, относящихся к разным органам растения. Среди идентифицированных эндофитных бактерий выявлены потенциально полезные для интактных растений, в частности Streptomycete, Pantoea agglomerans и др., а также патогенные для человека, например Ralstonia mannitolytica, Staphylococcus epidermidis, Corynebacterium amycolatum, Bacillus neonatiensis, Salmonella и Nocaridia spp. При in vitro культивировании растительных объектов длительное бессимптомное присутствие бактерий обусловлено, с одной стороны, подавлением их роста факторами, сопровождающими культивирование растительных эксплантов (pH, температура ниже оптимума для роста бактерий, активирование защитных механизмов), с другой - одновременным поддержанием жизнедеятельности бактерий за счет экссудатов, выделяемых растительным эксплантом. Быстрая пролиферация бактериальных клеток может наступить даже при небольших изменениях первоначальных условий, при увеличении концентрации растительных экссудатов и вследствие собственно in vitro культивирования как стресса в отсутствие регулирующей роли целого организма. По мере увеличения числа пассажей доля растительных культур со скрытой бактериальной контаминацией возрастает. Имеются данные, что при этом некультивируемые эндофиты могут приобретать статус культивируемых. Скрытые бактериальные контаминации способны угнетать регенерацию, микроклональное размножение, вызывать гибель культивируемых in vitro растительных объектов, служить препятствием для воспроизводимости протоколов и иметь отношение к появлению эпигенетических сомаклональных вариантов. Так, фильтраты изолятов Acinetobacter и Lactobacillus plantarum, выделенных из деградирующих каллусов, при инокуляции в экспланты или добавлении в питательную среду резко снижали регенерацию побегов, а бактерии Mycobacterium obuense и M. aichiense угнетали развитие семян в культуре in vitro. Акцентируется проблема получения гнотобиотических растительных культур (в частности, в in vitro коллекциях генетических банков растений), обусловленная сложностью выявления и элиминации бактериальных микроорганизмов.
Бесплатно
Биологические свойства парвовируса и его роль в патологии крупного рогатого скота
Статья обзорная
На основе анализа результатов обширных исследований во многих странах описаны свойства и распространенность парвовируса крупного рогатого скота (КРС). К I типу относятся парвовирусы КРС, выделенные в США, Европе, Северной Америке, Африке и Австралии (по антигенным свойствам они идентичны, но отличаются от парвовирусов животных других видов и человека). Японские изоляты, имеющие антигенные отличия от представителей I типа, относят ко II типу. Для парвовируса КРС характерна способность агглютинировать эритроциты морских свинок и человека. Это ДНК-содержащий вирус с размером вириона 23 нм. Репликация и сборка происходят в клеточном ядре. Наибольшие титры (10 6,75-10 8,0 ТЦД 50/мл) достигаются при культивировании парвовируса I типа в первичных культурах клеток легких, почек, селезенки, тестикул и надпочечников эмбриона коровы. Для успешного выделения парвовируса I типа необходимо использовать эмбриональную сыворотку коров, свободную от специфических антител. Пероральное или внутривенное заражение безмолозивных или новорожденных телят, лишенных соответствующих антител, сопровождается развитием симптомокомплекса диареи в течение 24-48 ч. Чаще всего вирус обнаруживают в кишечнике, лейкоцитах крови, лимфоузлах, селезенке, тимусе и в клетках надпочечников. Вирус длительно персистирует в организме коров, обусловливает аборты и эмбриональную смертность, проникая через плацентарный барьер. Вирус обнаруживают в тимусе, легких и селезенке мумифицированных плодов. Сведения, накопленные в основном за рубежом, показывают, что парвовирусная инфекция регистрируют во многих странах. Доля серопозитивных животных в разных стадах (Великобритании, Австралии, Германии, Австрии, Италии, Алжире и др.) варьировала от 14 до 100 %. По нашим данным, в девяти регионах Среднего Поволжья специфические антитела к парвовирусу в ИФА выявляются у 26,6-58,4 % глубокостельных коров и телят. Парвовирус участвует в формировании смешанных респираторно-кишечных инфекций у телят и различных форм патологий репродуктивных органов у взрослого поголовья КРС. Обсуждается необходимость введения в отечественную ветеринарную практику средств иммуноферментной диагностики и инактивированной ассоциированной вакцины с широким спектром специфической защиты.
Бесплатно
Статья научная
Устойчивое наращивание конкурентоспособной сельскохозяйственной продукции при сокращении потребления ресурсов и затрат возможно за счет ускорения селекционного процесса. В связи с этим актуальное значение приобретают новейшие биотехнологические подходы и молекулярно-генетические методы. Клональное микроразмножение, андрогенез, гиногенез, генетическая трансформация широко применяются в сельскохозяйственных программах для расширения спектра формообразования, создания константных линий, ускорения процесса селекции (J.M. Dunwell, 2010). Методы андро- и гиногенеза дают возможность реализовать гаметоклональную изменчивость в индивидуальных растениях, обнаруживать редкие рецессивные аллели, создавать уникальные формы (T. Winkelmann с соавт., 2006). Один из способов получения исходного селекционного материала - межвидовая гибридизация, позволяющая передавать полезные признаки (например, устойчивость к биотическим и абиотическим стрессорам) от диких видов растений к культурным и расширять спектр генетической изменчивости (R. Hajjar с соавт., 2007). Преодоление проблем несовместимости при отдаленной гибридизации возможно за счет биотехнологических приемов. Использование молекулярно-генетических маркеров, выявляющих генетическое разнообразие на уровне ДНК, позволяет контролировать перенос хозяйственно ценных генов от одного организма к другому, проводить генотипирование, картирование и маркирование генов. Благодаря маркер-вспомогательной селекции можно подойти к решению таких практических задач, как поддержание генетических коллекций, подбор родительских форм для скрещивания, составление родословных сортов, их паспортизация и сертификация, защита интеллектуальной собственности селекционеров. Настоящий обзор посвящен 95-летию со дня основания Всероссийского НИИ селекции и семеноводства овощных культур (ВНИИССОК, Московская обл.). Обобщены результаты работы ВНИИССОК в области биотехнологии, молекулярной генетики и их практического использования в селекции овощных культур. С помощью методов отдаленной гибридизации в институте созданы новые сорта лука (Изумрудный, Сигма, Золотые Купола, Цепариус), салата (Изумрудный, Творец, Алекс, Коралл, Малахит), физалиса (Лакомка, Десертный). Ведутся исследования по вовлечению диких видов баклажана в селекцию, а также по межвидовой гибридизации моркови. Разработана технология создания исходного материала перца, устойчивого к вирусным заболеваниям. Активно разрабатываются способы культивирования тканей и клеток in vitro. Предложена технология клонального микроразмножения, позволяющая размножать растения капусты белокочанной с мужской стерильностью в неограниченных количествах. Технология клонального микроразмножения баклажана и перца легла в основу эмбриокультуры по спасению зародышей при межвидовой гибридизации. Оптимизировано культивирование пыльников моркови, благодаря чему созданы удвоенные гаплоидные сортообразцы. Разработана отечественная технология получения удвоенных гаплоидных линий перца через культуру пыльников (микроспор). Оптимизирован базовый протокол культуры микроспор рапса и созданы удвоенные гаплоидные линии капусты китайской, брокколи и капусты белокочанной. Разработаны методы получения удвоенных гаплоидов в культуре неопыленных семяпочек моркови, лука, огурца, кабачка, тыквы, свеклы столовой. Для изучения вариабельности геномов, генотипирования сортов и линий, определения чистоты гибридного потомства у овощных культур используется ISSR-, IRAP-, AFLP- и SSR-маркирование.
Бесплатно
Статья обзорная
Описаны виды вики, произрастающие на территории России, которые перспективны для широкого использования в качестве сенокосных и пастбищных растений, а также селекционного улучшения и введения в культуру. Рассмотрены районы распространения, биологические и агрономические характеристики 23 видов. Приведены примеры удачного доместицирования ряда видов рода Vicia за рубежом.
Бесплатно
Генетическая компонента и устойчивое развитие агроэкосистем
Статья научная
Обсуждается концепция устойчивого развития, центральной проблемой которого являются взаимоотношения эко- и агросистем. Конфликт между ними приводит к уменьшению биоразнообразия, что несовместимо не только с развитием, но и с устойчивостью таких систем. Увеличение их продуктивности и качества продукции определяется особенностями генетической компоненты, основной вклад в которую вносят генофонды сельскохозяйственных видов животных и растений. Отмечается необходимость исследований этих генофондов с целью разработки генетически обоснованных программ использования, совершенствования и сохранения внутривидового биоразнообразия сельскохозяйственных видов.
Бесплатно
Статья обзорная
Катехины, кофеин и L-теанин - основные вторичные метаболиты чайного растения Camellia sinensis (L.) Kuntze. Им отводится ключевая роль в формировании вкусовых качеств, пищевой и лекарственной ценности чая (W.J.M. Lorenzo с соавт., 2016; Z. Yan с соавт., 2020). Кроме того, они вовлечены в регуляцию жизнедеятельности растений, в частности в процессы адаптации к неблагоприятным условиям (Y.S. Wang с соавт., 2012; L.G. Xiong с соавт., 2013; G.J. Hong с соавт., 2014). Перечисленным определяется интерес к физиолого-биохимическим и молекулярным механизмам продукции катехинов, кофеина и L-теанина, селекции на повышение их содержания в растении (R. Fang с соавт., 2017; Kong W с соавт., 2022), а также к изучению их участия в ответе растений на стресс (P.O. Owuor с соавт., 2010). За последние 5 лет получено много новых знаний о генах биосинтеза катехинов, L-теанина и кофеина, однако в мировой литературе отсутствуют обзоры, которые обобщают эти данные и связывают их с новыми данными по регуляции стрессовых ответов у чая. Цель настоящего обзора - анализ и обобщение современных сведений о генетических механизмах биосинтеза катехинов, L-теанина, кофеина в тканях чайного растения, а также их связь с генами-регуляторами абиотических стрессовых ответов. Биосинтез катехинов осуществляется по фенилпропаноидному и флавоноидному путям (A. Laura с соавт., 2019; S. Alseekh с соавт., 2020) при участии генов халконсинтазы ( CHS ), антоцианидинсинтетазы ( ANS ), антоцианидинредуктазы ( ANR ) и лейкоантоцианидинредуктазы ( LAR ) (J. Bogs с соавт., 2005). В накоплении катехинов в чайном растении участвуют факторы регуляции транскрипции семейства MYB, которые регулируют экспрессию генов PAL , F3′H и FLS (C.-F. Li с соавт., 2015). Образование кофеина происходит в основном в листьях чая при модификации пурина (H. Ashihara, 2015) с участием генов IMPDH ( inosine monophosphate dehydrogenase ), SAMS ( S-adenosylmethionine synthetase ), MXMT ( 7-methylxanthine methyltransferase ) и TCS ( tea caffeine synthase ). Уже известны 132 транскрипционных фактора, относящихся к 30 семействам (в их числе кодируемые генами семейств bZIP , bHLH и MYB ), которые связаны с экспрессией генов биосинтеза кофеина (C.-F. Li с соавт., 2015). У C. sinensis образование L-теанина из глутамата с участием пирувата контролируется каскадом генов, основные из которых GS ( glutamine synthetase) , GOGAT ( glutamate synthase ), GDH ( glutamate dehydrogenase ), ALT ( alanine transaminase ), ADC ( arginine decarboxylase ) и TS ( theanine synthetase ) (C.Y. Shi с соавт., 2011; Y. Li с соавт., 2019). В регуляции этих процессов задействованы гены более 90 транскрипционных факторов - членов семейств AP2-EREBP , bHLH , C2H2 и WRKY , bZIP , C3H , MADS и REM (C.-F. Li с соавт., 2015). Обсуждается влияние стрессовых условий (засуха, холод, засоление, дефицита биогенных элементов) на образование и накопление биологически активных веществ. Недостаточно изученными остаются взаимосвязи между экспрессией генов метаболизма изучаемых соединений и транскрипционных факторов, а также изменения регуляторных сетей биосинтеза ценных метаболитов растений чая при различных экологических стрессах.
Бесплатно
Генетические особенности овец отечественных и зарубежных тонкорунных пород
Статья обзорная
Обсуждаются собственные данные, а также результаты отечественных и зарубежных авторов, полученные при исследовании аллелофонда тонкорунных пород овец. Приведена дифференциация пород по изученным системам крови. Показаны возможности использования трех типов генетических маркеров в разведении тонкорунных овец. Методы анализа по этим типам маркеров обеспечивают оценку уникальности наиболее многочисленной популяции из так называемых коммерческих пород в России и за рубежом.
Бесплатно
Генетическое разнообразие и структура популяции вируса оспы (шарки) сливы в России
Статья обзорная
Вирус оспы сливы ( Plum pox virus, PPV) вызывает у косточковых культур заболевание, называемое шаркой, которое приводит к значительным потерям урожая персика, абрикоса, сливы и других экономически значимых культур из-за преждевременного опадания плодов, ухудшения их качества и непригодности к переработке. На восприимчивых сортах инфекция может заметно угнетать годовой прирост. Многие зараженные сорта исчезают из обращения, несмотря на высокие агрономические и потребительские качества (V. Usenik с соавт., 2015; T.M. Milosevic с соавт., 2010). От растения к растению вирус может передаваться механически, при вегетативном размножении и различными видами тли. Передача вируса семенами не установлена. На дальние расстояния PPV распространяется главным образом с зараженными растениями. Заболевание известно во всем мире, за исключением Австралии, Новой Зеландии, Южной Африки и Калифорнии (J.A. Garcia с соавт., 2014). В России PPV включен в список ограниченно распространенных карантинных объектов. Применение иммуноферментного анализа и полимеразной цепной реакции с обратной транскрипцией для диагностики и идентификации PPV при систематическом мониторинге насаждений косточковых культур позволило выявить многочисленные очаги инфекции в Европейской России. Вирус находили в коллекциях, сортоиспытательных участках, промышленных питомниках, плодоносящих и заброшенных садах, декоративных насаждениях, на дикорастущих деревьях в городской и сельской местности, на дачных и приусадебных участках на различных видах естественно зараженных культур: сливе ( Prunus domestica ), персике ( P. persica ), нектарине ( P. persica var. nectarina ), алыче ( P. cerasifera ), терне ( P. spinosa ), вишне ( P. cerasus ), черешне ( P. avium ), абрикосе ( P. armeniaca ), войлочной вишне ( P. tomentosa ) и сливе канадской ( P. nigra ). Вирус обнаружен в Ленинградской, Новгородской, Тверской, Московской, Тульской, Воронежской, Тамбовской, Липецкой, Белгородской, Ростовской, Самарской, Саратовской, Волгоградской, Астраханской областях, Краснодарском и Ставропольском краях, в Карачаево-Черкесской Республике, Республике Дагестан, Республике Крым. Из девяти известных штаммов PPV шесть (D, M, Rec, W, C, CR) выявлены в Европейской России. Большая часть изолятов принадлежит к штаммам D (38 %), W (25 %) и CR (23 %), а также к М (7 %) и С (7 %). Два изолята штамма Rec обнаружены на алыче в Крыму и на сливе в Ставропольском крае. Характерная особенность популяции PPV в России и, возможно, в европейской части бывшего СССР вообще - самое высокое в мире генетическое разнообразие, обусловленное широким распространением штаммов W, C и СR, очень редких или вовсе не обнаруженных в других регионах мира. Значение штамма СR состоит также в том, что ранее единственным штаммом, который может системно заражать вишню ( P. cerasus ), считали штамм C. Сравнительный анализ двух изолятов PPV, адаптированных к вишне (С и CR), возможно, позволит выявить детерминанты, определяющие круг хозяев. Филогенетический анализ геномов показывает, что штаммы W, C и СR имели общего предка, группируются в отдельный суперкластер, и, по-видимому, эта эволюционная ветвь получила развитие в основном на территории современной России. Широкое распространение PPV может представлять потенциальную угрозу для перспективного сортимента косточковых культур и дальнейшей селекционной и биотехнологической работы в этом направлении
Бесплатно
Геномные источники разнообразия как драйверы доместикации (обзор)
Статья обзорная
Одомашнивание растений и животных - ключевое событие в истории человеческой цивилизации, его механизмы привлекают внимание многих исследователей, особенно в последние десятилетия в связи с сокращением биоразнообразия, в том числе у сельскохозяйственных видов. По определению, предложенному Мелиндой Зедер (М.А. Zeder, 2015), доместикация - это устойчивые мутуалистические отношения в ряду поколений, в которых доместикатор влияет на воспроизводство доместицируемых, оптимизируя их образ жизни для получения интересующего его ресурса, благодаря чему доместицируемые получают преимущества перед другими особями вида. Такие взаимоотношения сопровождаются межвидовой коэволюцией, они присутствуют не только у человека и домашних видов растений и животных, но и у представителей диких видов. В качестве универсальной черты домашних видов по сравнению с близкородственными дикими рассматривается высокое фенотипическое разнообразие, на которое обращал внимание еще Чарльз Дарвин (Ч. Дарвин, 1951). При попарных геномных сравнениях домашней собаки и волка, дикой и домашней кошки, доместицированного и дикого кролика обнаруживается относительно повышенная плотность ряда мобильных генетических элементов у доместицированных животных по сравнению с дикими. В последнее время мобильные генетические элементы, или транспозоны (ТЕs), рассматриваются как основные факторы геномных преобразований, генных, геномных дупликаций, геномных и генных реконструкций, а также горизонтальных обменов генетической информацией (K.R. Oliver, W.K. Greene, 2009). Число сравнительных геномных исследований TEs у доместицированных видов невелико, и роль таких элементов в доместикации, как правило, не обсуждается. Однако можно ожидать, что в основе всех эволюционных событий, в том числе в ответ на формирование новых условий вопроизводства при доместикации, лежат универсальные механизмы изменчивости геномов. Представленный обзор систематизирует такие механизмы. Рассматриваются TEs, обеспечивающие глубокие геномные преобразования, активные и пассивные формы их взаимодействий с геномом хозяина (K.R. Oliver с соавт., 2009). Описаны примеры возникновения новых генов на основе ТЕs, такие как ген синтицина (C. Herrera-Úbeda с соавт., 2021), ген-регулятор синаптической пластичности arc (Activity Regulated Cytoskeleton Associated Protein) (C. Herrera-Úbeda с соавт., 2021), семейство генов bex , кодирующих, в частности, рецептор фактора роста нейронов (E. Navas-Pérez с соавт., 2020; R.P. Cabeen с соавт., 2022). Обсуждаются конфликтные и кооперативные взаимодействия с геномом хозяина при перемещениях ретротранспозонов, разные механизмы их влияний на профили генной экспрессии. Рассматривается участие ТЕs в формировании и изменчивости сетей геномных регуляторных элементов, в частности микроРНК. Представлены примеры вовлеченности микроРНК в контроль и формирование хозяйственно ценных признаков у доместицированных растений и животных. Накопленные данные позволяют предполагать, что ведущим источником большой фенотипической изменчивости доместицированных видов служит относительно высокая насыщенность их геномов мобильными генетическими элементами и, как следствие, увеличение изменчивости геномных регуляторных сетей при формировании общей с человеком биоэкониши.
Бесплатно
Статья обзорная
Обсуждается роль, значимость и область использования фитоэкдистероидов, рассмотрены их источники и состояние сырьевой базы, проблемы культивирования левзеи сафлоровид-ной и серпухи венценосной. Обоснована необходимость углубленных онтогенетических и биоморфологических исследований растений с целью создания крупномасштабных и экологически сбалансированных агропопуляций.
Бесплатно
Статья научная
В отношении ряда инфекционных заболеваний, вызываемых патогенными и условно-патогенными бактериями, происходит постепенный пересмотр места возбудителя в различных экосистемах, актуальными остаются вопросы распространения, адаптации, способности их жизненных форм к развитию в популяциях в среде обитания. Известно, что листерии устойчивы к внешним факторам, при этом существенно участились случаи передачи листериоза с растительными продуктами. Однако данные об экологических аспектах существования возбудителя листериоза ограничены. Одно из перспективных направлений в изучении экологии патогенных бактерий - популяционный подход, основанный на исследовании колоний бактерий, а не отдельной клетки. В статье приведены данные экспериментальных исследований, проведенных с применением метода сканирующей электронной микроскопии, позволяющим анализировать колонии бактерий без нарушения их естественной архитектоники. Выполнено сравнение морфологических особенностей популяций листерий в широком диапазоне температур (от -18 до 37 °С) в различных объектах среды обитания, таких как молочные и мясные продукты, корма, вода, зеленые растения. Морфологическая пластичность клеток листерий и особенности существования популяций листерий в окружающей среде продемонстрированы на приведенных сканограммах. Показано, что листерии адаптируются к меняющимся условиям существования, приобретая способность переходить к гетероморфизму с различными проявлениями L-трансформации, что обеспечивает им длительную персистенцию в окружающей среде. Полученные данные позволили выявить основные закономерности адаптационных механизмов выживаемости у этих бактерий. К таким механизмам, в частности, относится гетероморфизм с различными проявлениями L-трансформации; способность к формированию микроколоний и колоний по типу многоклеточного организма; целостность популяции в процессе развития за счет внутрипопуляционных связей; способность популяции реагировать на воздействие среды обитания.
Бесплатно
Статья обзорная
Вымирание многих видов необратимо и представляет собой часть естественной эволюции, однако деятельность человека повлияла на этот процесс, сделав его гораздо быстрее видообразования. По данным ФАО, примерно 20 % мировых пород крупного рогатого скота, коз, свиней, лошадей и птицы в настоящее время находятся под угрозой исчезновения, многие вымерли в течение последних нескольких лет, в результате чего их генетические характеристики потеряны навсегда. Роль банков генетических ресурсов в управлении и сохранении исчезающих видов особенно заметна в последнее десятилетие. Большинство криобанков фокусирует внимание на криоконсервации гамет (в первую очередь спермы) и эмбрионов. Их основная цель состоит в получении потомства с использованием вспомогательных репродуктивных технологий, которые включают в себя искусственное оплодотворение, экстракорпоральное оплодотворение и трансплантацию эмбрионов. Открытие феномена репрограммирования ядер соматических клеток позволило расширить спектр форм биоматериала в программах по криоконсервации. Создание криобанков соматических клеток - доноров ядер для клонирования рассматривается как вспомогательный инструмент сохранения и улучшения генофонда сельскохозяйственных животных и птицы. Для создания жизнеспособных криоконсервированных клеточных линий достаточно небольшого количества биопсийного материала, в том числе от умершего животного, но при этом такие линии содержат полный геном и протеом. В отличие от половых клеток и эмбрионов, а также от генеративных тканей криоконсервированные соматические клетки после многократного размораживания способны к регенерации, то есть могут практически бесконечно служить источником биоматериала как для использования во вспомогательных репродуктивных технологиях, так и для биологических исследований, в том числе ретроспективных. Кроме того, из-за небольшого размера соматические клетки более устойчивы к криоконсервации. В настоящем обзоре дано краткое описание основ и истории клонирования. Обсуждаются преимущества использования различных типов клеток в качестве кариопластов. В частности, известно, что для производства клонированных животных можно использовать практически любые типы клеток (эмбриональные клетки, клетки молочной железы, кумулюса, гранулезы, яйцевода, печени, фибробласты, лейкоциты и эмбриональные стволовые клетки), но эффективность клонирования при этом существенно зависит от типа клеток. Наиболее результативно с точки зрения эмбрионального развития и рождения живого потомства клонирование с использованием фетальных фибробластов в качестве доноров ядерного материала. Альтернативным источником ядер при клонировании могут быть стволовые клетки. Полностью репрограммировать ядро стволовой или прогениторной клетки (то есть стволовой, детерминированной на дифференцировку в определенный тип клеток) легче, чем терминально дифференцированной, также показано, что при использовании в качестве кариопласта ядер стволовых клеток значительно увеличивается число получаемых клонированных эмбрионов. Дискутируются успехи в области межвидового клонирования как стратегии восстановления редких и исчезающих видов животных. На многочисленных примерах показано, что соматические клетки могут рассматриваться в качестве наиболее перспективного материала для восстановления генетических ресурсов животных разных видов. Так, с 1997 по 2012 годы с использованием дифференцированных соматических клеток были получены домашние и дикие животные разных видов: овцы, мыши, коровы, козы, свиньи, гуар, муфлон, домашняя кошка, кролики, мул, лошадь, крыса, дикая кошка, собака, бантенг, хорек, волк, буйвол, благородный олень, горный козел, верблюд, койот. Лидером по клонированию пока остается крупный рогатый скот, результативность рождения потомства у которого в среднем составляет 10, а в ряде случаев 25 %. Для большинства других животных этот показатель пока что не превышает 1 %. В стандартизированной окружающей среде, которая может достигаться в хозяйствах с хорошей системой управления, продуктивность клонов должна различаться только в пределах остающейся природной изменчивости и обусловленной технологией клонирования митохондриальной генетической изменчивости.
Бесплатно
Статья научная
Предложена формализованная теория идентификации генотипов по фенотипам в современных селекционных технологиях. В основу теории положены математические модели взаимодействия «генотип—среда», для которых решается обратная информационная задача оценивания величин ненаблюдаемых воздействий семи генетико-физиологических систем на выбранные количественные признаки, подлежащие селекционному улучшению.
Бесплатно
Статья научная
Рассматриваются принципиально новые подходы к решению задач подбора родительских пар (сортов) для скрещивания и прогноза эколого-генетического портрета будущего нового сорта. Предложен алгоритм управления селекционным процессом на базе математических моделей взаимодействия «генотип—среда», заключающийся в последовательном выборе вариантов взаимодополняющих эколого-генетических портретов потенциальных родителей и прогнозировании результирующих количественных селекционных признаков. При этом выбор вариантов осуществляется до требуемой степени совпадения прогнозируемых и заданных селекционных признаков. При наличии управляемости экологическими факторами такой выбор дополняется оптимизацией параметров среды, чем обеспечивается максимальное использование эколого-генетического потенциала родителей и последующее повышение надежности идентификации генотипов потомства по их фенотипам.
Бесплатно
Методы генетической модификации и селекция сельскохозяйственной птицы
Статья обзорная
Обсуждаются положительные результаты, полученные селекционерами на практике благодаря использованию научных разработок по трансгенезу. Показано современное состояние и перспективы использования трансгенеза в птицеводстве. Рассмотрен разработанный авторами метод получения трансгенной птицы посредством микроинъекции чужеродной ДНК в яйцеклетки кур и перепелок. В основе метода лежит хирургическая операция, обеспечивающая доступ к яйцеклеткам птиц для проведения микроинъекций ДНК и формирование третичных оболочек яйцеклетки естественным образом в половых путях птицы. Описаны методики микроинъекций в яйцеклетки на разных стадиях их развития. Этим методом получены трансгенные куры с геном гормона роста человека, b-галактозидазы, человеческого b-интерферона и перепела с геном гормона роста крупного рогатого скота. Пересадка гена гормона роста крупного рогатого скота повысила массу яиц и иммунный статус перепелов и их потомков в ряду поколений. Использование трансгенеза для переноса полезного гена даже от одной линии птицы к другой (что достижимо обычными селекционными методами) дает выигрыш по времени минимум в 7-8 лет и, возможно, экономию денежных средств за счет исключения возвратных скрещиваний, необходимых для удаления ненужных генов, которые передаются при естественной половой гибридизации. В настоящее время трансгенез во многом сходен с мутацией — в значительной степени направленной, но сохраняющей множество неопределенностей. Процесс встраивания трансгена имеет вероятностный характер, поэтому для достижения наследуемого трансгенеза может потребоваться получение большого числа первичных трансгенных особей.
Бесплатно
Механизмы формирования неспецифического индуцированного иммунитета у растений при биогенном стрессе
Статья обзорная
В настоящее время вследствие загрязнения агроценозов пестицидами и существенного нарушения защитных реакций биосистем актуальны исследования, направленные на повышение неспецифической устойчивости растений с использованием естественных механизмов. В последние десятилетия определены информационные механизмы взаимодействия фитопатогенов с клетками растений. Для обозначения химических сигналов, возникающих в местах инфицирования растений патогенными микроорганизмами, был предложен термин элиситор (M. Yoshikawa c соавт., 1993; M. Thakur c соавт., 2013). Клеточный неспецифический иммунитет растений основан на узнавании поверхностных молекул фитопатогенов, что служит первичным сигналом, приводящим в действие сложнейшую сеть процессов индукции и регуляции фитоиммунитета (И.А. Тарчевский, 2000). В передаче сигналов существенную роль играют белки и небольшие молекулы-мессенджеры (салициловая и жасмоновая кислоты, перекиси водорода, окиси азота). Салициловая кислота участвует в процессах усиления и умножения сигналов, поступающих от рецепторов в клетки растения, что гарантирует своевременную активацию защиты. Наиболее ранняя реакция растительного организма на внедрение патогена - локальная генерация активных форм кислорода (окислительный взрыв), запускающих цепь последующих защитных реакций (С.Л. Тютерев, 2002). Значительное повышение содержания активных форм О 2 и Н 2О 2 оказывает подавляющее действие на развитие патогенных микроорганизмов. Предполагается, что активированные формы кислорода (АФК) также играют существенную роль в липоксидации мембран, модификации клеточной стенки, трансдукции сигнала (C. Richael с соавт., 1999; T. Pietras с соавт., 1997). Ключевое положение в регуляции количества АФК в клетках занимает антиоксидантная система защиты, основная функция которой заключается в замедлении и предотвращении окисления внутриклеточных органических веществ. В этом процессе определяющее место принадлежит антиоксидантным ферментам - супероксиддисмутазе, каталазе, пероксидазам, а также низкомолекулярным антиоксидантам - аскорбиновой кислоте, глутатиону, токоферолам, каратиноидам, антоцианам (S.S. Gill c соавт., 2010). Один из основных факторов снижения негативных воздействий АФК на клеточные структуры - активация пероксидазных реакций. Существенное защитное свойство пероксидаз заключается в окислении соединений фенольной природы до хинонов, обладающих высокой реакционной способностью (B. Barna с соавт., 1995; E.N. Okey с соавт., 1997). Установлена прямая корреляционная зависимость между активностью пероксидаз в тканях растений и устойчивостью к патогенам (Т.Б. Кумейко с соавт., 2009; N. Radhakrishnan с соавт., 2009). Рост каталазной активности рассматривается в качестве защитной реакции клеток, направленной на их сохранение при биотическом стрессе на более поздних стадиях его воздействия (Ф.М. Шакирова, 2001). Начиная с рецепции сигнальных молекул фитопатогенов на мембране клетки, все метаболические процессы контролируются генами устойчивости, регулирующими комплекс защитных реакций (V. Repka c соавт., 2004). В результате растения продуцируют значительное количество разнообразных веществ, выполняющих защитные функции. Основные из них - фитоалексины и PR-белки (Ю.Т. Дьяков, 2012). Вследствие воздействия стрессовых белков активизируются ферментные системы, происходит стабилизация мембран, повышается активность функционирования митохондрий, хлоропластов и соответственно энергообеспечение (Т.М. Чиркова, 2002). Представленные научные материалы служат основой для разработки новой концепции защиты сельскохозяйственных культур с использованием современных препаратов элиситорного действия, повышающих иммунный статус растений.
Бесплатно
Млекопитающие и птицы - сельскохозяйственные вредители: глобальная ситуация
Статья научная
На земном шаре описаны приблизительно 70 тыс. видов вредителей, повреждающих сельскохозяйственные культуры. В мире потери продукции от сельскохозяйственных вредителей, по одним данным, составляют 33 % (Д. Гейнрих с соавт., 2003), по другим - достигают 40 % (D. Pimentel с соавт., 1999) и оцениваются в 244 млрд долларов в год (D. Pimentel с соавт., 1997). Несмотря на то, что последствия поражения болезнями и насекомыми-вредителями для растениеводства и кормопроизводства обсуждаются чаще, финансовый ущерб, причиняемый млекопитающими и птицами, весьма значителен. Он существенно превосходит убытки, наносимые нематодами, клещами и слизнями, хотя гораздо меньше причиняемого вредными насекомыми. В целом следует отметить, что величина ущерба от млекопитающих и птиц как сельскохозяйственных вредителей постепенно снижается, оставаясь, однако, все еще высокой. Причины этого заключаются как в применении современных научно-конструкторских разработок (новые технологии уборки урожая, методы борьбы с вредителями и т.д.), так и в снижении численности популяций диких животных вследствие уменьшения их ареала и ухудшения условий местообитания. В качестве приоритетной группы животных - вредителей сельского хозяйства охарактеризованы грызуны, описано их воздействие на состояние таких отраслей, как производство зерна, кормовых трав и силосных культур, а также на овощеводство, бахчеводство и плодоводство. Так, ущерб производству зерна в Калифорнии только от калифорнийского суслика ( Spermophilus beecheyi ) составляет от 8 до 12 млн долларов в год (S.A. Shwiff с соавт., 2009). Приведены методы борьбы с грызунами. Описаны другие виды млекопитающих, наиболее значимые с точки зрения их вредоносности. Приведена информация по их составу в ряде регионов мира. В США к ним относятся олени, еноты, койоты, в лесной зоне умеренного пояса - кабан, медведь, некоторые копытные. Указаны цифры экономического ущерба от крупных млекопитающих в некоторых странах. Рассмотрено воздействие растительноядных и всеядных видов птиц на производство зерна, садоводство, овощеводство, семеноводство, а также в связи с программами селекции новых сортов. Например, в Австралии, где известно более 60 видов птиц, вредящих садовым культурам, ежегодные убытки только для садоводства составляют 300 млн американских долларов (Ю.М. Маркин, 2008). Перечислены наиболее вредные в глобальном масштабе виды птиц, приведены цифры финансовых убытков от них для ряда стран.
Бесплатно
Статья научная
Уменьшение скорости роста в ответ на действие многих неблагоприятных факторов среды, в частности УФ-В радиацию, представляет собой защитный механизм, с помощью которого растения минимизируют отрицательное действие возникших повреждений, что может быть связано с сокращением числа клеточных делений. При адаптации к действию УФ-В радиации указанный механизм, по-видимому, реализуется у злаковых растений, обладающих интеркалярным ростом листа, меристематическая зона которого защищена влагалищем. Мы сравнивали динамику роста 1-го листа у ячменя (Hordeum vulgare L.) сортов Фукумуги, Белогорский и пшеницы (Triticum aestivum L.) сорта Ленинградка при выращивании в светоустановках, а также в полевых условиях с моделированием повышенных значений УФ-В радиации (l = 280-320 нм), проведя экспериментальную оценку параметров для различных вариантов моделей роста при стрессе на ранних этапах онтогенеза. Это позволило обосновать методику математического моделирования линейного роста растений в суточном масштабе времени в условиях окислительного стресса, вызванного действием УФ-В радиации. Точность оценки торможения линейного роста при применении разработанных моделей составила ±5-6 мм. При этом наилучшие результаты дают динамические варианты моделей, точность которых на 20-25 % выше, чем у статической модели. С помощью предлагаемых моделей может быть описано торможение линейного и/или массово-объемного роста в зависимости от интенсивности и дозы действующего стрессора. Показатели качества идентификации и точности прогнозирования позволяют предположить, что разработанный метод также применим для моделирования линейного роста растений при действии других абиотических факторов, вызывающих окислительный стресс, а также их сочетаний.
Бесплатно
Нанотехнологии в изучении работы генов (обзор)
Статья обзорная
Обсуждаются современные технологии микроскопирования, позволяющие напрямую наблюдать генные продукты в клетках, и в частности перспективы применения нанок-ристаллов - квантум-дотов (QDs). Приведены материалы флуоресцентного микроскопирования ткани молочной железы овец, трансгенных по химозину. Эти данные сравниваются с результатами использования новых методических решений для визуализации в клетке продуктов синтеза на основе флуоресцентных проб с наночастицами. Описаны другие способы повышения эффективности микроскопирования при выявлении следов генной активности.
Бесплатно
