Прогамдық және постгамдық сәйкессіздіктерді in vitro жағдайында жеңу

Кіріспе

 

Биотехнология (bios - тіршілік; thechne-өнер, шеберлік;logos-ғылым) - тірі ағзалар мен биологиялық үрдістерді өндірісте пайдалану; экономикалық құнды заттарды алу үшін ген және жасуша деңгейінде өзгертілген биологиялық объектілерді құрастыру технологияларды мен пайдалану жөніндегі ғылым және өндіріс саласы.

Биотехнологияның негізгі объектісі - тірі жасушалар, атап айтқанда жануар, өсімдік текті жасушалар және микробтар немесе олардың биологиялық белсенді метаболиттері.

Биологиялық объектілерге сан-алуан организмдер, олардың әр түрлі мүшелері мен ұлпалары, әсіресе клеткалары және пропопласттары, солардың құрамындағы органоидтар, хромосомалар, тіпті жекелеген гендер де жатады. Ал биологиялық процесстерге келер болсақ, олардың тіршілік үшін ең маңыздылары – өніп-өсу, даму, көбею, зат пен энергия алмасу информация қабылдау, сақтау, пайдалану және стресстік, қолайсыз факторларға бейімделу болып табылады. Биотехнолгиялық жолмен алынатын өнімдерге көптеген дәрі-дәрмектер, белоктар мен ферменттік препараттар, құлпырған табиғи бояулар, хош иісті заттар, витаминдер және тағы басқа да биологиялық активті қосындылар кіреді.

Биотехнологиялық әдістердің көмегімен селекция процесін жүргізуде ежелден қолданылып келе жатқан тәсілдерді (будандастыру, мутагенез, сұрыптау, т.б.) едәуір жеңілдетіге, тездетуге болады. Бұл бір дейік. Екіншіден, керемет зор нәтижелерге қол жеткізетін мүмкіндіктер тууына жол ашылды. Бұлар биоинженерия (клеткалық инженерия, гендік инженерия) принциптері негізінде бұрынды-соңды дүниеде болмаған, түп-тұқияннан қалыптасқан қасиеттерді тіпті қиялға симастай етіп өзгертіп, жаңа организмдерді конструкциялау, «жасап шығару». Осындай биотехнологиялық жолдармен өсімдіктердің сапалы сорттары, малдың асыл тұқымдары, микроорганизмдердің аса өнімді штаммдары алынады.

Алғаш рет «биотехнология» термині 1917 жылы Карл Эреки шошқаларды қант қызылшесымен қоректендіру кезінде олардың өнімдерінің жоғарылауы жасалған жұмыстарының нәтижесінде берілген.

Биотехнология ғылыми пән және өндірістік технология есебінде тірі жасушаның биоөндіргіштік белсенділігін зерттеуге, сапалы өндірушілік қабілеті бар және әртүрлі салаларда: ауыл шаруашылығында;  фармацевтикада; тағам өнеркәсібінде; биоэнергетикада; қоршаған орта ремедиациясында; биоэлектроникада; тағы басқаларда қолданылады.

 

 

 

 

 

2.1. Прогамдық және  постгамдық сәйкессіздіктерді in vitro жағдайында жеңу

 

Дүние жүзінде маңызды ауыл шаруашылығы дақылдарының генофонды барған сайын азайып, тозып бара жатыр. Жалпы алғанда, қазір кең көлемдее егілетін суперсорттардың саны онша көп емес. Және де олар көбінесе сортаралыық будандастыру арқылы шығарылған. Сондықтан олардың генотиптері бір-бірімен тетелес келеді. Жаңа пайдалы қасиеттерді олардың бойына дарыту мүмкіншілігі азайуда. Мұндай жағдайда алшақ будандастырудың маңызы артады. Селекция мен генетикада алшақ будандастыру ерекше орын алады. Екпе дақылдардың генофондын байытуда басқа әдістерге қарағанда бұл әдістің маңызы өте зор. Алшақ будандастыру, әсіресе мәдени мен жабайы өсетін түрлерді будандастыру пайдалы. Бар сорттарды жақсартып, олар өсетін ареалды кеңейтіп қана қоймай, мүлде жаңа жоғарғы өнімді сорттарды, тіпті өсімдіктердің жаңа түрлерін шығаруға мүмкіншілік туғызады. Бірақ өкінішке орай, зерттеуші алшақ будандастыруды жүргізгенде прогамдық және постгамдық сәйкессіздік кедергі келтіреді.

Прогамдық сәйкессіздік, яғни ұрықтанудың басталмауы. Бұл жағдайда будандастыруға алынған аналық пен аталық парлар арасында ұрықтану процесі жүрмейді. Оның бірнеше себептері болады:

1) тозаңның тіршілік мерзімінің  қысқалығы;

2) аталық және аналық  гаметалардың дамып жетілетін  уақыттарының сәйкес келмеуі;

3) аналық мойны мен  тозаң түтігінің ұзындықтарының  бірдей еместігі;

4) тозаңның өнуге қабілеті  болмауынан немесе тозаң түтігінің  өсуінің тоқтап қалуынан оның  ішіндегі спермийлер ұрық қалтасына  жете алмайды;

5) аталық гаметаның жұмыртқа  клеткасымен қосылмауы. Парлардың  генетикалық сәйкессіздігі аналық  аузы, мойны және тұқым бүршігі  деңгейінде байқалады.

Көрсетілгендей, сыйымсыздық гендері тозаңдану, тозаң түтіктерінің өсу, ұрықтану және тұқымның даму мерзімдерінде активтелінеді. Бірталай будандық комбинацияларында, әсіресе арпаны түраралық будандастырғанда, өсіп келе жатқан будан ұрықтың клеткаларында генетикалық себептер ата-аналық бір түрдің хромосомалары жойылады (элиминация). Бұл құбылыс Hordeum vulgare мен H.bulbosum сорттарын будандастырып гаплоид алу үшін кең пайдаланылады. Прогамдық сыйымсыздықтың жоғарыда аталған себептерінің кейбіреулерін ұрықтандыруды in vitro жағдайында өткізіп жеңуге болады.

Постгамдық сәйкессіздік – ұрықтану процесі өткеннен кейін пайдаа болған будан ұрық пен оны қоршап тұрған ұлпалардың генетикалық сәйкессіздігі. Осындай сейкессіздік ұрық дамуының (эмбриогенез) қандай да болмасын кезеңдерінде орын алуы мүмкін. Тозаң түтікшесі арқылы ұрық қалтасына енген екі спермийдің бірі жыныс клеткасымен қосылып, зигота пайда болады, одан ұрық дамиды, ал басқа спермий екі ядросы бар орталық клеткамен қосылып, одан эндосперм дамиды. Сондықтан ұрық диплоидтық, ал эндосперм үшплоидтық болады. Осы проццесс қосарлы ұрықтану деп аталады. Бұл барлық жоғарғы сатыдағы гүлді өсімдіктерге тән заңдылық. Бұл заңдылықты 1898 жылы С.Г. Навашин ашқан.

Алшақ будандастыру кезінде постгамдық сәйкессіздіктің кесірінен ұрық пайда бола алмайды, ал кейде пайда болғанның өзінде де жөнді дамымайды. Осындай сәйкессіздіктің бірнеше себебі бар:

1) екі спермийдің бірімен  бірі жабысып, олардың ажырамауы;

2) спермийдің жұмыртқа  клеткасымен қосылмауы;

3) спермийдің орталық  клеткаға қосылмауы, сөйткеннің  өзінде де эндоспермнің өте  баяу дамуы;

4) эндосперм мен ұрықтың  жағымсыздығы (эндосперм ұрықтың  дамуын тежейтін заттар бөліп  шығаруы ықтимал);

5) әлі зерттеліп анықталмаған  беймәлім құбылыстар.

Жиі кездесетін постгамдық сәйкессіздік эндосперм мен ұрықтың қарым қатынасына байланысты. Эндосперм дамып келе жатқан ұрық үшін қоректік және реттеуші заттардың қайнар көзі. Сондықтан эндоспермнің түзілуі бұзылса, ұрықтың даму шапшаңдығы тежеледі. Әсіресе, бұл ұрық дифференцияланған кезде қатерлі жағдай. Соның салдарынан ұрықтың дамуы қиындайды, ол кішірейіп, тіпті жойылып кетеді. Сонымен бірге ұрықтың құрылысында түрлі ауытқулық пайдаа болып, ұрығы жетілмеген сапасы кем, өну қабілеті нашар немесе тіпті өне алмайтын тұқым қалыптасады. Будан ұрықтың өсуі мен дамуының тежелуі немесе жөнді жүрмеуі аналық өсімдіктің ұлпасындағы кейбір заттардың ұрықтың қоректенуіне жарамсыздығына байланысты болуы мүмкін. Кейде будан тұқым өніп, өскін шыққанда оның клеткаларының құрамындағы кейбір хромосомалары жойылып, химера өсімдіктер пайда болатын жағдайлар кездеседі. Будан өсімдіктердің одан кейінгі онтогенез кезеңдерінде дамуының ауытқуы да болады, оның себебі будан некрозының, хлороздың, әлсіздіктің, ергежейліліктің гендерінің қызметіне байланысты болуы мүмкін. Мейозды реттейтін гендердің өзгеруі жыныс клеткаларының әдеттегідей дамуының тоқтауына апарып соғады. Соның салдарынан будандардың ұрық бергіштік қасиеті (фертильность) шектеледі.

Постгамдық сыйымсыздықты жеңу үшін будан ұрықты in vitro жағдайында өсіреді. Өсімдіктерді алшақ будандастыруда in vitro жағдайында пайдаланылатын әдістердің ең кең қолданылатыны, ол осы будан ұрықты өсіру әдісі. Бұл әдіс (эмбриокультура) жөнінде толығырақ мәлімет кейінірек беріледі.

 

 

 

 

 

 

2.2. In vitro ұрықтандыру

 

Іn vitro жағдайында тозаңды, тұқым бүршіктерін және түйіндерді өсіру әдістерінің жетілуі арқасында тозаң мен ұрықталмаған тұқым бүршігін бірге өсіріп прогамдық сыйымсыздықты жеңетін жолы табылды. Іn vitro жағдайында өткізетін тозаңдандыру мынадай кедергілерден өтуге мүмкіншілік туғызады: 1) тозаңның аналық мойынының жоғарғы бөлігінде өсе алмауы; 2) тозаң түтіктерінің өте ұзын аналық мойны арқылы тұқым бүршікке жете алмауы; 3) тозаң түтіктерінің өте баяу өсуі немесе олардың аналық мойнында жарылып кетуі. Тұқым бүршігі іn vitro өсіргенде ұрықтанудың мүмкіншілігі аналық мойынды алып тастаса, арта түседі. Тозаңдандырудан бастап будан тұқым өсіп шыққанша барлық процесстер іn vitro жағдайында өтеді.

Бұл салада үнді ғалымдарының қосқан үлесі зор. Бірінші болып 1958 жылы атақты эмбриолог С. Махешвари көкнәрдің ұрығынан тұқым бүршігін  іn vitro жағдайында өсіріп, одан пісіп жетілген тұқым алған. Содан кейін ол көкнәр мен темекінің бүрбүртігі (плацента) бар және бүрбүртігі жоқ тұқым бүршіктерін іn vitro тозаңдандыру әдісін жете зерттеп дайындады.

Мойынды, түйін ұшын немесе тікелей түйіннің өзін іn vitro тозаңдандыру әдісі нормалы тұқымның түзілуіне жеткізеді. Осылай тіршілікке икемді томат, темекі, түйебұршақ, қауын, қияр, бүлдіргеннің будан тұқымдары алынған. Айқас және өздігінен тозаңданатын өсімдіктердің гүл шанақтарын ашылуға бір күн қалғанда кесіп алып, оларды зарарсыздандырып, аналықты бөліп алады. Аналықтың мойнын қысқартып немесе толық кесіп тастап, түйінді қоректік ортаға отырғызады. 2-3 күн өткен соң, мойын кесіндісіне немесе түйіннің жанына агарға стерильденген тозаңды себеді, ол өсе келе микропиле арқылы ұрық қалтасына енеді. Ұрықтың дамуы іn vitro жағдайында in vivo сияқты әдеттегідей өтеді.

Бұл процедураны жеңілдету жолы бар, ол үшін тұқым бүршігін бүрбүртігімен бірге өсіріп, сонан соң тозаңдандыру. Бұнда тұқым бүршігі мен тозаң жасанды қоректік ортада гинецей ұлпаларының теріс әсерін сезбейді. Өзара сыйымсыздығы бар өсімдік түрлерінің тозаңдандыру үшіін тек осы әдіс жарайды. Мысалы, шырайгүлді екі жолмен тозаңдандыруға болады. Тозаңды аналық мойынның үстіне себеді немсе түйінге тікелей себеді. Осы екі әдіс салыстырмалы зеттелді. Нәтиже көрсеткендей, бірінші жолы тозаң түтігінің тұқым бүршігіне дейін өтетін жолы ұзын болса, табысты ұрықтандырудың мүмкіндігі артады.

Бүрбүртігі бар түйінді ұрықтандыру әдісінің де өз артықшылығы бар. Бұл кезде ұрық тыныштық кезеңіне душар болмайды, одан өскіндер жедел пайда болады. Демек, будан өсімдікті алу мерзімі қысқарады. Осы әдіспен темекінің түраралық будандары алынған. Іn vitro тозаңдандыру түйіндерінде көптеген тұқым бүршіктері бар көкнәр, қалампыр, алқа тұқымдастар (темекі, шырайгүл) өсімдіктерінде сәтті өтеді.

Іn vitro ұрықтандыру әдісі генетика мен селекцияның теорияялық мәселелерін шешуден басқа, тозаңның және ұрықтандырудың физиологиясын зерттеу үшін қолданылады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3. Ұрықтарды in vitro өсіру

 

Бірінші рет 1925 ж. Ф. Лайбах сібір зығыры мен австриялық зығырдың әдетте ұрпақсыз буданының жас ұрықтары in vitro өсіріп, тіршілік қасиетіне ие өсімдік алған. Содан бастап ұрықты өсіру әдісі түраралық және туысаралық будандардың тіршілікке икемді ұрықтарын сақтап қалу үшін қолданылып келеді. Бұл тіпті постгамдық сыйымсыздықты жеңетін таптырмайтын әдіс болып кетті. Осы әдіспен көптеген түраралық (арпа мен бидай, арпа мен қара бидай, диплоидтық және үшплоидтық күріш сорттары) будандар алынады.

Дағдыдағыдай, будан ұрықтарының ерте мерт болуы олардың клеткаларындағы өзгерістерімен ғана шектелмейді, оларға аномольдық дамып келе жатқан эндосперм мен ұрық қалтасын қоршаған гинецей ұлпаларының теріс әсері тиеді. Сондықтан оларды мезгілінде бөліп алып, in vitro жағдайында өсіріп аман сақтап қалуға болады. Пісіп жетілмеген ұрықтарды in vitro жағдайында нәтижелі өсіру көп факторлармен, ең алдымен оның даму кезеңімен, дифференцияланған деңгейімен байланысты. Дифференцияланудан өткен ұрықтарды өсіру оңайға түседі.

Астық дақылдарының ұрығын табысты өсіру үшін оларда жетілген дәнжарнағы болуы керек, өйтпесе өркен мен сабақ бастамаларының қалыптасуы тежеледі. Мысалы, арпа ұрығы глобулалық кезеңнен дифференциялану кезеңіне тозаңданғаннан кейін 5 тәуліктен соң өтеді. Оның дәнжарнағы 10-шы тәулікке қарай қалыптасады, бұл кезде ұрықтың ұзындығы 0,45 мм шамасы. Будан ұрықтарында даму процессі бәсең жүреді, әсіресе көзге көрінетін морфологиялық дифференциялану басталғанша. Бұл кезде олардың құрылымында аномалиялар пайда болуы мүмкін.

Ұрықтарды бөліп алу мерзімін алғашқы донор өсімдіктердің генотиптеріне байланысты белгілейді. Будан ұрықтың даму деңгейін және будандастыру өткізілген жағдайларды ескере отырып, астық тұқымдасы ұрықтарының ең өтпелі кезеңі, ол тозаңданудан кейінгі екінші декадасы (он күндік) екені белгілі болды.

Дифференцияланбаған (өзіне тән ұлпалары түзіліп аяқталмаған) ұрықтарды өсіру қиынға соғады. Оның басты себебі – жасанды қоректік ортаның құрамына қосылатын гормондық факторлар эндоспермнің табиғи жағдайда түзетін гормондық заттарындай болмауында. Сондықтан in vitro жағдайында ұрықтың дұрыс дамуы үшін жасанды қоректік ортаның құрамын әр өсімдіктің түрііне сәйкес ылғи да толықтырып өңдеу қажет болады. Ұрық пен эндосперм арасындағы тығыз байланыстың болуы, әсіресе эмбриогенездің бастапқы кезеңінде, ұрықтарды in vitro жағдайында өсіргенде айқындалады. Жаңа ғана түзіліп келе жатқан эндосперм мен әбден дамып жетілген эндоспермнің гормондық құрамдарының арасында көп айырмашылыққ бар. Егер жас эндосперм ұрықтың дифференциялдануына себепші болса, пісіп жетілген эндосперм бұл процесті едәуір тежейді. Солай болғандықтан, жетілмеген ұрықтар қоектік ортаның құрамын телғағыш, өте «сезімтал» келеді. Сондықтан қоректік ортаға физиологиялық активтілігі жоғары заттар қосылады. Сонымен қатар жас эндоспермдердің экстракттары да пайдаланылады,  мысалы, кокос жаңғағының, жүгернің, каштанның, т.б. өсімдіктердің. Кейде қоректік ортаға будан ұрықтың қасына тақап немесе аналық өсімдіктерінің эндосперм, нуцеллус және басқа да көбею жүйесінің бөліктерін отырғызу жақсы нәтиже береді.

А. Крузе астық тұқымдастардың жете дифференциаланбаған ұрықтарын кокос сүті қосылған қоректік ортада өсіп жатқан арпаның «бағушы эндоспермнің» үстіне салып өсірген. Бұл эндоспермдер ұрықтардан 2-5 күн ертерек пайда болған. Осындай in vivo жағдайында барынша сәйкес in vitro жағдайда өте кішкентай (шамасы 0,2 мм) түрлі туысаралық будан ұрықтары (арпа х қара бидай, арпа х бидай, арпа х бидайық) дамып жетілген және де өскіндерді берген.

Әлбетте, ұрықты өсіргенде оның тек қана жалпы көлемі емес, ішіндегі клеткалардың саны мен олардың құрамындағы метаболиттердің мөлшері маңызды. Бірақ соңғы көрсеткішті анықтау өте қыйынға соғады, сондықтан цитоэмбриологиялық зерттеу қолайлы келеді. Ол ұрықтың in vitro жағдайында өсуі тоқтаған уақыты мен даму кезеңін белгілеуге мүмкіншілік береді. Т.Б. Батыгина мен В.Е. Васильева шұғынықтың әр түрлерінің табиғи және жасанды жағдайда өскен ұрықтарын салыстырып зерттеді. Соның нәтижесінде эмбриогенездің ең маңызды кезеңі – автономдық кезеңі анықталды. Осы кезеңнен бастап ұрық аналық организмнен тәуелсіз болады, жетіліп, дамып өскін бере алады. Әрбір өсімдіктің түрінде автономдық фазасын анықтау өте маңызды, өйткені сол кезден ол құрамы қарапайым гормоны жоқ ортада дербес өз алдына дами алады. Шұғынықтың ұрықтарының автономдығы жүрек тәрізді кезеңінде, яғни тұқым жарнақтары дифференцияланғанда жүзеге асады.