Растения изучает какая наука изучает: Растения изучает наука 1)зоология 2) микробиология 3) ботаника 4) экология?

Содержание

Ботаника — наука о растениях. Что изучает ботаника?

Что изучает ботаника?

Ботаника — (от греч. botane — овощ, зелень, трава, растение). Это один из разделов биологии, комплексно исследующий мир растений. Флора земли – это миллионы видов. Ботаника изучает и систематизирует виды растений, исследует их физиологию и анатомию, исследует наследственность (генетику), приспособляемость к окружающей среде, географическое расселение. Рассматривает проблемы экологии.

Как система знаний о растениях, ботаника формировалась во времена Древней Греции и Египта. Она возникла и развивалась вместе с хозяйственной деятельностью человека, медициной. До наших дней дошли сочинения древних авторов: Ибн Сины (Авицены), индийское учение «Аюрведа» — наука о жизни, легендарная китайская книга о травах « Бэнь цао». Эти книги не только описывали растение, но указывали на их полезность для человека. Период великих географических открытий дал толчок развитию всех естественных наук, и ботаника – не исключение. Выдающийся ботаник и естествоиспытатель, шведский ученый Карл Линней создал и узаконил классификацию ботанического мира. Каждое растение на латинском языке получило два названия: рода и вида. Такая систематика существует и сейчас. Изобретение микроскопа привело к открытию клеточного строения растений и бурному развитию экспериментальных направлений развития науки. По сей день растения являются объектом изучения, так как они неотъемлемая часть нашей жизни.

Традиционно все растения делятся на две большие группы:

Низшие или нецветковые (водоросли, лишайники). Еще их называют слоевищными. Слоевище – тело низших растений.
Высшие – или цветковые, листостебельные растения. К ним относятся мохообразные, папоротники, хвощи и плауны, орхидеи, голосемянные и покрытосемянные.

В общепринятую классификацию не попали лишайники, грибы и бактерии. В настоящее время лишайники изучает наука — лихенология, грибы – микология, бактерии – бактериология.

Современная наука о растениях включает в себя ряд разделов. Основной раздел – это систематика. Она занимается естественной классификацией растений по сходным признакам и объединяет их в виды. Это основа любой отрасли ботаники. Систематику можно разделить на две части: флористическую и географическую ботанику. Флористика рассматривает закономерности распространения видов растений на различных территориях, ареалах распространения. Ботаническая география отвечает на вопрос: «Почему в одном регионе растут определенные растения, а в другом – нет». Она изучает географические законы распространения растений на планете. Рассматривая развитие отдельных видов растений в историческом развитии, устанавливаются их генетические родственные связи. Этим занимается специальный раздел – филогения. Из истории развития ботаники известно, что первоначально растения систематизировались по внешним признакам – морфологическим. В наши дни используются знания клеточного строения растений. Морфологию делят на макро- и микро- уровни. Макроморфология изучает внешнее строения растения в целом. Микроморфология изучает растение с помощью микроскопа. Это цитология, эмбриология, гистология. В морфологии растений выделяются такие раздели как:

Органография – описывается и сравнивается внешнее строение растений
Палинология – строение пыльцы растений или его спор, их рассеивание и применение
Карпология – изучаются строение и форма семян растений, классифицируются их плоды.
Тератология – аномалии в строении растений, причины их проявлений, методы лечений и профилактики
Анатомия – строение растения, в том числе и на клеточном уровне
Физиология – изучает процессы роста и развития, питания, плодоношения и размножения растения, их закономерности
Биохимия – объектом изучения являются вирусы и бактерии, высшие и низшие растения и химические процессы, происходящие внутри растения
Генетика – наследственность и изменчивость, особенности развития того или иного вида, зависимость изменений от вмешательства человека
Фитоценология – иногда приравнивается к геоботанике и рассматривает растительный покров как совокупность растительных сообществ, взаимоотношения между ними и между собой
Геоботаника – раздел на стыке наук: ботаники, географии и экологии
Экология растений – взаимоотношения растений с окружающим миром, создание идеальных условий произростания
Палеоботаника – изучает вымершие организмы и историю развития растений

Науку о растениях можно классифицировать по объектам изучения:

Альгология — (от лат. alga — морская трава, водоросль и греч. λογοσ — учение) — раздел биологии, изучающий водоросли. В современном понимании, водоросли – это гетерогенная экологическая группа. К ней относятся протисты, бактерии и растения.
Бриология — (от греч. βρύον «мох» и …логия) — раздел ботаники, изучающий мохообразные растения. Бриологи изучают морфологические, биохимические. Генетические, физиологические особенности мхов и возможности их применения в бытовых и медицинских целях.
Микробиология – дна из молодых и динамично развивающихся наук. Предмет ее изучения – это микро-жинь – все что не видимо невооруженным глазом. Это изучение бактерий, одноклеточных водорослей. Способы выживания растений в экстримальных условиях и их влияние на жизнь человека.
Фитопатология – исследует болезни растений, ищет средства их защиты и разрабатывает методы профилактики, изучает условия возникновения и распространения массовых вспышек заболевания растений – эпифотий.

В 18 веке немецкий учены Гумбольдт А. обосновал появление тех или иных видов растений, их развитие от географической среды произрастания. Это послужило развитию таких отраслей ботаники как болотоведение, тундроведение, луговедение, лесоведение и т.п.

В современном мире наиболее важными задачами ботаники являются:

Открытие новых видов растений и возможность их применения в жизни человека.
Изучение свойств растений, их устойчивости и выносливости к болезням, повышение урожайности сельскохозяйственных культур.
Исследование действий растений на организм человека и животный мир.
Влияние человека на формирование экосистем, защиты и сохранения растительного покрова нашей планеты.
Изучение наследственности и изменчивости растений – как основа выращивания генномодифицированных растений. Выявление положительных и отрицательных влияний таких растений на человека и окружающий мир.

Ботаника как и любая наука использует различные методы исследования:

Наблюдение – традиционный метод – наблюдение за жизнедеятельностью объекта в реальных условиях, без вмешательства. Используется и макроскопическом, и в микроскопических уровнях.
Сравнительный – сравнение исходного объекта с подобным для выявления сходных и отличительных черт.
Экспериментальный – искусственно созданный процесс для определения влияния различных факторов на жизнедеятельность растений. Может использоваться как в естественной среде обитания, так и в лаборатории.
Мониторинг – регулярное комплексное наблюдение за определенным объектом, оценка и прогнозирование состояние растительных сообществ, оценка воздействия на них природных и антропогенных факторов.
Статистический – математическая обработка материалов, собранных другими методами исследования. Установление на их основе закономерностей развития, прогнозирования ситуаций.

Ботаника – это современная многоотраслевая наука, изучающая флору планеты Земля. Она использует как традиционные методы, так и современные химические, физические, молекулярные методы исследований. Глобальной проблемой современности стало производство продуктов питания. Эту задачу решают различные науки. Первое место занимает ботаника. Предметом ее исследования является растение, все аспекты его жизнедеятельности и полезности для человека. Не менее глобальной является проблема сохранения благоприятного климата на планете. Современная ботаника призвана разработать научные основы охраны природных экосистем. Большое внимание отводится охране редких и исчезающих видов растений, занесенных в Красную книгу.

Физика

166

Реклама и PR

Педагогика

Психология

Социология

Астрономия

Биология

Культурология

Экология

Право и юриспруденция

Политология

Экономика

Финансы

История

Философия

Информатика

Право

Информационные технологии

Экономическая теория

Менеджент

719

Математика

338

Химия

Микро- и макроэкономика

Медицина

Государственное и муниципальное управление

География

542

Информационная безопасность

Аудит

Безопасность жизнедеятельности

Архитектура и строительство

Банковское дело

Рынок ценных бумаг

Менеджмент организации

Маркетинг

238

Кредит

Инвестиции

Журналистика

Конфликтология

Этика

Биофизика. Предмет, объект и сущность Биофизики Комплекс Гольджи: строение и особенности Биосинтез белка. Транскрипция и трансляция

Узнать цену работы

Узнай цену

своей работы

Имя

Выбрать тип работыЧасть дипломаДипломнаяКурсоваяКонтрольнаяРешение задачРефератНаучно — исследовательскаяОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерскаяНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация в ВАКПубликация в ScopusДиплом MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Принимаю Политику
конфиденциальности

Подпишись на рассылку,
чтобы не пропустить информацию об акциях

Ботаника — Экологическая электронная библиотека

Ботаника

Автор: С. Г. Зайчикова

Ботаника — это наука о растениях. Она всесторонне изучает строение, жизненные функции, распространение, происхождение, эволюцию растений на разных уровнях их организации. Возникновение и развитие ботаники связано с практическими запросами человека. В жизни человека растения играют огромную роль в качестве пищевых, лекарственных, технических и садовых культур.

Как самая ранняя обособилась морфология — раздел ботаники о внешнем и внутреннем строении органов растений и становлении структур органов в процессе эволюции.

Макроскопическая морфология изучает то, что можно увидеть невооруженным глазом; к ней относится органография — учение об органах растения.

То, что можно увидеть с помощью микроскопа, изучает микроскопическая морфология. К ней относятся: цитология — учение о клетке; гистология — учение о тканях; анатомия — учение о строении внутренних органов растения; эмбриология — учение об образовании и закономерностях развития растения. Позже выделились такие разделы ботаники, как систематика, изучающая классификацию растений; геоботаника — наука о растительных сообществах; география растений, изучающая распределение растений на земном шаре; экология растений, рассматривающая взаимодействие растений с окружающей средой; палеоботаника, изучающая прежний облик растительности Земли. В ботанику входят и такие отпочковавшиеся от нее разделы, как микология (наука о грибах), альгология (наука о водорослях), фитопатология (наука о болезнях растений).

Учебник подготовлен в соответствии с программой по ботанике. При о подборе материала авторы ориентировались на многолетний опыт преподавания курса ботаники на фармацевтическом факультете Первого МГМУ им. И М. Сеченова (Сеченовского Университета). Ботаника является базовой дисциплиной для фармакогнозии, одного из специальных предметов в системе подготовки провизора. Этим в значительной степени и определялся подбор материала, представленного в учебнике. Особое внимание уделено анатомии, морфологии и систематике растений, т.е. тем разделам ботаники, которые наиболее тесно связаны с основными разделами фармакогнозии.

Издание хорошо иллюстрировано (около 160 рисунков) по всем представленным разделам ботаники.

Учебник предназначен студентам фармацевтических училищ, колледжей и биологических лицеев.

Зайчикова, Светлана Геннадьевна. Ботаника : учебник для фармацевтических училищ и колледжей / С. Г. Зайчикова, Е. И. Барабанов. — Москва : ГЭОТАР-Медиа, 2020. — 287 с., XVI с. цв. ил. : ил. ; 21 см. — Библиогр. в конце кн. — Алф. указ.: с. 284-286. — ISBN 978-5-9704-5249-3 (в пер.) : 1343.00 р. — Текст : непосредственный.

1521417 — АБ

Заказать книгу в электронном каталоге (Авторизация по читательскому билету)

Исследования в области биологии растений: что дальше?

Биология растений является ключевой областью науки, имеющей большое значение в текущих и будущих усилиях человечества по борьбе с последствиями глобального потепления, изменения климата, загрязнения и роста населения. Глубокое понимание физиологии растений имеет первостепенное значение для нашей способности оптимизировать существующие методы ведения сельского хозяйства, выводить новые сорта сельскохозяйственных культур или внедрять биотехнологические инновации в сельское хозяйство. Сорта следующего поколения должны будут выдерживать загрязнение окружающей среды и более широкий диапазон температур роста, питательных веществ в почве и уровней влажности, а также эффективно справляться с растущим давлением патогенов, чтобы продолжать получать хорошие урожаи даже в неоптимальных условиях.

Каковы следующие большие вопросы в физиологии растений и биологии растений в целом, и какие направления исследований мы должны изучать и обучать студентов в течение следующего десятилетия? Как ученый-растение, окруженный единомышленниками, я слышу множество идей, которые со временем превращаются в модные словечки, такие как устойчивость растений, преобразование генотипа в фенотип, наука о данных, системная биология, биозондирование, синтетическая биология, нейронные сети, надежность, междисциплинарное обучение, разработка новых инструментов, моделирование и т. д. Что все это значит и каковы основные проблемы, над решением которых мы все должны работать? Здесь я представляю свою личную точку зрения на неотложные вопросы и самые большие долгосрочные проблемы в науке о растениях. Я предлагаю некоторые темы и направления для будущих исследований в области биологии растений, некоторые относительно очевидные, а некоторые потенциально уникальные, которые были сформированы моими собственными профессиональными интересами, опытом и знаниями в области молекулярной генетики и физиологии растений.

Интеграция, упаковка, визуализация и интерпретация существующих OMICS и генетических данных

В течение последних трех десятилетий большое внимание уделялось небольшому набору растительных модельных организмов, в первую очередь арабидопсису. Нет другого растения на земле, о котором мы знаем так много, как об этой горчице. Одной из очевидных потребностей в области наук о растениях является осмысление огромного количества описательных фенотипических данных, которые были получены для этого вида и нескольких других — транскриптома, метаболома, протеома, фенома, интерактома и т. д. — и были созданы удивительные генетические ресурсы: мутанты, трансгенные линии и коллекции зародышевой плазмы естественных образцов, инструменты и протоколы, геномные последовательности и другие ресурсы (Koorneef and Meinke, 2010). Теперь, как мы организуем эти данные в серию интегрированных, всеобъемлющих, удобных для пользователя баз данных с перекрестной связью, которые легко доступны, доступны для поиска, отслеживания и визуализации, с данными, которые можно загрузить и которые совместимы со сравнительным анализом? Как мы отображаем доступные данные в различных масштабах, от субклеточного до организменного и популяционного уровня — представьте себе Google Планета Земля, но для экосистемы или сельскохозяйственного поля, которое позволяет вам увеличивать и уменьшать масштаб, чтобы увидеть общий и крупный план — возможно, путем интеграции и расширения существующих инициатив, таких как Атлас клеток растений и ePlant (Waese et al., 2017; Rhee et al., 2019).)? Что мы можем узнать об отношениях между генотипом и фенотипом, имея в распоряжении последовательности геномов этих избранных организмов, часто множественных образцов каждого из них? Как мы можем использовать это знание, чтобы экстраполировать правила или паттерны, которые мы обнаруживаем в модельных организмах, на виды, для которых у нас нет экспериментальных данных, кроме, возможно, геномной последовательности чернового качества и нескольких фрагментарных наборов фенотипических данных? Другими словами, можно ли использовать данные, полученные на эталонных организмах, для получения полезной информации, относящейся к широкому кругу видов сельскохозяйственного, экологического или, возможно, этноботанического значения? Давайте посмотрим на некоторые примеры этого.

Трансляционные исследования: перенос основополагающих открытий с моделей на сельскохозяйственные культуры

Неудивительно, что в последние 10–20 лет акцент постепенно смещается с арабидопсиса на немодельные организмы, включая сельскохозяйственные культуры и редкие виды растений. Основной причиной этого является насущная необходимость быстрых действий по улучшению урожая и сохранению растений в свете быстрорастущего населения мира, изменения климата, загрязнения, потери среды обитания и сельскохозяйственных угодий, а также постоянно растущего давления патогенов. Это смещение фокуса исследований также обусловлено изменением государственной политики и приоритетов спонсоров. Чтобы сделать переход к изучению сельскохозяйственных культур и других немоделей как можно более плавным, необходимы надежные вычислительные конвейеры, которые производят высококачественные сборки генома из комбинаций коротких и длинных последовательностей. В связи с этим работа с гораздо более сложными геномами полиплоидных видов представляет собой еще более сложную задачу. Имея в наличии последовательности генома и высококачественные сборки, ортологичные гены, которые ранее изучались только в эталонных организмах, необходимо проверить на функцию в процессах-кандидатах у представляющих интерес немодельных видов, чтобы определить, какие аспекты их функции сохраняются и какие черты расходятся. Ключевым узким местом в этом процессе, конечно же, является сопротивление многих немоделей генетической трансформации и регенерации растений (Anjanappa and Gruissem, 2021). Таким образом, необходимо будет приложить значительные усилия для разработки новых методов улучшения установки 9.0013 in vitro культивирование, генетическая трансформация и конвейеры регенерации с эктопической активацией генов морфогенеза, таких как BABY BOOM, WUSCHEL, LEAFY COTYLEDON1 и 2 , а также некоторые другие, имеющие большие перспективы для повышения эффективности регенерации видов растений, в остальном непокорных и сорта (Гордон-Камм и др., 2019). Дальнейшая оптимизация технологий редактирования генома, включая классическое разрушение генов с помощью вставок, а также более целенаправленное редактирование генов с помощью методов редактирования оснований и праймов или гомологичной рекомбинации, должно обеспечиваться точное манипулирование интересующими генами. Фундаментальные знания, полученные как о модельных, так и о немодельных организмах, затем могут быть использованы прикладными биологами растений и экологами для улучшения урожая и сохранения растений.

Интерпретация кода

Одним из аспектов экспериментальных исследований, в которых мы добились успехов за последние 10 лет, является секвенирование генома и транскриптома. Текущая задача состоит в том, чтобы научиться делать выводы о том, что последовательность говорит нам о том, что делает ген и как он регулируется, основываясь только на коде. Можем ли мы взглянуть на геномную последовательность гена и сделать вывод не только о функции гена, но и о различных уровнях регуляции генов, и все это только по последовательности без каких-либо дополнительных экспериментов? Чтобы уточнить это различие между функцией и регуляцией, мы уже можем сделать вывод о вероятной функции ортологичного гена в растении (ранее изученном на другом виде) на основе степени консервативности его геномной последовательности и вывести, например, ферментативную функцию. реакция, которую может катализировать белок, или элемент ДНК, который может связывать фактор транскрипции, или специфический ион, который канал может транспортировать, или ряд лигандов или других молекул, с которыми белок может взаимодействовать. Чего мы пока не можем надежно сделать, так это предсказать, основываясь только на последовательности гена, когда и где ген транскрибируется, какие стимулы окружающей среды или развития изменяют его экспрессию, насколько стабилен его транскрипт, какие схемы сплайсинга транскрипт имеет в определенных типах клеток или условиях. , или какие факторы диктуют эти паттерны, или насколько хорошо транскрипт транслируется, как складывается белок, где в клетке находится белок, каков его период полужизни и так далее. Можем ли мы когда-нибудь взглянуть на последовательность гена и предсказать, является ли ген важным или какой орган или ткани будут затронуты у мутанта с потерей или приобретением функции, и какой фенотип проявит мутант, и все это без проведения эксперимента? ? Как только мы научимся делать это для диплоидного модельного растения, сможем ли мы перенести это знание на полиплоиды, которые могут иметь более высокий уровень избыточности генов и, возможно, больше случаев неофункционализации? Как нам получить эту необычайную силу?

Один из важнейших компонентов задачи определения функции или преобразования генотипа в фенотип будет включать машинное обучение и модели нейронных сетей, при этом размер и качество обучающих наборов данных представляют собой вероятное узкое место, определяющее точность предсказания нейронных сетей (Ching et al. , 2018). В то время как роль вычислительных биологов в этом начинании будет заключаться в разработке новых алгоритмов или адаптации существующих конвейеров и тестировании моделей, незаменимая функция биологов-экспериментаторов в этом усилии будет заключаться в создании наиболее полных и надежных наборов данных для обучения модели. Это неизбежно подводит нас к следующей важной теме — качеству данных.

Качество данных: стандартизация, надежность, устойчивость и отслеживание

Как ученые-экспериментаторы, большинство, если не все из нас, имели негативный опыт невозможности воспроизвести важный результат (иногда даже наш собственный) или подтвердить личность материал, которым кто-то поделился с нами (например, штамм, плазмида или посевной материал от коллеги или другой лаборатории). Проблемы с биологической изменчивостью (например, различия в прорастании между партиями семян), небольшим размером выборки (из-за непомерно высокой стоимости, временных или материальных ограничений или других ограничений), человеческим фактором (субоптимальная номенклатура маркировки, плохое отслеживание, неадекватное ведение записей, некачественное экспериментальное дизайн, просчеты, кадровые изменения или прямая небрежность) или неисправность приборов (во многих случаях из-за отсутствия финансирования или времени на техническое обслуживание или модернизацию оборудования) могут способствовать ограниченной воспроизводимости экспериментальных данных или путанице образцов. Редко правонарушение бывает преднамеренным, но последствия этих ошибок могут быть огромными. Что мы можем сделать, чтобы свести к минимуму ошибки, стандартизировать внутренние лабораторные протоколы и ведение записей и, в конечном счете, улучшить воспроизводимость публикуемых данных? Я бы поддержал универсальный мандат спонсора на подробное ведение электронных записей (во многом как того требуют частные компании), автоматическое резервное копирование данных и регулярное обновление оборудования, тщательное планирование перед запуском эксперимента (включая разработку всеобъемлющей номенклатуры маркировки образцов, помимо общепринятых 1, 2). , 3), включение универсальных контролей (например, образец Arabidopsis Columbia, включенный в каждый эксперимент с Arabidopsis, независимо от того, какая другая зародышевая плазма тестируется), широкое повторение образцов, проверка результатов на нескольких этапах процесса (например, секвенирование по Сэнгеру промежуточных конструктов). ) и другие разумные, но часто требующие много времени методы (такие как повторное выращивание всех генотипов рядом друг с другом и использование свежих подвоев в эксперименте, чтобы свести к минимуму эффект партии семян, или повторное секвенирование каждой конструкции перед тем, как передать ее в центр запасов или поделиться ею). с другими).

Другим, но родственным ограничением, с которым мы часто сталкиваемся в науках о растениях, является невозможность отслеживать и/или получать материалы или наборы данных, сообщаемые другими исследовательскими группами или часто даже предыдущими членами собственной лаборатории. Чтобы обеспечить долгосрочную доступность и неограниченный доступ к опубликованным конструкциям, зародышевой плазме, наборам данных omics и другим ресурсам, созданным государственным сектором, финансирующие агентства должны сделать обязательным хранение всех материалов и данных в соответствующих центрах хранения, хранилищах последовательностей и т. д. , сразу после публикации. Я часто задаюсь вопросом, можно ли было бы поощрять эту практику, если бы научная продуктивность и влияние оценивались не только по количеству опубликованных статей, но и по количеству депонированных запасов или наборов данных и их использованию сообществом (например, по частоте публикаций). заказы на складе или загрузка данных). Издатели, с другой стороны, должны полностью соблюдать старые правила, согласно которым все представленные рукописи должны соответствовать установленным принципам надлежащей научной номенклатуры (например, порядковые номера генов, названия мутантов или химические структуры) и включать коды доступа сообщества (например, генные идентификаторы, инвентарные номера мутантов, коды доступа Genbank и т. д.) и подробные аннотации для всех материалов и данных, использованных или полученных в исследовании, при этом соответствие является обязательным условием для публикации. Эти простые шаги уменьшат неясности, облегчат отслеживание ресурсов и сделают опубликованные материалы и наборы данных общедоступными.

Дополнительные усилия, затраченные на тщательное планирование экспериментов, проведение, ведение записей и обеспечение возможности отслеживания и доступности опубликованных материалов и наборов данных, несомненно, приведут к публикации меньшего количества научных статей, но более высокого качества, и в конечном итоге сэкономят время и ресурсы в будущем. Конечно, внешний мандат для большей строгости и подотчетности также будет означать необходимость для финансирующих агентств финансовой поддержки дополнительных усилий и разработки способов контроля за соблюдением лабораториями новых более строгих практик и практики распространения, но здравый смысл в том, что в В долгосрочной перспективе дешевле правильно провести эксперимент с первого раза, чем тратить годы на попытки воспроизвести или исправить ошибочные данные или переделать ранее созданный ресурс.

Синтетическая биология

Захватывающая и многообещающая область науки, которую биологи растений начинают более широко осваивать, — это синтетическая биология. Во-первых, что такое синтетическая биология? Для биолога растений это полезное расширение классической молекулярной генетики, объединяющее основные инженерные принципы и направленное на воссоздание биологии с нуля. Традиционно биологи с классической подготовкой изучают природу сверху вниз, подобно любопытному ребенку, пытающемуся разобрать игрушку, чтобы посмотреть, из чего она сделана. Биологи-синтетики, наоборот, пытаются собрать функциональную систему из ее частей, чтобы понять, каковы ее минимально необходимые компоненты. В биологии растений мы все еще очень далеки от того, чтобы восстановить целые растения или растительные клетки с нуля, но мы можем воссоздать пути, например, те, которые мы ранее изучали в их естественном контексте, в гетерологичной клетке-хозяине, также известной как шасси, или внедрить простые цепи регуляции генов, которые мы создали искусственно. Почему мы хотим это сделать? Во-первых, посмотреть, сможем ли мы воссоздать естественное поведение, чтобы убедиться, что мы полностью понимаем путь или механизм регуляции. Кроме того, это может быть полезно с практической точки зрения, как в случае с метаболической инженерией, когда нативный или полусинтетический путь биосинтеза экспрессируется в гетерологичном хозяине (интактном растении или клеточной суспензии) для получения ценного вещества. метаболита (Lu et al., 2016; Birchfield and McIntosh, 2020) или при биосенсорном анализе, когда синтетическая генетическая конструкция вводится для превращения хозяина в биодетектор для определенного интересующего стимула или лиганда, например, метаболита ( Гарагунис и др. , 2021).

Мы не до конца понимаем то, что не можем воссоздать сами. Мы можем знать, например, что ген индуцируется, например, тепловым стрессом, но это наблюдение ничего не говорит нам о регуляции развития этого гена или о том, какие другие биотические или абиотические факторы контролируют экспрессию этого гена. Наглядным примером того, насколько ограничены наши текущие знания и как синтетическая биология может помочь нам преодолеть недостаток всестороннего понимания, является следующее умственное упражнение. Как можно придать желаемый паттерн экспрессии интересующему гену, чтобы ген транскрибировался, например, только в цветке, в пыльниках на определенной стадии развития цветка и только в ответ на тепловой стресс? ? Если мы говорим о модельном организме, мы можем просмотреть имеющиеся транскриптомные данные в надежде найти нативный ген с таким паттерном, но есть вероятность, что большинство генов, обогащенных пыльниками, будут экспрессироваться где-то еще и/или будут регулироваться стимулами, отличными от других. тепловой стресс. Имея огромное количество транскриптомных данных и ограниченные данные о ChIP-seq, DAP-seq и доступности хроматина (ATAC-seq, DNase-seq и т. д.), у нас до сих пор нет надежных способов вывести паттерны транскрипции нативного гена во всех тканях. и условия. Комбинация биоинформатического анализа (для выявления предполагаемых сайтов связывания факторов транскрипции на основе сохранения последовательности) (Землянская и др., 2021), классического анализа промотора трансгена (который включает создание серии трансгенов с фрагментами промотора, удаленными или замененными в попытке чтобы систематически охарактеризовать влияние этих целевых модификаций ДНК на экспрессию репортерного гена) (Andersson and Sandelin, 2020) и/или совсем недавно в промоторе planta путем редактирования генома (т. е. создание целевых модификаций промотора непосредственно в нативном геномном контексте) (Pandiarajan and Grover, 2018) часто используются для идентификации регуляторных цис--элементов в представляющих интерес промоторах. Тем не менее, этих подходов будет недостаточно для идентификации полного набора ДНК цис -элементов, которые диктуют пространственно-временную регуляцию интересующего гена, но эти стратегии могут быть полезны для точного определения некоторых кандидатов cis -элементы и экспериментальное подтверждение того, какие элементы требуются.

Если экспериментально показано, что определенный элемент ДНК необходим, скажем, для повышения регуляции теплового стресса, следующим шагом будет проверка достаточности этого элемента. Это можно сделать, создав тандем этих элементов, создав синтетический проксимальный промотор и поместив его выше хорошо охарактеризованного основного промотора, такого как 35S , чтобы управлять репортером (Ali and Kim, 2019). В лучшем случае, если нам удастся найти элемент, который может придать термоиндуцируемое выражение репортеру, у нас нет простого способа ограничить это термоактивируемое выражение только пыльниками, не говоря уже о конкретной стадии развития. развитие пыльника. Даже если бы у нас был под рукой другой элемент ДНК, обеспечивающий тканеспецифическую экспрессию (в этом примере, в пыльниках), у нас нет простого способа реализовать то, что ученые-компьютерщики рассматривали бы как логическую логику И — объединить эти элементы ДНК (например, в одном проксимальном промоторе) таким образом, что транскрипция гена теперь будет запускаться только специфически в пыльниках в ответ на тепло, но не в каких-либо других условиях или тканях. Синтетическая биология делает возможной реализацию этой логики И (и других типов булевых логических вентилей), например, за счет использования гетеродимерных факторов транскрипции, когда один мономер активен в пыльниках (за счет использования специфичного для пыльника промотора), а другой мономер экспрессируется только в ответ на тепловой стресс (за счет использования терморегулируемого промотора) (рис. 1). В этом сценарии полный гетеродимерный фактор транскрипции будет восстановлен только в пыльниках растений, подвергшихся термической обработке, и будет активировать свои гены-мишени только в тех тканях цветка, которые особенно подвержены тепловому стрессу.

Рисунок 1 . Пример гипотетической генетической логической логической схемы И. АВ представляет собой гетеродимерный фактор транскрипции. Если субъединица А экспрессируется в пыльниках, а субъединица В индуцируется нагреванием, то полный фактор транскрипции восстанавливается только в пыльниках, подвергшихся тепловому стрессу. Логика И ограничивает экспрессию интересующего выходного гена конкретно тканями и условиями, в которых/когда одновременно экспрессируются и А, и В.

Таким образом, синтетическая биология позволяет нам создавать генетические устройства, способные управлять конкретными интересующими процессами, несмотря на отсутствие полного механистического понимания всех движущихся частей этих процессов. В ближайшем будущем все больше и больше биологов растений примут синтетическую биологию как мощный способ обойти некоторые технические узкие места в науках о растениях. Кто знает, когда-нибудь футуристические концепции минимального генома растений и минимальной растительной клетки (Yang et al. , 2020) могут даже стать реальностью. Как скоро у нас будет достаточно глубокое понимание молекулярной генетики и физиологии растений, чтобы мы могли определить минимальный набор генов для создания функционального растения, способного выжить в одной стабильной (оптимальной) среде? Что нам нужно добавить к минимальной системе, чтобы теперь растение могло реагировать на стресс и процветать в условиях, далеких от оптимальных? Хотя можно согласиться с тем, что нам предстоит еще очень долгий путь, прежде чем мы сможем достичь этого, еще не слишком рано начать думать об этих более амбициозных проектах, работая над все еще очень сложными, но более достижимыми краткосрочными целями, где синтетическая биология будет играть решающую роль. центральную роль, например выращивание азотфиксирующих зерновых культур (Bloch et al., 2020) или риса C4 (Ermakova et al., 2020).

Другие направления и заключительные замечания

Несколько других областей, имеющих отношение к наукам о растениях, будут иметь первостепенное значение для нашей способности продвигать вперед исследования в области биологии растений. Усовершенствованная автоматизированная высокопроизводительная визуализация и фенотипирование обеспечат более систематический и надежный способ сбора надежных морфометрических данных о разнообразии видов растений в лаборатории, теплице и в полевых условиях. Разработка новых вычислительных инструментов и внедрение новых экспериментальных методов, наряду с оптимизацией и оптимизацией существующих инструментов и протоколов, останутся основной движущей силой исследовательского прогресса, а подходы омики одиночных клеток, вероятно, займут центральное место в ближайшие несколько лет. Наука о данных будет играть еще более важную роль, учитывая огромное количество генерируемых новых данных и необходимость обрабатывать и осмысливать всю эту информацию. Подходы на системном уровне, математическое моделирование и машинное обучение станут более неотъемлемой частью исследований в области биологии растений, позволяя ученым систематизировать сложные данные и расставлять приоритеты, а также предоставлять исследователям растений экспериментально проверяемые прогнозы.

Если мы хотим, чтобы прорывы, которые мы делаем на лабораторных условиях или в полевых условиях, реализовывались в реальных продуктах, нам также необходимо работать над изменением общественного восприятия биотехнологий. Важнейшие шаги по восстановлению общественного доверия к науке включают более глубокое понимание воздействия предлагаемых инноваций на общество посредством сотрудничества с социологами, вовлечения исследователей в процесс разработки научной политики и активного участия всех ученых (студентов, докторантов, техников, преподаватели, специалисты отрасли и т. д.) в программах по работе с населением, чтобы сделать нашу работу и ее последствия доступными для широкой публики. Наконец, одним из важнейших факторов, который сделает научные достижения устойчивыми в долгосрочной перспективе, являются щедрые инвестиции в надежную междисциплинарную подготовку следующего поколения ученых-растений. Наша способность создать гостеприимную среду для стажеров из всех слоев общества и путей жизни позволит этим студентам и докторантам почувствовать, что их исследовательская группа является их второй семьей. Сегодняшние стажеры – это те, кто будет решать насущные мировые проблемы долгие годы. Наша способность предоставить молодым ученым солидную базу знаний и разнообразные навыки гарантирует, что они будут хорошо подготовлены для решения следующей большой задачи.

Заглядывая вперед, фундаментальные исследования модельных организмов, прикладная работа с сельскохозяйственными культурами и исследования по сохранению редких растений будут по-прежнему иметь жизненно важное значение для современной биологии растений. Высокопроизводительные исследования и генетические проекты, выполняемые мегагруппами и небольшими лабораториями в самых современных условиях или традиционными полевыми лабораториями, останутся незаменимыми для прогресса наук о растениях. В конце концов, решение насущных социальных проблем, таких как продовольствие растущего населения мира и смягчение последствий изменения климата, в конечном итоге зависит от нашей способности ученых собраться вместе и использовать силу растений. Исследования в области биологии растений призваны сыграть центральную роль в этом важном начинании. Это захватывающее и срочное время, чтобы стать — или стать — ученым-растением.

Вклад авторов

Автор подтверждает, что является единственным автором этой работы и одобрил ее публикацию.

Финансирование

Работа в лаборатории Степановой поддерживается грантами Национального научного фонда NSF 1750006, NSF 1444561, NSF 1940829.

Конфликт интересов

финансовые отношения, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Примечание издателя

Все претензии, изложенные в этой статье, принадлежат исключительно авторам и не обязательно представляют претензии их дочерних организаций или издателя, редакторов и рецензентов. Любой продукт, который может быть оценен в этой статье, или претензии, которые могут быть сделаны его производителем, не гарантируются и не поддерживаются издателем.

Ссылки

Али, С. , и Ким, В. К. (2019). Плодотворное десятилетие использования синтетических промоторов для улучшения трансгенных растений. Фронт. Завод. науч. 10:1433. doi: 10.3389/fpls.2019.01433