Модельные организмы
Модельные организмы — организмы, используемые в качестве моделей для изучения тех или иных свойств, процессов или явлений живой природы. Модельные организмы интенсивно изучаются, причем одна из причин этого — надежда на то, что открытые при их изучении закономерности окажутся свойственны и другим более или менее похожим организмам, в том числе и человеку. Часто модельные организмы используются в тех случаях, когда проведение соответствующих исследований на человеке невозможно по техническим или этическим причинам. Использование модельных организмов основано на том, что все живые организмы имеют общее происхождение и сохраняют много общего в механизмах хранения и реализации наследственной информации, метаболизме и др.
Выбор модельных организмов
Модельными становятся организмы, по которым уже накоплено много научных данных. Обычно модельным организмом специально занимаются несколько лабораторий или исследовательских групп, а по результатам его изучения опубликовано от нескольких сотен до многих тысяч статей.
В качестве модельных выбирают обычно организмы, которых легко содержать и разводить в лабораторных условиях (Escherichia coli, Tetrahymena thermophila, Arabidopsis thaliana, Caenorhabditis elegans, Drosophila melanogaster, Mus musculus). Дополнительными преимуществами является короткое время генерации (быстрая смена поколений), возможность генетических манипуляций (наличие инбредных линий, в случае многоклеточных возможность получения стволовых клеток, разработанные методы генетической трансформации).
Дополнительными причинами для выбора данного объекта в качестве модельного может служить его положение на филогенетическом древе: например, макак-резус является важным модельным организмом для медицинских исследований из-за своего относительно близкого родства с человеком (по той же причине для полной расшифровки был выбран геном шимпанзе).
Наконец, для некоторых областей исследований выбор объекта в качестве модельного определяется прежде всего особенностями его строения. Так, при изучении «простых нервных систем» в качестве моделей используются такие организмы, у которых нейроны идентифицируемые, относительно немногочисленные и (желательно) крупные — например, аплизия.
Исторически сложилось, что модельные организмы (кишечная палочка, дрожжи, дрозофила) стали первыми среди соответствующих групп организмами, геном которых был полностью секвенирован. В дальнейшем наличие полностью секвенированного и расшифрованного генома стало важным требованием для использования организма в качестве модельного в биохимии, генетике, молекулярной биологии и большинстве других областей. По этой причине иногда выбор организма был обусловлен особенностями его генома: так, рыба-фугу Fugu rubripes была выбрана в качестве модели для изучения генома благодаря его малым размерам (низкий процент некодирующих последовательностей).
Еще один критерий для выбора модельного организма — его экономическая значимость. Поэтому, например, кроме Arabidópsis thaliána в качестве модельных видов растений используются рис Oryza sativa L., люцерна Medicago truncatula и др.
Важные модельные организмы и области их использования
Вирусы
- Фаг лямбда — молекулярная генетика
- Phi X 174 — молекулярная генетика; первый полностью секвенированный геном (кольцевая ДНК, содержащая 11 генов, длиной 5386 н.п..
Источник
XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2020
Арабидопсис как модельный объект в биологии и генетике
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF
Модельные организмы интенсивно изучаются, причем одна из причин этого — вероятность того, что открытые при их изучении закономерности окажутся свойственны и другим более или менее похожим организмам, в том числе и человеку. Использование организмов в качестве модельных основывается на том, что все они имеют общее происхождение и много общего в мехaнизмaх хрaнения и реализации наследственной информации. В качестве модельных обычно выбирают организмы, которые легко содержать и разводить в лабораторных условиях, имеют короткое время генерации, возможность генетических манипуляций, наличие полностью секвенированного и расшифрованного генома, а также ещѐ одним важным критерием, который учитывают при выборе модельного объекта является его экономическая значимость. Среди растений наиболее известным в качестве модельного организма является Arabidopsis thaliana. A. thaliana используется в научных исследованиях невероятно широко.В биологии
растений она cтaлa клaccическим объектом исследовaний, поскольку имеет преимущеcтвa в решении многих текущих вопросов генетики и индивидуaльного рaзвития рacтений.
Arabidopsis thaliana или Резуховидка Таля–это однолетнее травянистое растение изсемейства крестоцветных, произрастающее в Европе, Азии и Африке. Данное растение характеризуется следующими критериями для выбора в качестве модельного организма:
Короткий жизненный цикл (весь жизненный цикл резуховидки составляет всего шесть недель);
Его геном короткий и составляет всего 157 Мbp, а количество пар хромосом равно пяти и содержит примерно 25 500 генов. Особенность генома — полное отсутствие дисперсной повторяющейся ДНК. Его геном был полностью секвенирован в 2000 г. Результаты расшифрованного генома свидетельствуют о том, что около 5 % всех генов вовлечены в обеспечение защитных реакций. Так, в реализации программ защиты от биотических и абиотических факторов у арабидопсиса участвуют 32 % генов, контролирующих вторичный метаболизм, среди которых, например, гены биосинтеза фитоалексинов, которые обеспечивают неспецифический иммунитет растений.
4.Легко выращивать в лабораторных условиях, в том числе in vitro;
5.Широкий ареал распространения.
Первым кто использовал Arabidopsis thaliana в качестве модельного объекта, стал Фридрих Лайбах. Описав результаты своих исследований, он показал, что короткое время генерации, плодовитость, легкость скрещивания и возможность мутагенеза являются определяющими критериями, которые позволили использовать арабидопсис в качестве модельного организма[1].
Детальные результаты исследований лаборатории Laibach по рентгеновскому мутагенезу, которые привели к появлению первой коллекции мутантов арабидопсиса, были опубликованы в качестве кандидатской диссертации студенткой Эрной Рейнхольц [2]. После этого, мутантные формы стали хорошей моделью для изучения ответа растения на коротковолновую радиацию. Работы К. Сомервилла и его коллег показали важную значимость мутантного анализа для физиологии и биохимии растений [3]. Эти работы включали в себя исследования по фотореспирации, биосинтезу крахмала и липидов, изучению гормонов растений и структуры клеточной стенки.
Arabidopsis thaliana имеет такой физиологический признак,как«время начала цветения».Многие исследователи считают, что данный признак является определяющим в адаптации арабидопсиса к условиям окружающей среды. Благодаря этому признаку, он стал широко
использоваться в популяционно-генетических и молекулярно-генетических исследованиях во всем мире. Помимо всех вышеперечисленных исследований, арабидопсис сыграл огромную роль в познании генетического контроля морфогенеза, при разработке модели ABC дифференцировки органов цветка, переключения генов при переходе от вегетативной меристемы к генеративной и формировании соцветий [4].
Были проведены исследования на Arabidopsis thaliana, которые показали, что внутри растений есть механизм передачи информации о количестве и составе падающего света.
После облучения светом одного листа, во всех остальных листьях этого растения начинались определѐнные химические реакции. Это свидетельствовало о том, что растение обладает специфической памятью.
Данный модельный организм используется и в настоящее время. Например, проводятся исследования арабидопсиса в космосе. Так, 3 января 2019 года его семена были отправлены в герметичном контейнере на обратную сторону Луны, для того чтобы проверить, существует ли шанс, создать в космическом аппарате замкнутую экосистему.
последние годы в связи глобальным изменением климата особое внимание уделяется изучению действия неблагоприятных факторов окружающей среды на физиолого-
биохимические параметры растений и роли эндогенных систем защиты в формировании устойчивости генотипов в условиях стресса. В связи с этим проводились исследования изучения защитной роли аскорбиновой кислоты (Asc) и α-токоферола (Е) в процессах ПОЛ у дикой и мутантных форм арабидопсиса в условиях хлоридного засоления, которые показали, что использование экзогенных антиоксидантов как по отдельности, так и в комплексе в условиях хлоридного засоления оказывает не одинаковую защитную роль от активных форм кислорода (АФК) [5].
Совсем недавно растения не играли важной роли в различных генетических исследованиях из-за своих больших и сложных растительных геномов. Постепенно исследования, которые проводили на арабидопсисе доказали, что и растения могут играть ключевую роль в молекулярно-генетических экспериментах. Они позволяют проводить исследования, которые невозможно провести на других модельных объектах, так как они обладают недостатками при выборе их в качестве модельных объектов. На сегодняшний момент, продолжаются исследования Arabidopsis thaliana в космосе с целью дальнейшего изучения роста и размножения растений в условиях микрогравитации. Помимо этого, проводятся исследования их реакции на световые и гравитационные факторы. Все это впоследствии поможет расширить и усовершенствовать технологии по выращиванию различных культур, а также повысить их урожайность в условиях, как земли, так и космоса.
Leonelli S. Arabidopsis, the botanical Drosophila: from mouse cress to model organism //
Endeavour. 2007. Vol. 31, № 1. Pp. 34-38.
Meyerowitz E.M. Prehistory and history of Arabidopsis research // Plant Physiology. 2001. Vol. 125. Pp. 15-19.
Музафаров Е. Н., Эдвардс Д. , Чепурнова М. А. Состояние фенольного комплекса в растениях арабидопсиса при действии УФ-радиации // Известия ТулГУ. Естественные науки. 2008. № 2.
Лутова Л. А. Морфогенез растений и экспрессия основных регуляторных генов на примере развития цветка // Экологическая генетика. 2005. № 4.
Хамроева Х.М., Давлятназарова З.Б., Норкулов Н.Х., Джумаев Б.Б. Влияние экзогенных антиоксидантов на перекисное окисление липидов у растений арабидопсиса в условиях засоления // ДАН РТ. 2018. № 3.
Источник