§ 6. Өсімдіктер биотехнология нысаны ретінде және оларды оқыту ерекшеліктері

Өсімдіктер биотехнологиясы - биотехнология ғылымының ең қарқынды дамып келе жатқан және теориялық та, қолданбалы да маңызы жоғары салаларының бірі. Бұл бағыт өсімдік жасушаларын, ұлпаларын, мүшелерін және тұтас ағзасын in vitro және in vivo жағдайында зерттеу, көбейту, өзгерту және мақсатты түрде пайдалану әдістерін қамтиды.

Өсімдіктер биотехнологиясы қазіргі таңда ауыл шаруашылығы, селекция, фармацевтика, тағам өндірісі, экология және ғылыми зерттеу салаларында кеңінен қолданылып келеді. Осыған байланысты өсімдіктерді биотехнология нысаны ретінде қарастыру тек олардың биологиялық табиғатын түсінумен шектелмейді, сонымен қатар олардың генетикалық, жасушалық, физиологиялық және өндірістік мүмкіндіктерін жүйелі түрде талдауды талап етеді.

Егер жануар жасушаларында мұндай қабілет шектеулі болса, өсімдік жасушалары, әсіресе меристемалық немесе тірі паренхималық жасушалар, арнайы қоректік орта мен фитогормондар әсерінде қайтадан бөлініп, каллус түзеді, одан кейін өркен мен тамыр дамытып, жаңа өсімдікке айнала алады. Бұл құбылыс клондық микрокөбейту, ұлпа культурасы, сомалық эмбриогенез, гаплоидтар алу, трансгенді өсімдіктер жасау сияқты көптеген биотехнологиялық әдістердің негізін құрайды.

Өсімдіктер биотехнологиясында нысан ретінде әртүрлі деңгейдегі құрылымдар қолданылады: жеке жасушалар, ұлпалар, мүшелер, меристемалар, тозаң түйіршіктері, протопластар және тұтас өсімдіктер. Олардың әрқайсысының зерттеулік және өндірістік маңызы әртүрлі. Мысалы, меристема вирустардан тазартылған өсімдік материалын алу үшін маңызды болса, каллус культурасы жасушалық деңгейдегі морфогенезді зерттеуге мүмкіндік береді, ал протопласттар жасуша қабырғасынсыз күйде генетикалық біріктіру мен сомалық гибридизация жүргізуге қолайлы. Сондықтан өсімдіктер биотехнологиясын меңгеру барысында білім алушылар алдымен осы нысандардың құрылымдық және функционалдық ерекшеліктерін түсінуі тиіс.

Таңдалудың ғылыми және практикалық себептері

Өсімдіктердің биотехнологиялық нысан ретінде таңдалуының бірнеше ғылыми және практикалық себебі бар:

Өсімдік биотехнологиясының негізгі ғылыми бағыттары ретінде ұлпа культурасы, клондық микрокөбейту, жасушалық селекция, сомалық гибридизация, трансгенез, молекулалық маркерлік технологиялар, фитопатогендерге төзімді формалар алу, екінші реттік метаболиттер өндірісі, генетикалық ресурстарды сақтау және криоконсервация аталады. Бұл бағыттардың әрқайсысы өсімдіктерді биотехнологиялық нысан ретінде пайдаланудың әртүрлі қырын көрсетеді.

Мысалы, микроклондық көбейту сирек және бағалы өсімдіктерді жаппай көбейтуге мүмкіндік береді. Жасушалық селекция тұзға, құрғақшылыққа немесе патогендерге төзімді жасуша линияларын іріктеуге көмектеседі. Ал трансгенді технологиялар арқылы өсімдіктің белгілі бір қасиетін өзгертіп, мысалы, зиянкестерге төзімді немесе өнімділігі жоғары формалар алуға болады.

In vitro технологиялары және негізгі нысандар

Өсімдіктер биотехнологиясының өзегі - in vitro өсіру технологиялары. «In vitro» ұғымы латын тілінен аударғанда «шыны ішінде» деген мағынаны білдіреді, яғни өсімдік мүшелері немесе жасушалары табиғи ортадан тыс, жасанды қоректік ортада, стерильді жағдайда өсіріледі. Бұл әдіс өсімдіктің өсуі мен дамуын реттейтін факторларды дәл бақылауға мүмкіндік береді. In vitro жағдайында жарық, температура, ылғалдылық, қоректік заттар, фитогормондар және рН деңгейі нақты реттеледі. Соның нәтижесінде табиғатта сирек жүретін немесе баяу жүретін процестер зертханада жедел әрі мақсатты түрде жүзеге асырылады.

Өсімдіктердің in vitro культурасы көбіне Мурасиге-Скуг (MS) сияқты минералдық элементтерге бай қоректік орталарда жүргізіледі. Қоректік орта құрамында макроэлементтер, микроэлементтер, көмірсудың көзі ретінде сахароза, витаминдер, кейде аминқышқылдары және өсу реттегіштері – фитогормондар болады. Фитогормондардың қатынасы өсімдік ұлпасының дамуын анықтайды. Мысалы, ауксин мөлшері жоғары болса, каллус түзілуі мен тамырлану күшейеді; цитокинин басым болса, өркен түзілуі жеделдейді. Сондықтан бір ғана өсімдік материалы әртүрлі гормондық ортада әртүрлі морфогенетикалық бағытта дамуы мүмкін.

Биотехнологиялық әдістер мен бағыттар

Өсімдіктер биотехнологиясындағы маңызды әдістердің бірі - клондық микрокөбейту. Бұл әдіс арқылы қысқа уақыт ішінде генетикалық біркелкі, аурудан таза, көп мөлшердегі өсімдік материалын алуға болады. Әсіресе тұқым арқылы көбейгенде қасиеті тұрақсыз болатын немесе табиғи жағдайда баяу көбейетін өсімдіктер үшін микрокөбейту өте тиімді. Мысалы, картоп, құлпынай, банан, орхидея, жеміс-жидек дақылдары, сәндік өсімдіктер және дәрілік түрлер осы әдіспен көбейтіледі. Клондық микрокөбейту бірнеше кезеңнен тұрады: инициация, көбейту, тамырландыру және бейімдеу. Бұл процестерді оқыту білім алушыларға өсімдік морфогенезін, физиологиясын және өндірістік технология логикасын кешенді түрде түсінуге көмектеседі.

Сомалық эмбриогенез - өсімдік биотехнологиясындағы ерекше құбылыс. Бұл процесте сомалық, яғни жыныссыз жасушалардан эмбрион тәрізді құрылым түзіліп, кейін тұтас өсімдікке айналады. Оның ғылыми маңызы өте жоғары, өйткені бұл құбылыс жасушалардың тотипотенттілігін тікелей дәлелдейді. Практикалық маңызы жағынан сомалық эмбриогенез жаппай көбейту, синтетикалық тұқым алу, ұзақ сақтау және трансформацияланған линияларды көбейту үшін қолданылады.

Өсімдіктер биотехнологиясының тағы бір өзекті бағыты - протопласттармен жұмыс. Протопласт - жасуша қабырғасы ферменттік жолмен алынған тірі өсімдік жасушасы. Протопласттар сомалық гибридизация жүргізуге, яғни генетикалық тұрғыдан әртүрлі екі жасушаны біріктіруге мүмкіндік береді. Бұл кейбір түрлерді кәдімгі шағылыстыру арқылы будандастыру мүмкін болмаған жағдайда өте құнды әдіс болып саналады. Протопласттармен жұмыс жоғары кәсіби дайындықты талап ететіндіктен, оны оқытуда теориялық түсіндіру, сызбалар, кезеңдік схемалар және бейімделген тәжірибелік тапсырмалар қолданылуы тиіс.

Өсімдік биотехнологиясында генетикалық трансформация, яғни өсімдік жасушасына жаңа ген енгізу әдістері де кеңінен дамыған. Мұнда көбіне Agrobacterium tumefaciens бактериясы немесе биобаллистикалық әдіс пайдаланылады. Бұл технологиялар арқылы гербицидке, зиянкеске, ауруға, тұзға, құрғақшылыққа төзімді өсімдіктер жасауға болады. Сонымен қатар тағамдық құндылығы арттырылған немесе ерекше метаболиттер түзетін трансгенді формалар алу мүмкіндігі бар. Алайда бұл бағыт тек ғылыми емес, сонымен бірге этикалық, экологиялық және әлеуметтік мәселелерді де қамтитындықтан, оны оқыту кезінде сыни талдау, пікірталас және проблемалық сұрақтар кеңінен қолданылуы керек.

Оқыту әдістемесі және педагогикалық тәсілдер

Енді осы мазмұнды оқыту тұрғысынан қарастырсақ, өсімдіктерді биотехнология нысаны ретінде оқытуда ең алдымен көрнекілік принципі ерекше маңызға ие. Себебі өсімдік биотехнологиясының көптеген процестері – каллус түзілуі, микрокөбейту, сомалық эмбриогенез, протопласт, гормондар әсері - абстрактілі және күрделі ұғымдармен байланысты. Сондықтан білім алушыларға тек мәтіндік ақпарат беру жеткіліксіз. Суреттер, микрофотосуреттер, сатылы схемалар, салыстырмалы кестелер, процестік диаграммалар және нақты зертханалық фотолар міндетті түрде қолданылуы керек.

Өсімдіктер биотехнологиясын оқытуда зерттеушілік тәсіл аса тиімді. Мысалы, білім алушыларға «Неліктен бір өсімдік бөлігінен тұтас өсімдік алуға болады?», «Неге фитогормон қатынасы өзгергенде морфогенез бағыты өзгереді?», «Неліктен шыны жағдайында өсірілген өсімдіктерді сыртқы ортаға бірден көшіруге болмайды?» деген сұрақтар қойылса, олар биологиялық процестерді себеп-салдарлық тұрғыдан талдауға үйренеді. Зертханалық тәжірибелердің қарапайым модельдері - тұқымды стерильдеу, қоректік орта компоненттерін талдау, эксплант түрлерін салыстыру, микрокөбейту сатыларын құрастыру - ұғымдарды терең меңгертеді.

Проблемалық оқыту да бұл бөлімге өте үйлесімді. Мысалы, «Сирек кездесетін өсімдікті табиғаттан жұлып алмай қалай көбейтуге болады?», «Вирустармен зақымданған картопты қалай сауықтыруға болады?», «Қуаңшылыққа төзімді өсімдік формаларын қалай алуға болады?» деген проблемалық жағдаяттар өсімдік биотехнологиясының нақты қолданбалы мәнін ашады. Мұндай тапсырмалар білім алушылардың тек теориялық білімін емес, шешім қабылдау және негіздеу қабілетін де дамытады.

Құзыреттілікке бағытталған оқыту тұрғысынан өсімдіктер биотехнологиясы бөлімінің мүмкіндігі өте жоғары. Бұл тақырып арқылы білім алушылар биологиялық нысандарды ғылыми тұрғыдан сипаттауды, технологиялық процесті кезең-кезеңімен түсіндіруді, зертханалық қауіпсіздік ережелерін сақтауды, деректерді талдауды, салыстыруды және қорытынды жасауды үйренеді. Сонымен қатар олар биотехнологияның ауыл шаруашылығы, экология және медицинамен байланысын түсінеді. Бұл білім кәсіби бағдарлау тұрғысынан да маңызды.

Өсімдіктер биотехнологиясын оқытуда жас ерекшелігіне сай мазмұнды бейімдеу қажет. Мектеп деңгейінде өсімдік ұлпаларын жасанды ортада өсірудің жалпы идеясы, оның ауыл шаруашылығындағы маңызы және микрокөбейту туралы қарапайым түсініктер берілуі мүмкін. Ал колледж және жоғары оқу орнында фитогормондар, тотипотенттілік, каллус, сомалық эмбриогенез, трансгенез, протопласт сияқты күрделі ұғымдар ғылыми деңгейде меңгертіледі. Бұл спиральді оқыту ұстанымына сәйкес келеді, яғни бір тақырып әр деңгейде тереңдеп отырады.

Пәнаралық интеграция өсімдік биотехнологиясын оқытудың маңызды ерекшелігі болып табылады. Химиямен байланыс - қоректік орта құрамы, фитогормондар, метаболиттер синтезі; генетикамен байланыс - трансгенез, мутация, селекция; экологиямен байланыс - фиторемедиация және түрлерді сақтау; информатикамен байланыс - биотехнологиялық деректерді өңдеу, диаграмма және цифрлық модельдер; медицинамен байланыс - дәрілік өсімдіктерден белсенді заттар алу арқылы көрінеді. Бұл байланыстарды жүйелі көрсету білім алушыларда кешенді ғылыми ойлау қалыптастырады.

Бағалау жүйесі де осы бөлімнің мазмұнына сай құрылуы тиіс. Білім алушы тек анықтамаларды жаттап қоймай, өсімдік биотехнологиясының нысандарын ажырата алуы, олардың қызметін түсіндіре алуы, процестерді сатылы түрде сипаттай алуы және қолданылу салаларын талдай алуы қажет. Сондықтан бағалауда сұрақ-жауаппен қатар кесте толтыру, сәйкестендіру, «дұрыс-бұрыс», қысқаша кейс, шағын жоба, схема құрастыру және аналитикалық қорытынды жазу сияқты әдістер тиімді.

Өсімдіктер биотехнологиясы тақырыбының тәрбиелік және дүниетанымдық әлеуеті де жоғары. Бұл бөлім білім алушыларда өсімдіктер әлеміне ғылыми қызығушылықты арттырады, табиғи ресурстарды ұқыпты пайдалану, сирек түрлерді сақтау, тұрақты ауыл шаруашылығы мен экологиялық жауапкершілік туралы көзқарасты қалыптастырады. Сонымен бірге ол биотехнолог, селекционер, агроном, зертханашы, эколог, фармацевт сияқты мамандықтарға кәсіби бағдар береді.

Осы тақырыпты электрондық оқулықта орналастыру да логикалық құрылыммен ұйымдастырылуы тиіс. Алдымен өсімдіктердің биотехнологиялық нысан ретіндегі жалпы сипаттамасы беріледі. Кейін тотипотенттілік, in vitro культура, эксплант, каллус, микрокөбейту, сомалық эмбриогенез, протопласт, трансгенез сияқты негізгі ұғымдар жүйелі түрде ашылады. Одан соң салыстырмалы кестелер, қолданылу салалары, оқыту ерекшеліктері, зертханалық қауіпсіздік, цифрлық ресурстар, тапсырмалар және рефлексия блоктары беріледі. Мұндай құрылым білім алушыны қарапайым ұғымнан күрделі қолданбалы технологияға дейін бірізді түрде жетелейді.