Самостійна робота № 4

Тема: Генетичні основи селекції організмів. Основні напрямки сучасної біотехнології

Завдання сучасної селекції. Поняття про сорт, породу, штам

Селекція (від лат. селекціо - вибір, добір) - наука про теоретичні основи та методи створення нових і поліпшення вже існуючих сортів рослин, порід тварин і штамів мікроорганізмів, пристосованих до сучасних умов сільського господарства та промисловості.

Теоретичною основою селекції є генетика та вчення про штучний добір. Селекціонер має бути добре обізнаним з особливостями розмноження, індивідуального розвитку та процесів життєдіяльності тих видів, з якими він працює.

Завдання сучасної селекції - це підвищення продуктивності існуючих, а також виведення нових, продуктивніших, сортів культурних рослин, порід свійських тварин, штамів мікроорганізмів, пристосованих до умов сучасного автоматизованого сільського господарства та промисловості.

Селекція бере участь у вирішенні основного завдання сільського господарства - забезпеченні максимального виробництва харчових продуктів за мінімальних затрат. Над вирішенням цих завдань у нашій країні працюють різноманітні науково-практичні центри: селекційні науково-дослідні інститути, сортовипробувальні станції, племінні господарства тощо.

Визначаючи завдання селекції, видатний російський селекціонер М.І.Вавилов наголошував на тому, що для поліпшення якостей існуючих і створення нових порід і сортів необхідно:

вивчати і враховувати різноманіття вихідного матеріалу, спадкову мінливість організмів, роль середовища у формуванні фенотипу, закономірності успадкування при гібридизації та визначити форми штучного добору, які застосовуватимуться у селекційній роботі.

Особливе значення для успіху селекційної роботи має генетична різноманітність вихідного матеріалу. Сукупність генів (генофонд) існуючих порід свійських тварин, сортів культурних рослин, штамів мікроорганізмів значно обмежена порівняно з вихідними природними видами. Тому вчені шукають потрібні ознаки серед диких видів, які є резервом для проведення селекційної роботи.

Поняття про сорт, породу, штам.

Породою тварин або сортом рослин називають сукупності особин одного виду (популяції) із певними спадковими особливостями: продуктивністю, морфологічними та фізіологічними ознаками, створених людиною у результаті штучного добору.

Штамом (від нім. штам - стовбур, родина) називають чисту культуру (тобто нащадки однієї клітини) мікроорганізмів. Від однієї клітини можна дістати різні штами, які відрізняються за своїми властивостями: продуктивністю, чутливістю до антибіотиків тощо.

На відміну від природних популяцій, порода, сорт чи штам не здатні існувати без постійного втручання людини. Для кожної породи, сорту або штаму характерна певна реакція на умови довкілля. Це означає, що їхні позитивні якості можуть проявитися лише за певної інтенсивності чинників навколишнього середовища (умов утримання тварин, агротехніки рослин, культивування мікроорганізмів, певних кліматичних чинників тощо). Породи тварин і сорти рослин, які мають високу продуктивність в одних географічних зонах, не завжди придатні для використання в інших. Тому вчені у науково-практичних закладах всебічно досліджують властивості нових порід і сортів та перевіряють їх придатність до використання в певній кліматичній зоні, тобто здійснюють їхнє районування.

Районування - комплекс заходів, спрямованих на перевірку відповідності якостей тих чи інших порід або сортів до умов певної кліматичної природної зони, що є необхідною умовою їхнього раціонального використання на території будь-якої країни.

Системи схрещувань організмів та їхні генетичні наслідки

Гібридизація можлива між особинами одного (внутрішньовидова) та різних видів з одного чи двох родів (міжвидова, або віддалена) організмів. Внутрішньовидове схрещування буває спорідненим і неспорідненим.

Споріднене схрещування, або інбридинг (від англ. ін, - в, усередині та бридінг - розведення) — це схрещування організмів, що мають безпосередніх спільних предків. Залежно від ступеня спорідненості інбридинг може бути більш або менш тісним. Найтісніші форми спорідненого схрещування спостерігають серед самозапильних рослин і самозаплідних гермафродитних тварин. У організмів з перехресним заплідненням тісний інбридинг відбувається при схрещуванні братів і сестер, батьків та їхніх нащадків тощо.

Унаслідок спорідненого схрещування з кожним наступним поколінням підвищується гомозиготність гібридів. Це пояснюється тим, що генетична близькість батьків збільшує ймовірність поєднання у потомках одних і тих самих алелів різноманітних генів пропорційно до ступеня спорідненості. У самозапильних рослин уже у 10-му поколінні спостерігається майже повна гомозиготність (до 99,9%), а при схрещуванні братів із сестрами чи батьків з нащадками такий результат може бути досягнутий після 20-го покоління Проте досягнути 100%-ї гомозиготності за всіма генами не вдається, бо вона порушується внаслідок мутацій, що постійно виникають.

Біологічним наслідком спорідненого схрещування є ослаблення або навіть виродження нащадків, оскільки у таких гомозиготних організмів збільшується ймовірність фенотипного прояву летальних чи сублетальних рецесивних алелей. Таким чином, тісний інбридинг часто призводить до появи організмів із різноманітними спадковими аномаліями. Наслідки спорідненого схрещування були відомі людині ще в сиву давнину. Наприклад, близько 20% людей-альбіносів є нащадками від споріднених шлюбів. У людини є декілька рецесивних летальних алелей, здатних у гомозиготному стані спричинити смерть. Тому шлюби між близькими родичами вважалися небажаними або взагалі заборонялися релігією чи законами.

У селекції споріднене схрещування застосовують для отримання чистих ліній. Інбридинг дає можливість дістати цінні ознаки в гомозиготному стані і закріпити їх серед нащадків.

Неспоріднене схрещування, або аутбридинг (від англ. аут — поза) — гібридизація організмів, які не мають тісних родинних зв'язків, тобто представників різних ліній, сортів чи порід одного виду. Неспорідненими вважають особин, у яких немає спільних предків принаймні протягом попередніх шести поколінь. Неспоріднене схрещування застосовують для поєднання у потомстві цінних властивостей, притаманних різним лініям, породам чи сортам. За своїми генетичними наслідками воно прямо протилежне інбридингу. При неспорідненому схрещуванні з кожним наступним поколінням підвищується гетерозиготність нащадків. Це пояснюється тим, що зі зменшенням ступеня спорідненості організмів зростає ймовірність наявності в них різних алелів певних генів.

У разі неспорідненого схрещування часто спостерігається явище гетерозису, або «гібридної сили».

Гетерозис (від грец. гетероіозіс - зміна, перевтілення) - це явище, за якого перше покоління гібридів, одержаних у результаті неспорідненого схрещування, має підвищені життєздатність і продуктивність порівняно з вихідними батьківськими формами. Це пояснюється тим, що у гетерозисних форм сублетальні та летальні рецесивні алелі переходять у гетерозиготний стан, завдяки чому їхня шкідлива дія не проявляється фенотипно. Крім того, в генотипі гібридних нащадків можуть поєднуватися сприятливі домінантні алелі обох батьків. Унаслідок цього може спостерігатися явище взаємодії неалельних домінантних генів.

За даними біохімічних досліджень у гетерозисних форм часто спостерігається ширший набір ферментів та їхня підвищена активність порівняно з батьківськими організмами. Гетерозис повною мірою проявляється в першому поколінні гібридів, однак у наступних, унаслідок розщеплення ознак та переходу частини генів у гомозиготний стан, його ефект слабшає і до восьмого покоління сходить нанівець. У рослин гетерозис можна закріпити вегетативним розмноженням, подвоєнням числа хромосом або партеногенезом. Гетерозис може більше позначитись на одних варіантах ознак гібридної особини, не зачіпаючи інших.

Явище гетерозису широко застосовують у сільському господарстві, оскільки воно значно підвищує продуктивність (наприклад, у кукурудзи - до 20-25%), в овочевих культур (цибулі, помідорів, огірків, баклажанів, буряків тощо). У тваринництві схрещування між різними породами прискорює ріст і статеве дозрівання, поліпшує якість м'яса, молока тощо.

Так, у результаті схрещування несучих порід курей між собою (наприклад, леггорнів з австралорнами) продуктивність гібридів зростає на 20-25 яєць у рік. У бройлерів (гібридних курчат м'ясних порід) гетерозис прискорює ріст і поліпшує якість м'яса.

Віддалена гібридизація - схрещування особин, які належать до різних видів і навіть родів з метою поєднання у гібридів цінних спадкових ознак представників різних видів. За допомогою віддаленої гібридизації створено гібриди пшениці та пирію, що відзначаються високою продуктивністю (до 300-450 ц/га зеленої маси) та стійкістю до полягання; пшениці з житом (тритікале); китайської цукрової тростини з дикими видами, що сприяло підвищенню цукристості. Відомі міжвидові гібриди і серед плодових культур (малини та ожини, сливи й терену, горобини та сибірського глоду тощо).

У тваринництві також виведено значну кількість міжвидових гібридів. Наприклад, гібрид кобили та осла - мул, який відрізняється значною витривалістю, фізичною силою та довшим терміном життя порівняно з батьківськими формами. Подібні властивості виявляє гібрид одногорбого та двогорбого верблюдів. Унаслідок міжвидового схрещування виведено нову породу овець - архаромериносів (гібрид тонкорунних овець - мериносів і дикого гірського барана - архара). Схрещуванням свійської тварини високогірських районів Центральної Азії - Яка — з великою рогатою худобою виведено нові породи (сарлики та хайнаки). Вони мають більшу продуктивність і вищі якості м'яса порівняно з яком та кращу пристосованість до суворих умов високогір'я порівняно з великою рогатою худобою. У рибництві відомий гібрид білуги та стерляді — бістер, який швидко росте та має смачне м'ясо.

Селекціонери часто стикаються з проблемою безпліддя міжвидових гібридів, гамети яких звичайно не дозрівають. Навіть за умов однакової кількості хромосом у каріотипах батьківських форм хромосоми різних видів різняться за структурою і тому нездатні до кон'югації. Особливо ускладнюється хід мейозу за умов різного числа хромосом у каріотипах батьків. Так, мули нездатні до розмноження; у гібрида Яка та великої рогатої худоби самці безплідні, а самки – плодючі.

Уперше методику подолання стерильності міжвидових гібридів у рослин розробив у 1924 році Г.Д. Карпеченко на прикладі гібрида капусти та редьки, який за своїм фенотипом займав проміжне положення між відповідними фенотипами батьків (мал.39.3.).

Мал. 39.3. Подолання безпліддя міжвидового капустяно-редькового гібрида на основі поліплоїдії

Хоча капуста і редька належать до різних родів родини капустяних (хрестоцвітих), вони мають однакову кількість хромосом (2n = 18). Утім, створений Г.Д.Карпеченком міжвидовий гібрид виявився безплідним, оскільки під час мейозу «капустяні» та «редькові» хромосоми між собою не кон'югували. Тоді вчений подвоїв хромосомний набір гібрида (4 n = 36), тобто в ядрі його клітин тепер було по два повні набори хромосом кожного з батьків (по 2 «капустяні» та 2 «редькові» гомологічні хромосоми кожної пари). Унаслідок цього процес мейозу у такої поліплоїдної форми перебігав нормально: «капустяні» хромосоми кон'югували з «капустяними», а «редькові» — з «редьковими» і в кожну з гамет завжди потрапляло по одному гаплоїдному набору хромосом редьки та капусти.

Центри походження і різноманітності культурних рослин та свійських тварин

Археологічні та палеонтологічні дослідження дали змогу з’ясувати , що перші вдалі спроби окультурення рослин і одомашнення тварин людина робила ще 20-30 тис. років тому, але масового характеру цей процес набув лише за останні 4-6 тис. років.

Центри походження і різноманітності культурних рослин досліджував М.І.Вавилов. Під його керівництвом у 20-30-их роках XX сторіччя було здійснено численні експедиції у різні куточки земної кулі. Вони дали змогу встановити, що для різних видів культурних рослин є свої центри різноманіття, де виявлено найбільшу кількість їхніх сортів і форм. Центри різноманіття є водночас і районами їхнього походження (табл.1). Спорідненість культурних рослин із дикими видами вивчають на підставі всебічного порівняльно-морфологічного аналізу, насамперед каріотипу, а також біохімічних і фізіологічних досліджень.

Виявлення центрів походження і різноманітності культурних рослин підказало вченим, де саме можна шукати різноманітний вихідний матеріал для селекційної роботи. Завдяки експедиціям М.І.Вавилова створено унікальну колекцію насіння близько 1600 видів культурних рослин, яку успішно використовують у селекційній роботі.

Таблиця 1. Центри різноманітності і походження культурних рослин (за М.І. Вавиловим)

№ п/п	Назва центру	Де розташований	Які види походять
1.	Південноазійський тропічний	Індія, Індокитай, Південний Китай, острови Південно-Східної Азії	Огірки, кілька видів цитрусових і бананів, рис, цукрова тростина
2.	Східноазійський	Центральний та Східний Китай, Японія, Корея, Тайвань	Соя, гречка, редька, яблуня, груша, слива, шовковиця, кілька видів проса
3.	Південно-західноазійський	Мала і Середня Азія, Кавказ, Іран, Афганістан, Північно-Західна Індія	Горох посівний, сочевиця, морква, цибуля ріпчаста, бавовник, льон, виноград, абрикос, мигдаль, волоський горіх, кілька видів м’якої пшениці, жита, ячменю та вівса
4.	Середземноморський	Країни, розташовані по узбережжю Середземного моря	Цукровий буряк, капуста, олива, конюшина, люпин
5.	Абіссінський	Абісінське нагір'я Ефіопії, частина Аравійського півострова	Тверда пшениця, зернове сорго, особливий вид бананів
6.	Центрально- американський	Південна Мексика та острови Карибського моря	Кукурудза, червоний перець, гарбуз, тютюн, какао, довговолокнистий бавовник, соняшник
7.	Південно- американський (Андійський)	Частина Анд уздовж Тихоокеанського узбережжя Південної Америки	Картопля, помідори, арахіс, ананас, хінне дерево

Культурні рослини належать до більш ніж 25 тисяч видів. Учені вважають, що одними з перших окультурено кукурудзу, банани, гарбуз, кокосову пальму, ячмінь, пшеницю, цибулю, рис, горох, цукрову тростину. Дикі предки одних культурних рослин у природі не знайдені (наприклад, цибулі ріпчастої) , інших – дотепер поширені в природних екосистемах (наприклад, дикі капуста та морква). Деякі культурні рослини було виведено за допомогою віддаленої гібридизації (наприклад, ріпак – гібрид капусти і свиріпи). Залежно від мети вирощування культурних рослин розрізняють харчові (зернові, зернобобові, овочеві, плодово-ягідні), лікарські, технічні (олійні, ефіроолійні, цукрові, крохмальні, прядильні, фарбувальні тощо), кормові, декоративні та ін. культурні рослини. Завдяки селекційній роботі виведено велику кількість сортів культурних рослин (наприклад, число сортів пшениці перевищує 4000, тюльпанів – 8000 сортів).

Хоча землеробство на терені України відоме понад 5 тисячоліть, майже всі культурні рослини, які вирощують в нас, походять з інших країн, утім, багато їхніх сортів виведено саме в нашій. Єдиний вид із сучасних меж України, окультурений татарами за часів Кримського ханства, це характерний для степової зони тюльпан Шренка. Через Туреччину він потрапив до Європи, і починаючи з кінця XVI сторіччя лідером із селекції декоративних сортів тюльпана поступово стали Нідерланди.

Райони одомашнення і походження порід свійських тварин (табл.2) пов'язані зі стародавніми центрами землеробства, однак визначити місця походження свійських тварин значно важче, ніж культурних рослин. Це пояснюється значним переміщенням їхніх диких предків у межах первісних ареалів, які тепер встановити складно. Одомашнення могло відбуватись у будь-якому місці такого первісного ареалу, а подальше поширення порід пов'язане не з природним середовищем, а з діяльністю людини. Більшість свійських тварин одомашнено 8-10 тис. років тому. Їхні предки вели гуртовий спосіб життя, що сприяло прирученню диких тварин. Під час одомашнення свійські тварини зазнали значних змін у будові, життєвих функціях та індивідуальному розвитку, змінилася їхня поведінка.

Таблиця 2. Предки деяких свійських тварин

Свійські тварин	Їхні предки
Собака свійський	Вовк
Кішка свійська	Степова або лівійська кішка
Вівця	Муфлон та архар
Кінь	Тарпан
Велика рогата худоба	Дикий бик-тур
Свиня свійська	Дикий кабан
Кури свійські	Дикі банківські кури
Качка свійська	Дика качка-крижень
Гуси свійські	Гуска сіра
Індичка свійська	Дика американська індичка
Короп	Сазан

Однією з найдавніших свійських тварин є собака, якого первісна людина використовувала для захисту, як помічника в полюванні, а також як їжу. Вважають, що собаку було виведено 10-15 тис. років тому у кількох місцях Євразії від різних видів вовків. Нині налічують понад 350 порід собаки свійського, селекція якого здійснюється у різних напрямах: службові, мисливські, декоративні породи. Кішку одомашнено значно пізніше (близько 6 тис. років тому) в Єгипті для захисту запасів зерна від гризунів. Її предком була дика лівійська кішка, що мешкає на півночі Африки. понад 5 тис. років тому в Китаї виникла нова галузь виробництва – шовківництво, а в тропічних і субтропічних регіонах Євразії – бджільництво. Шовковичний шовкопряд і медоносна бджола в дикому стані нині невідомі, однак бджоли часто дичавіють. Введення в культуру диких видів рослин та одомашнення тварин триває і нині.

Основні напрями та досягнення біотехнології

Біотехнологія - це сукупність промислових методів, які застосовують для виробництва різних речовин із використанням живих організмів, біологічних процесів чи явищ.

У мікробіологічній промисловості різні види бактерій та мікроскопічних грибів використовують для виробництва антибіотиків (пеніциліну, стрептоміцину, еритроміцину тощо), вітамінів, гормонів, ферментів, кормових білків та ін. Удосконалюються біотехнологічні процеси і в харчовій промисловості, де застосування високопродуктивних штамів мікроорганізмів і вдосконалення технології уможливлює збільшення випуску харчових виробів (кисломолочних продуктів, сирів, пива тощо) і кормів (силос, кормові дріжджі та ін.) підвищеної якості.

Селекціонери створили штучні популяції грибів, здатних синтезувати кормові білки з відходів рослинництва, нафти і нафтопродуктів, та штами мікроорганізмів, які здатні вилучати сполуки рідкоземельні та дорогоцінні метали з руд і промислових відходів. Біотехнологічні процеси застосовують для очищення навколишнього середовища від побутових і промислових забруднень, зокрема стічних вод. Методи біологічного очищення ґрунтуються на здатності певних видів бактерій як в аеробних, так і в анаеробних умовах розкладати органічні сполуки, що потрапляють у водойми, ґрунт. Для прискорення цих реакцій використовують високоактивні штами бактерій, виведені у результаті селекції. Вони розкладають такі органічні сполуки, які неспроможні мінералізувати природні бактерії. Для очищення стічних вод і водойм використовують також здатність ряду організмів накопичувати органічні чи неорганічні сполуки або певні хімічні елементи в своїх клітинах (деякі групи бактерій, водоростей, найпростіших). Біотехнологічні процеси застосовують і під час розроблення біологічних методів боротьби зі шкідниками сільського та лісового господарств, кровосисними та паразитичними тваринами тощо. Зокрема, використовуючи штами певних видів мікроорганізмів (вірусів, бактерій, грибів), виготовляють препарати, які ефективно знижують чисельність шкідливих видів, не забруднюючи довкілля токсичними хімічними сполуками. Необхідною умовою використання біологічних препаратів (біопрепаратів) є їхня безпечність для нешкідливих видів організмів.

На великих фермах і птахофабриках личинок багатьох видів мух завдяки спеціальним біотехнологіям використовують для швидкої переробки посліду. Для перероблення органічних решток використовують деякі види дощових червів.

Галузі господарства, де використовують біотехнологічні процеси, наведено в табл.3.

Таблиця 3. Застосування біотехнології в господарстві людини

Технологія	Галузь господарства
	Охорона здоров’я	Харчова промисловість	С/господарство	Енергетика	Хімічна промисловість
Бродіння	Ферменти, вітаміни, амінокислоти, діагностичні препарати	Лимонна кислота, ферменти, біополімери, виноробство, пивоваріння	Біологічні препарати для боротьби зі шкідливими видами	Енергетичні сполуки (етанол, біогазу)	Етилен, ацетон, бутанол
Генна інженерія	Інтерферони, гормони, вакцини		Біологічні препарати для боротьби зі шкідливими видами
Клітинна інженерія (культури клітин і тканин)	Інтерферони, вакцини, антитіла	Білки	Клонування свійських тварин

Генетична та клітинна інженерія

Генетична (генна) інженерія - це прикладна галузь молекулярної генетики та біохімії, яка розробляє методи перебудови геномів організмів вилученням або введенням окремих генів чи їхніх груп: синтез генів поза організмом; виділення з клітин та перебудову окремих генів або їхніх частин; копіювання та розмноження виділених або синтезованих генів; введення генів чи їхніх груп у геном інших організмів; експериментальне поєднання різних геномів в одній клітині.

Об'єктами досліджень цієї галузі є переважно прокаріоти, хоча вчені працюють і з генами еукаріот. Так, тривають експерименти із перенесенням генів еукаріот у клітини бактерій. У геном бактерій було введено гени, які кодують інсулін пацюка та людини, гени рРНК дрозофіли та жаби тощо. Вбудовані гени нормально зчитуються в клітині бактерії, завдяки чому вона синтезує відповідні сполуки (гормон інсулін, рРНК). Подібні методи застосовують у біотехнології. Наприклад, у клітинах бактерії - кишкової палички - синтезовано інсулін людини, необхідний у лікуванні цукрового діабету. Методами генетичної інженерії одержано білки-інтерферони, які захищають організм людини і тварин від вірусних захворювань (припиняють розмноження вірусів), гормон росту, що дає можливість лікувати деякі форми карликовості. Перелік медичних препаратів, вироблених за допомогою методів генетичної інженерії, щорічно зростає.

Синтез генів поза організмом уперше здійснив у 1969 році в США індійський учений Г.Хорана (ген аланінової тРНК дріжджів, який складається з 77 пар нуклеотидів). Згодом дослідникові вдалося синтезувати функціонально активні гени бактеріофагів. Але штучний синтез генів - досить складний процес, особливо якщо вони складаються з великої кількості нуклеотидів. Тому гени простіше виділяти з геному організмів. Наприклад, у 1969 році вперше вдалося за допомогою бактеріофагів виділити в чистому вигляді гени кишкової палички.

Як переносників синтезованих або виділених генів, крім вірусів, використовують плазміди (отримані головним чином з бактерій). Плазміди - позахромосомні фактори спадковості, генетичні елементи, здатні існувати у клітині в стані, не пов'язаному з хромосомами. Вони (наприклад, генетичний апарат мітохондрій, хлоропластів) найчастіше являють собою кільцеві дволанцюгові молекули ДНК.

Із клітин, які містять у своєму геномі певний ген, виділяють іРНК, на якій, як на матриці, синтезують нитку комплементарної ДНК. Унаслідок цього виникає ДНК-РНК-комплекс, з якого вилучають іРНК, а на нитці ДНК, що залишилася, синтезують за принципом комплементарності другу нитку. Створену таким чином молекулу ДНК вбудовують у кільцеву молекулу ДНК плазміди, яка слугує переносником.

Іншим способом є дробіння молекули ДНК, що підлягає перенесенню, з наступним сполученням утворених фрагментів з молекулою ДНК переносника, яку для цього переводять у лінійну форму. Перенесення метафазних хромосом з однієї еукаріотичної клітини в іншу - ще один напрям генної інженерії. Такі хромосоми звичайно розпадаються на фрагменти, одні з яких втрачаються, а інші вбудовуються у хромосому клітини-хазяїна і можуть у них функціонувати.

У клітини еукаріотів, наприклад рослин, молекули ДНК можна вводити за допомогою скляної голки (мікроін'єкції ДНК). Молекули ДНК та цілі хромосоми також вводять за допомогою лізосом. Це оточені подвійним ліпідним шаром порожнисті кульки діаметром близько 100нм. Молекулу ДНК вносять всередину лізосоми, яку потім вводять в клітину. Ліпідний шар захищає ДНК від розкладу ферментами клітини.

Перед генетичною інженерією, незважаючи на її відносну молодість, відкриваються значні перспективи. Крім вирішення практичних питань (підвищення продуктивності штамів мікроорганізмів, перенесення в клітини прокаріот генів еукаріот, які відповідають за синтез важливих сполук - вітамінів, гормонів, ферментів тощо), у майбутньому генетична інженерія буде здатна вирішувати більш глобальні завдання. Серед них: видалення дефектних алелів певних генів на ранішніх етапах онтогенезу і заміна їх нормальними алелями; поєднання в одному геномі генів різних організмів тощо. Наприклад, перспективним є напрям, пов'язаний із перенесенням генів, які визначають здатність до фіксування атмосферного азоту, з клітин бульбочкових бактерій у клітини вищих рослин. Розв'язання цієї проблеми сприяло б економії коштів, які витрачаються на виробництво і внесення азотних добрив.

Результати досліджень генетичної інженерії мають винятково важливе значення і для теоретичної біології. Завдяки їм зроблено важливі відкриття щодо тонкої будови генів, їхнього функціонування, структури геномів різноманітних організмів. Для подальшого розвитку генетичної інженерії необхідним є створення банків генів — колекцій генів різноманітних організмів — об'єктів генетичних досліджень, які вбудовані в плазміди та інші переносники і зберігаються при низьких температурах.

Унаслідок накопичення величезної маси даних у різних галузях біології, зокрема розшифрування нуклеотидних послідовностей у ДНК окремих хромосом і геномів різних видів, виникла окрема галузь знань – біоінформатика. Одним з її напрямів є застосування математичних методів і комп’ютерної техніки для збереження та аналізу цієї інформації.

Методами генної інженерії в геном рослин вводять певні гени, які забезпечують стійкість до дії пестицидів, шкідників, збудників захворювань, інших несприятливих факторів довкілля. Зокрема, до геному багатьох сортів картоплі вбудовано гени бактерій, що роблять цю рослину неїстівною для колорадського жука. Генетично модифіковані організми часто мають підвищені показники продуктивності та плодючості, що важливо для розв’язання проблеми забезпечення людства продуктами харчування.

З 1996р. у США, Канаді, Аргентині та інших країнах розпочали масово вирощувати генетично змінені рослини. Але до таких організмів, доки вони не пройдуть належної всебічної перевірки, слід ставитися обережно. Є дані, що споживання генетично змінених рослин в їжу може спричинити у людини харчові отруєння та алергії, погіршення стану здоров’я. Невідомо також, впливатиме чи ні їхнє споживання на генотип людини та як генетично змінені організми впливатимуть на природні екосистеми, їхнє біологічне різноманіття. в Україні прийнято закон «Про державну систему біобезпеки під час здійснення генетично-інженерної діяльності». Він передбачає обов’язкову наукову оцінку ризику застосування генетично змінених організмів.

Процес створення транс генних тварин складніший, ніж рослин. Після народження нащадків сурогатною матір’ю, їх перевіряють на наявність введених генів. Для цього ймовірних транс генних істот схрещують зі звичайними. У разі підтвердження наявності введених генів у нащадків їх схрещують між собою для отримання чистих транс генних ліній.

Робота з геномами вищих організмів, крім технічних труднощів, пов'язана також із проблемами етичного плану. Втручання в генотип хребетних тварин, особливо людини, навіть з кращими намірами, може призвести до непередбачених наслідків.

Клітинна (тканинна) інженерія - галузь біотехнології, у який застосовують методи виділення клітин з організму і перенесення їх на штучні поживні середовища, де ці клітини продовжують жити та розмножуватись. Такі культури дають змогу отримувати важливі сполуки: вітаміни, гормони, фітогормони, цілющі препарати в потрібних кількостях, що значно знижує їх собівартість. Вони слугують для різноманітних експериментів, наприклад, вивчення дії лікарських препаратів та інших речовин. Культури клітин застосовують і для культивування вірусів, які згодом можуть бути використані як переносники у генній інженерії, для діагностики вірусних захворювань чи отримання вакцин.

Методами клітинної інженерії здійснюють віддалену гібридизацію соматичних клітин різних видів, родів, родин і порядків (рядів) організмів, завдяки чому вдається схрещувати організми, гібридизація яких статевим шляхом неможлива (людини і миші, людини і моркви, курки і дріжджів). Це дає змогу створювати препарати, які підвищують стійкість проти різних захворювань. Так, культури гібридів нормальних клітин з раковими на штучних поживних середовищах виробляють антитіла, що знищують клітини злоякісних пухлин, не діючи на здорові.

Одним з напрямів клітинної інженерії є використання стовбурових клітин для відновлення ушкоджених тканин чи органів. У лабораторних умовах можливі розмноження та подальша спеціалізація стовбурових клітин. Це відкриває перспективи штучного вирощування тканин та деяких органів людини і тварин з метою їхнього подальшого введення в організми.

Перспективним напрямом клітинної інженерії є клонування організмів. Клоном (від грец. клон - гілка, нащадок) називають сукупність клітин або особин, які виникли від спільного предка нестатевим шляхом. Клон складається з генетично однорідного матеріалу. Методика клонування тварин: з незаплідненої яйцеклітини видаляють ядро і пересаджують у неї ядро соматичної клітини іншої особини. Таку штучну зиготу пересаджують у матку самки, де розвивається ембріон. Ця методика дає можливість одержувати від цінних за своїми якостями плідників необмежену кількість потомків, які є їхньою точною генетичною копією. Методом клонування з окремих гібридних соматичних клітин вирощують і організми рослин.

Ще одним напрямом клітинної інженерії є створення химерних організмів. Химерні організми – штучно створені істоти, які мають клітини, що належать різним біологічним видам. Учені, які створюють химерні організми, стверджують, що це допоможе розробляти нові способи лікування раку або цукрового діабету. Але такі досліди небезпідставно викликають негативне ставлення не тільки з боку простих людей, а й з боку вчених.