Физиологические основы культивирования растений in vitro

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова
Факультет биологии и экологии
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по развитию образования
_______________________Е.В.Сапир
"_____"____________2012 г.
Рабочая программа дисциплины
послевузовского профессионального образования
(аспирантура)
Физиологические основы культивирования растений in vitro
по специальности научных работников
03.01.05 Физиология и биохимия растений
Ярославль 2012
2
1. Цели освоения дисциплины
Целями освоения дисциплины «Физиологические основы культивирования растений in
vitro» в соответствии с общими целями основной профессиональной образовательной программы послевузовского профессионального образования (аспирантура) (далее - образовательная программа послевузовского профессионального образования) являются:
- ознакомление аспирантов с физиологическими основами культивирования растений in vitro;
- изучение основных физиологических изменений у растений на уровне клетки, ткани, органа и целого организма в культуре in vitro;
- развитие у аспирантов способностей к самостоятельному анализу, сопоставлению и обобщению материала, касающегося биотехнологических методов культивирования растений и
их теоретических основ.
2. Место дисциплины в структуре образовательной программы послевузовского профессионального образования
Данная дисциплина относится к разделу обязательные дисциплины (подраздел дисциплины
по выбору аспиранта) образовательной составляющей образовательной программы послевузовского профессионального образования по специальности научных работников 03.01.05
Физиология и биохимия растений.
Дисциплина «Физиологические основы культивирования растений in vitro» показывает физиологические основы культивирования клеток, тканей, органов и целого организма растения в культуре in vitro, методы трансформации растительных объектов и возможности получения продуктов их биосинтеза. Даная дисциплина имеет логические и содержательно-методические взаимосвязи с другими частями ООП, а именно со специальной дисциплиной «Физиология и биохимия растений, методы физиолого-биохимических исследований», с курсом
по выбору (Интеграция физиологических процессов у растений), факультативной дисциплиной (Методы культивирования высших растений in vitro) и специальной практикой по физиолого-биохимическим методам исследований.
Для изучения данной дисциплины необходимы «входные» знания, умения, полученные в
процессе обучения по программам специалитета или бакалавриата – магистратуры, а также
при изучении специальной дисциплины «Физиология и биохимия растений, методы физиолого-биохимических исследований» в аспирантуре. Освоение данной дисциплины необходимо как предшествующее для дисциплины «Методы культивирования высших растений in
vitro» и специальной практики по физиолого-биохимическим методам исследований.
3. Требования к результатам освоения содержания дисциплины «Физиологические
основы культивирования растений in vitro»
В результате освоения дисциплины «Физиологические основы культивирования растений in
vitro» обучающийся должен:
знать:
- физиологические основы культивирования клеток, тканей, органов и целого организма растения in vitro;
- методы культивирования растений in vitro, их практическое значение;
уметь:
- оценивать физиологические аспекты трансформации растительных объектов и возможности получения продуктов их биосинтеза;
- применять полученные знания по физиологии и биохимии растений при решении конкретных биотехнологических задач;
владеть:
3
- навыками обработки теоретической информации по физиологическим основам жизнедеятельности растений в культуре in vitro;
- методами физиолого-биохимических исследований растений в целях биотехнологии.
1
2
3, 4
3
1
5, 6
1
7, 8
4
5
1
6
7
Формы текущего
контроля успеваемости
(по неделям)
Форма промежуточной
аттестации
Контроль сам.
работы
1
Сам. работа
1, 2
Практических
1
Лабораторных
Тема 1. Цель и задачи
культивирования растений in vitro
Тема 2. Клетка как основа биотехнологий
Тема 3. Секреторные
функции клетки и факторы их определяющие
Тема 4. Дедифференцировка как основа каллусогенеза
Тема 5. Морфогенез и регенерация in vitro
Тема 6. Культура органов и целых растений
Тема 7. Молекулярные
основы генетической
инженерии растений
Виды учебной работы, включая
самостоятельную работу обучающихся, и трудоемкость (в часах)
Форма обуч.: очная/заочная
Лекций
Раздел
Дисциплины
Неделя
№
п/п
Курс
4. Структура и содержание дисциплины «Физиологические основы культивирования
растений in vitro»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетные единицы, 72 часа.
8
реферат
10
реферат
10
реферат
10
контрольная работа
9, 10
10
реферат
1
11, 12
10
реферат
1
13, 14
10
1
2
2
4
68
Зачет
Содержание дисциплины
Тема 1. Цель и задачи культивирования растений in vitro
Основные направления клеточной и тканевой инженерии растений, их цели и задачи. Каллусные культуры. Суспензионные культуры. Изолированные протопласты. Клональное микроразмножение. Генетическая инженерия растений. Роль в селекционном процессе, фармакологии, медицине, сохранении редких и исчезающих видов. Коллекции и криобанки клеточных культур.
Тема 2. Клетка как основа биотехнологий
Функциональная морфология растительной клетки. Свойства клеточной стенки, плазмалеммы и протопласта. Способы выделения и культивирования протопластов. Генетический
аппарат ядра, пластид и митохондроий. Митотический цикл. Общая характеристика меристем. Особенности обмена веществ меристематических клеток. Увеличение объема клетки.
Роль цитоскелета в росте клетки. «Фиксация» окончательных размеров и формы клетки. Раз-
4
дражимость. Обратимость старения. Смерть клетки. Уникальные свойства растительной
клетки – автотрофность и тотипотентность. Их значение в клеточных технологиях.
Тема 3. Секреторные функции клетки и факторы их определяющие
Общая характеристика секреции. Выделение воды. Секреция углеводов, белков и гликопротеидов. Способность клеток растений к синтезу вторичных продуктов. Биохимия вторичного
метаболизма. Фенольные соединения. Терпеноиды. Алкалоиды. Витамины. Пути их биосинтеза и энзимология. Локализация вторичных метаболитов. Изменение вторичного метаболизма в онтогенезе клетки. Факторы, влияющие на продуктивность клеток в культуре in vitro.
Повышение продуктивности культур растительных клеток. Биосинтетическая активность
клеток в чистых и смешанных культурах.
Тема 4. Дедифференцировка как основа каллусогенеза
Клеточный цикл. Дифференцировка клеток. Типы дифференцированных тканей. Регуляция
процессов дифференцировки. Дедифференцировка. Регенерация, обусловленная дедиференцировкой клеток. Образование каллуса. Роль ауксинов и цитокининов в каллусогенезе. Гормононезависимость каллусных клеток. Их цитоморфологические и физиологические характеристики. Утрата клеткой способности к вторичной дифференцировке. Ростовая кривая каллусных клеток. Старение и отмирание каллусной клетки. Физиологическая асинхронность.
Генетическая гетерогенность популяций соматических клеток.
Тема 5. Морфогенез и регенерация in vitro
Детерминированные клетки (клетки-инициали). Цитодифференцировка. Формирование меристематических очагов. Восстановление плазмодесм. Гистогенез в каллусной ткани. Образование отдельных органов in vitro. Роль фитогормонов. Вторичная регенерация целого
растения. Соматический эмбриогенез. Стадии формирования соматических эмбриоидов.
Ограничение тотипотентности. Факторы, регулирующие морфогенез.
Тема 6. Культура органов и целых растений
Культура побегов, ее поддержание. Микрочеренкование. Продукция вторичных метаболитов
в культуре побегов. Примеры культуры побегов. Культура корней, ограничение ее использования для получения вторичных метаболитов. Культура органов как модель культивирования растений для получения ценных продуктов их биосинтеза. Культивирование in vitro целых растений, значение и перспективы.
Тема 7. Молекулярные основы генетической инженерии растений
Молекулярно-генетические аспекты трансформации растений. Этапы создания трансгенных
растений. Методы трансформации высших растений. Экспрессия и генетическая стабильность чужеродных генов. «Замолкание» генов. Проекты получения трансгенных растений.
Клонирование генов растений. Основные этапы и методы.
5. Образовательные технологии
Учебный курс строится на сочетании лекционных занятий и самостоятельной работы аспирантов. Лекции читаются с использованием мультимедийной установки, иллюстраций, таблиц. В
учебной работе используются активные и интерактивные технологии: творческие задания,
структурирование проблем с помощью метаплана и др. Предусмотрено проведение контрольных работ; обсуждение научных данных по итогам освоения каждой темы; подготовка рефератов по темам с использованием научных журналов (Биотехнология, Физиология растений и
др.); обсуждение рефератов. В самостоятельной работе аспиранты активно используют электронные информационные ресурсы и библиотечный фонд. В период самостоятельной подготовки аспиранты имеют возможность обсудить разделы дисциплины с преподавателем.
6. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы обучающихся
В качестве средств текущего контроля используется одна контрольная работа, а также написание в течение семестра одного реферата на выбранную тему. Итоговая форма контроля (за-
5
чет) дает возможность выявить уровень профессиональной подготовки аспиранта по данной
дисциплине.
Вопросы к контрольной работе
1. Физиологические основы клеточной инженерии.
2. Характеристика меристематической клетки.
3. Роль цитоскелета в росте клетки.
4. Смерть клетки.
5. Секреция клеткой углеводов, белков и гликопротеидов.
6. Секреция клеткой вторичных метаболитов.
7. Изменение вторичного метаболизма в онтогенезе клетки.
8. Повышение продуктивности культур растительных клеток.
9. Клеточный цикл.
10. Дифференцировка и дедифференцировка.
11. Регенерация, обусловленная дедиференцировкой клеток.
12. Фитогормоны и каллусогенез.
13. Гормононезависимость каллусных клеток.
14. Старение и отмирание каллусной клетки.
15. Физиологическая асинхронность популяций соматических клеток.
16. Генетическая гетерогенность популяций соматических клеток.
Темы рефератов:
1. Экспериментальные системы изучения синтеза вторичных метаболитов с использование
культуры тканей растений.
2. Накопление вторичных метаболитов в культурах клеток и тканей растений в разных
условиях культивирования.
3. Размножение сельскохозяйственных культур in vitro.
4. Физиологические основы соматической гибридизации.
5. Фотосинтез и фотоавтотрофные культуры растительных клеток.
6. Проблемы и перспективы в исследовании протопластов.
7. Культура генеративных органов растений.
8. Морфогенетические процессы в тканях изолированных зародышей.
9. Получение гаплоидных растений.
10. Молекулярные механизмы морфогенеза в культуре клеток.
11. Роль сахарозы в регуляции морфогенеза in vitro.
12. Использование культур тканей в процессе селекции.
13. Культура изолированных почек.
14. Технологии массовой регенерации растений in vitro.
15. Сохранение регенерационной способности у каллусов.
16. Взаимодействия растительных клеток в искусственных ассоциациях.
Вопросы к аттестации (зачету)
Функциональная морфология растительной клетки как основа биотехнологий.
Роль автотрофности клетки в культуре in vitro.
Роль тотипотентности клетки в культуре in vitro.
Физиологические основы получения и культивирования изолированных протопластов.
Способность клеток растений к синтезу вторичных продуктов.
5. Локализация вторичных метаболитов в клетке.
6. Изменение вторичного метаболизма в онтогенезе клетки.
7. Факторы, влияющие на продуктивность клеток в культуре in vitro. Повышение продуктивности культур растительных клеток.
1.
2.
3.
4.
6
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
Биосинтетическая активность клеток в чистых и смешанных культурах.
Физиологические основы получения каллусных культур.
Регуляция процессов дифференцировки.
Дедифференцировка. Образование каллуса.
Роль ауксинов и цитокининов в каллусогенезе.
Цитоморфологические и физиологические характеристики каллусных клеток.
Ростовая кривая каллусных клеток.
Генетическая гетерогенность популяций соматических клеток.
Особенности обмена веществ меристематических клеток.
Цитодифференцировка. Формирование меристематических очагов.
Гистогенез в каллусной ткани.
Физиологические основы клонального микроразмножения растений.
Образование отдельных органов in vitro. Роль фитогормонов.
Вторичная регенерация целого растения.
Соматический эмбриогенез. Стадии формирования соматических эмбриоидов.
Факторы, регулирующие морфогенез.
Культура побегов, ее поддержание. Микрочеренкование.
Культура корней, ограничение ее использования для получения вторичных метаболитов.
Культивирование in vitro целых растений, значение и перспективы.
Молекулярно-генетические аспекты трансформации растений.
Молекулярные основы генетической инженерии растений.
Этапы создания трансгенных растений.
Экспрессия и генетическая стабильность чужеродных генов.
Проекты получения трансгенных растений.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
а) основная литература:
Загоскина Н.В., Назаренко Л.В., Калашникова Е.А., Живухина Е.А. Биотехнология: теория и
практика. М.: Изд-во Оникс, 2009. 496 с.
б) дополнительная литература:
Биология культивируемых клеток и биотехнология растений / Под ред. Р.Г. Бутенко. М.:
Наука, 1991. 280 с.
Биотехнология сельскохозяйственных растений. М.: Агропромиздат, 1987. 301 с.
Дерябин Д.Г. Функциональная морфология клетки. М.: КДУ, 2005. 320 с.
Егорова Т.А., Клунова С.М., Живухина Е.А. Основы биотехнологии. М.: Академия, 2003. 208
с
Катаева Н.В., Бутенко Р.Г. Клональное микроразмножение растений. М.: Наука, 1983. 96 с.
Квеситадзе Г.И., Безбородов А.М. Введение в биотехнологию. М.: Наука, 2002. 284 с.
Лутова Л.А. Биотехнология высших растений. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2003. 228 с.
Николаева Л.А. Культура тканей лекарственных растений и ее биотехнологическое использование. СПб.: СПбХФИ, 1992. 60 с.
Сытник К.М. Клеточная инженерия растений. Киев: Наукова думка, 1984. 160 с.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
- для демонстрации презентаций используются программы Windows и MS Office;
- в качестве вспомогательных интернет-ресурсов по дисциплине используются:
научная электронная библиотека с возможностью полнотекстного доступа к периодическим изданиям eLIBRARY: http://www.elibrary.ru;
поисковая система библиографической научной информации: http://www.maik.ru;
cайты научных журналов:
Биотехнология – http://www.genetika.ru/journal;
7
Физиология растений – http://www.rusplant.ru;
сайты научных библиотек, на которых бывает открыт полнотекстовый доступ к российским и зарубежным журналам:
Библиотека по естественным наукам РАН – http://www.benran.ru;
Библиотека Российской академии наук – http://www.csa.ru;
Государственная публичная научно-техническая библиотека России – http://www.gpntb.ru;
Научная библиотека Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова –
http://www.lib.uniyar.ac.ru;
Центральная научная сельскохозяйственная библиотека – http://www.cnshb.ru;
Ярославская областная универсальная научная библиотека им. Н.А. Некрасова –
http://www.rlib.yar.ru.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
- учебная аудитория с мультимедийным проектором для проведения лекционных занятий;
- учебный фонд цифровых материалов (видеофильмы, фото, рисунки, иллюстрации из книг и
др.) для лекционных занятий;
- учебная аудитория с комплексным лабораторным оборудованием;
- компьютерный класс с доступом в Интернет.
Программа составлена в соответствии с федеральными государственными
требованиями к структуре основной профессиональной образовательной программы послевузовского профессионального образования (аспирантура) (приказ Минобрнауки от 16.03.2011 г. № 1365) с учетом рекомендаций, изложенных
в письме Минобрнауки от 22.06.2011 г. № ИБ – 733/12.
Программа одобрена на
заседании кафедры ботаники и микробиологии
09.10.2012 (протокол № 2)
Заведующий кафедрой
Шеховцова Н.В., к.б.н., доцент
Автор
Маракаев О.А., к.б.н., доцент