XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Микроклональное размножение картофеля

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Окунева Д.В. 1

---

1МАОУ Лицей №19

Воронова И.Г. 1

---

1МАОУ Лицей №19

Работа в формате PDF

2.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Первый куст картофеля, согласно преданию, появился не где-нибудь, а на могиле дочери  царя Мамера, которая отличалась свободолюбивым нравом. За свои деяния она попала в ад, а тот, кто будет употреблять картофель, по легенде, повторит ее судьбу и окажется там же…

Но в наше время ученые выяснили: какого бы цвета не был картофель — белого, розового, желтого или фиолетового, он содержит фитонутриенты, такие как флавоноиды. Они воздействуют на организм как антиоксиданты. Картофель богат крахмалом, содержит в своем составе белок и является источником витамина С. Включая картофель в свой рацион, можно обогатить его калием, фосфором, магнием и железом. Кроме того, в картофеле имеются важные микроэлементы (железо, марганец, медь, цинк) и витамины.

Технологию микроклонального размножения, которую также называют in-vitro, используют европейские компании с начала 80-х годов прошлого века.

Технологию микроклонального размножения отличают:

• Высокий коэффициент репродукции;

• Воспроизводство трудно размножаемых традиционными способами растений;

• Получение генетически однородного высококачественного посадочного материала;

• Получение оздоровленного безвирусного материала;

• Возможность проведения работ в течение года и экономия площадей, необходимых для выращивания посадочного материала.

Резюмируя, размножение растений в культуре in vitro – это технология в сельском хозяйстве, позволяющая получать за малый промежуток времени большое количество растений, идентичных исходному, то есть – клонов. В основе получения таких растений лежит способность соматических клеток растений полностью реализовать свой потенциал развития, т.е. свойство тотипотентности.

Цель:

Провести процесс микроклонального размножения картофеля, получить генетически одинаковые клубни.

Задачи:

1. Изучить теорию от микроклональном размножении картофеля.

2. Провести микроклональное размножене картофеля по стадиям.

3. Исследовать полученный результат.

Методика исследований

Этап 1. Выбор материнского растения: Выберите здоровое и свободное от болезней растение картофеля для использования в качестве исходного материала. Оно должно быть свободно от вирусов и других патогенов.

Этап 2. Стадия элонгации (доращивания). Разделить материнский организм, поместить во влажную среду. Поддерживать картофель водопроводной водой в течение 30-и дней. В процессе стадии элонгации количество микрорастений увеличивается в 1,6 раз.

Этап 3. Отделение экспланта. По прохождении 30-и дней простерилизуйте материнский организм, скальпель, резиновые перчатки и конические колбы в стерилизационном боксе. При помощи скальпеля отделите от родительского картофеля адвентивные побеги, микростволовки и микроклубни, отложите на стерильную поверхность.

Этап 4. Подготовка стерильной питательной среды. Подготовьте стерильную среду для культивации тканей. Это может быть раствор Геррики. На 1 литр раствора понадобятся следующие вещества:

1. Агар-агар – 20 г

2. Калийная селитра KNO₃– 5,5 г

3. Кальциевая селитра Ca(NO₃)₂ – 1 г

4. Сульфат магния MgSo₄ – 1,4 г

5. Сульфат железа двухвалентного FeSo₄ – 0,2 г

6. Сульфат марганца MnSo₄– 0,02 г

7. Сульфат цинка ZnSo₄ – 0,01 г

8. Сульфат меди CuSo₄– 0,01 г

Доведите 1 литр воды до кипения, добавьте сухие вещества, кипятите в течение 5-10 минут, постоянно помешивая. Разлейте раствор в термостойкие конические колбы объемом 50 мл до застывания раствора.

Этап 5. Акклиматизация в питательной среде. Подождите 1-2 минуты до застывания раствора, аккуратно поместите в колбы части экспланта. Закройте оголовки колб медицинской ватой, поставьте колбы в хорошо освещаемое помещение с температурой 20°- 25°C и относительной влажностью воздуха не более 50%. Длительность этапа 50 дней. Акклиматизация в микроклональном размножении картофеля – это процесс приспособления выращенных тканевых культур к условиям внешней среды,для последующего развития в почве. Длина стадии – 50 дней.

Первоначально, после окончания предыдущего этапа размножения, выращенные тканевые культуры переносят из контролируемой среды в условия, приближенные к естественным. Во время акклиматизации тканевые культуры проходят через несколько этапов приспособления. Сначала они могут испытывать стресс, связанный с изменением условий окружающей среды, таких как изменение температуры, влажности и освещения. В этот период растения могут замедлить свой рост или даже временно остановить его.

Этап 6. Акклиматизация в грунте. На 50-й день стадии акклиматизации необходимо пересадить эксплант в горшки с землей для приспособления к росту и развитию в условиях открытого грунта. Длина стадии – 30 дней. Постепенно тканевые культуры становятся все более устойчивыми к изменению условий окружающей среды и формируют полноценные растения. Когда растения достигают определенной величины и имеют достаточное количество корней и листьев, они готовы быть пересажены на открытый грунт. Важным аспектом акклиматизации является контроль за возможными заболеваниями и вредителями. Растения могут быть подвержены инфекциям или нападению вредных организмов, поэтому необходимо проводить регулярные осмотры и принимать меры по их предотвращению или лечению. В целом, акклиматизация в микроклональном размножении картофеля является важным этапом, который позволяет выращенным тканевым культурам адаптироваться к условиям внешней среды и стать полноценными растениями, готовыми для успешного выращивания на поле.

Этап 7. Рост и развитие в условиях открытого грунта. Выжившие растения необходимо пересадить в почву. Для этого выкопайте лунки глубиной 7-10 см и диаметром около 20 см. Аккуратно переместите растительные организмы в почку, осторожно присыпьте землей. Поливайте картофель водопроводной водой каждые 3-5 дней в жаркое время года, 6-8 дней в переходное время года. Длина стадии – 90 дней.

Этап 8. Сбор урожая. Выкопайте картофель, рассортируйте и пронумеруйте кусты.

Этап 9. Анализ и тестирование полученного урожая. Проведение анализа полученного урожая включает в себя проведение анализа химического состава и органолептических свойств картофеля, а именно:

1. Исследование на содержание магния.

При обеспечении растений достаточным количеством магния, помимо роста урожайности, отмечается повышение качественных показателей продукции – увеличивается содержание сахара, крахмала, белка, витамина С. Улучшается и качество семян: повышается их всхожесть, интенсивность прорастания.

Мелконарезанный картофель смешивают с дистиллированной водой, фильтруют для получения водной вытяжки с растворенным в ней магнием. В 10 мл фильтрата добавляют 2 мл раствора серной кислоты (H₂So₄), титруют. Затем, для создания раствора с известной концентрацией магния к 9 мл дистиллированной воды добавляют 1 мл сульфата магния (MgSo₄), получая 10% раствор сульфата магния. Реагируя с магнием в составе водной вытяжки, серная кислота образует сульфат магния (Mg + H₂So₄→MgSo₄ + H₂). Затем, при помощи спектрофотометра с использованием длины волны 467 нм сравнивают показатели оптической плотности раствора водной вытяжки и раствора с известной концентрацией сульфата магния и вычисляют процентное содержание магния по формуле:

2. Исследование на содержание фосфора.

Фосфор способствует развитию корневой системы, образованию столонов и клубнеобразования в целом. 

Мелконарезанный картофель смешивают с дистиллированной водой, фильтруют для получения водной вытяжки с растворенным в ней фосфором. В 10 мл фильтрата добавляют 2 мл раствора соляной кислоты (HCl), титруют. Затем, для создания раствора с известной концентрацией фосфора к 9 мл дистиллированной воды добавляют 1 мл фосфорнй кислоты (H₃Po₄), получая 10% раствор фосфорной кислоты. Реагируя с фосфором в составе водной вытяжки, соляная кислота образует фосфорную кислоту (P + HCl→ H₃Po₄ + H₂). Затем, при помощи спектрофотометра с использованием длины волны 259 нм сравнивают показатели оптической плотности раствора водной вытяжки и раствора с известной концентрацией фосфорной кислоты и вычисляют процентное содержание фосфора по формуле:

3. Исследование на содержание железа.

Картофель содержит железо, которое прекрасно усваивается благодаря витамину С в составе овоща. Этот минерал участвует в доставке кислорода к органам и тканям, а также влияет на общее состояние организма.

Мелконарезанный картофель смешивают с дистиллированной водой, фильтруют для получения водной вытяжки с растворенным в ней железом. В 10 мл фильтрата добавляют 2 мл раствора соляной кислоты (HCl), титруют. Затем, для создания раствора с известной концентрацией железа к 9 мл дистиллированной воды добавляют 1 мл хлорид железа (FeCl₃), получая 10% раствор хлорида железа. Реагируя с железом в составе водной вытяжки, соляная кислота образует хлорид железа (Fe + HCl→ FeCl₃). Затем, при помощи спектрофотометра с использованием длины волны 234 нм сравнивают показатели оптической плотности раствора водной вытяжки и раствора с известной концентрацией хлорида железа и вычисляют процентное содержание железа по формуле:

4. Исследование на содержание калия.

Калий играет роль в функционировании нервной системы, сокращении мышц, поддержании водного баланса организма, поддержании нормального кровяного давления и сахара в крови, во многих биохимических реакциях, обеспечивающих жизнедеятельность человека.

Мелконарезанный картофель смешивают с 10 мл дистиллированной водой, фильтруют для получения водной вытяжки с растворенным в ней калием. Затем, для создания раствора с известной концентрацией калия к 9 мл дистиллированной воды добавляют 1 мл гидроксида калия (KOH), получая 10% раствор гидроксида калия. Реагируя с калием в составе водной вытяжки, вода образует ионы калия. Затем, при помощи спектрофотометра с использованием длины волны 766 нм сравнивают показатели оптической плотности раствора водной вытяжки и раствора с известной концентрацией гидроксида калия и вычисляют процентное содержание калия по формуле:

5. Измерение массы картофеля. Поместите опытный образец на весы, измерьте массу.

6. Вычисление плотности картофеля. Плотность картофеля находят по формуле:

ρ= , где

ρ – плотность картофеля ( ,)

m – масса картофеля (г),

V – объем картофеля (мл).

Массу картофеля можно определить при помощи весов. Для определения объема в мерный стакан налейте 100 мл воды, аккуратно опустите картофель. Объем воды, который станет после погружения картофеля, является объем картофеля + 100 мл воды. Чтобы вычислить объем картофеля (мл), нужно:

Объем картофеля = Полученный объем – 100 мл

7. Определение содержания крахмала в картофеле. Определение содержания крахмала в картофеле можно провести с помощью химического анализа.

Подготовьте образец картофеля, сняв кожуру и нарезав его на мелкие кусочки. Положите образец в ступку или блендер и измельчите его до получения однородной массы. Перенесите полученную массу в пробирку и добавьте небольшое количество дистиллированной воды для образования пастообразной смеси. Добавьте 1 мл йода в пробирку и тщательно перемешайте содержимое. Йод будет реагировать с крахмалом, образуя синий или фиолетовый цвет. Чем больше крахмала в образце, тем интенсивнее будет окраска. Добавьте в раствор некоторое количество тиосульфата натрия, титруйте до обесцвечивания. Запишите количество тиосульфата натрия, необходимого для обесцвечивания йода.

Приготовьте эталонный раствор: известное количество крахмала растворите в 10 мл воды, добавьте 1 мл йода, проведите титрование тиосульфатом натрия до обесцвечивания. Запишите необходимое количество тиосульфата натрия.

Вычислите процентное содержание крахмала в картофеле по формуле:

Важно отметить, что этот метод является приближенным и может давать некоторую погрешность.

9. Органолептические свойства: вкус.

Вкус подразделяется на разные категории:

Характер вкуса	Описание
Сладкий вкус	Это признак свежего и нежного картофеля, содержащего сахара.
Горький вкус	Некоторые сорта картофеля могут иметь легкую горчинку во вкусе, которая может быть вызвана наличием натуральных токсинов в картофеле.
Соленый вкус	Это может быть признак того, что картофель был обработан солью или выращен на почве с высоким содержанием соли.
Кислый вкус	Это может быть признак того, что картофель начал гнить или подвергся брожению, что приводит к образованию кислотных соединений.
Нейтральный вкус	Это означает, что картофель не имеет ярко выраженного вкуса и не обладает ни сладостью, ни горечью, ни кислотностью.

Результаты.

За месяц до начала самого процесса микроклонального размножения мы запустили стадию элонгации. Разрезали опытный образец картофеля сорта Гранд на две части, каждую половину положили в пластиковый контейнер, накрытый льняным ковриком. На протяжении 30 дней раз в двое суток поддерживали материнский организм водопроводной водой. Влажность в помещении – 56%, температура – 22⁰C. В процессе стадии элонгации количество микрорастений увеличилось в 1,6 раз. Длина стадии 30 дней. За время стадии доращивания на родительском корнеклубне появились вегетативные органы, подходящие для микроклонального размножения, а конкретно (Приложение 2):

• 2 микроклубня

• 5 адвентивных побегов

На 1-ом этапе, выбирали питательную среду, остановили свой выбор на среде Геррики. На электронных весах мы взвешивали определенное количество вещества, затем добавляли в тару с 1 л дистиллированной воды. Кипятили в течение пяти минут, постоянно помешивая. Профильтровали раствор через марлю. (Приложение 2).

В ламинарном боксе при помощи ультрафиолетового излучения простерилизовали экспланты, 7 конических колб, медицинскую вату, пинцет. Раствор Герикки равномерно распределили в 7 конических колб объемом 25 мл. После застывания раствора в конические колбы поместили части экспланта, пронумеровали колбы, закрыли медицинской ватой и поставили на солнечный свет.

Второй этап – акклиматизация. Длина стадии – 50 дней.

На 8-й день эксперимента у микроклубня №4 появился свой адвентивный побег. До 27-ого дня все образцы, кроме №4, приостановили свой рост. Образцы №3, №6 и №7 не смогли приспособиться к условиям окружающей среды вне материнского организма, вследствие чего их части поочередно гнили и отмирали. Отмирающие части экспланта осторожно убирали пинцетом.

На 16-ый день стадии акклиматизации на верхней части питательной среды образовался слой нитчатых водорослей, которых удалось классифицировать как род Спирогира. Это произошло из-за повышенной влажности в помещении, где проходил эксперимент. Все водоросли убрали при помощи пинцета.

По мере приспособления к новым условиям, в промежутке между 27-м и 31-м днем рост корней и листьев образцов №1, №2 и №5 возобновился. К тому времени, длина стебля микроклубня №4 достигла 14 см. Образцы №3, №6 и №7 окончательно отмерли, не образовав отростков или корней.

На 36-й день заметили, что образец №2 сильно пожелтел, предположительно заболел.

К 48-му дню наиболее пригодными для пересадки оставались микроклубни №1 и №4, адвентивные побеги №2 и №5. У микроклубней №1 и №4 длина стеблей собственных побегов составила 3,5 см и 20,1 см соответственно (Приложение 3). На 50-й день стадии акклиматизации приняли решение о пересадке растений в грунт.

Перед пересадкой простерилизовали грунт в ламинарном боксе во избежания заражения картофеля. Для более рационального использования полученных акклиматизировавшихся эксплантов было принято решение отделить микроклубни №1 и №4 от их побегов и посадить в грунт по отдельности. Все образцы были пересажены в грунт, политы водопроводной водой. Таким образом, в грунте оказались образцы:

• №1^{микроклубень}

• №1^побег

• №4^{микроклубень}

• №4^побег

• №5

• №2

Третий этап – развитие в грунте (Приложение 4). Длина стадии – 30 дней. Раз в три дня фиксировали длину побегов каждого образца и записывали происходящие изменения. Были составлены графики роста каждого образца.

Итак, по истечении 30 дней длина побега №1^{микроклубень} составила 20,4 см. Данный образец оказался здоровым и использовался нами для пересадки в открытый грунт.

График роста образца №1^{микроклубень} :

График роста образца №1^побег:

Образец №1^побег не смог приспособиться к условиям роста в грунте и погиб на 8-ой день стадии развития в грунте.

График роста образца №4^{микроклубень}:

Итак, по истечении 30 дней длина побега №4^{микроклубень} составила 16,9 см. Данный образец оказался здоровым и использовался нами для пересадки в открытый грунт.

График роста образца №4^побег:

На протяжении 30-и дней длина побега №4 побег практически не изменилась и, в итоге, составила 20,5 см. Данный образец оказался здоровым и использовался нами для пересадки в открытый грунт.

График роста образца №2:

На 3-й день стадии развития в грунте образец №2 погиб, предположительно, из-за затяжной болезни.

График роста образца №5:

Образец №5 развивался достаточно равномерно, на 30-й день длина его побега составила 17,4 см. Данный образец оказался здоровым и использовался нами для пересадки в открытый грунт.

Задачей четвертого этапа являлось получение корнеклубней картофеля в процессе его выращивания в открытом грунте. Для этого подобрали опытный участок. Наиболее подходящими для пересадки оказались образцы №4^{микроклубень}, №4^побег, №5 и №1^{микроклубень}. Выкопали четыре лунки глубиной 10 см и диаметром 19 см, поместили образцы, присыпали землей и пролили водопроводной водой. Длина стадии – 90 дней. На протяжении первых 60-ти дней визуальных изменений с образцами не происходило, затем они стали засыхать. На 90-й день все кусты были выкопаны, образец №4^побег не оставил корнеклубней.

Пятый этап – проведение химического анализа и анализа органолептических свойств картофеля. Анализы были выполнены в строгом соответствии с методикой поведения химического и анализа органолептических свойств картофеля. Данные занесены в таблицы (Приложение 5). Анализ вкуса и запаха:

Запах крахмалистый, более выраженный, чем у картофеля, выращенного традиционным способом. Текстура зернистая, рассыпчатая, мягкая. На вкус с легкой горчинкой, в послевкусии присутствует сладость. В целом картофель сочный.

Резюмируя, полученный нами картофель полностью соответствует нормам СанПин как по химическому анализу, так и по вкусовым качествам.

Выводы.

В результате микроклонального размножения получили картофель сорта Гранд, соответствующий всем требованиям СанПин. В ходе проведения анализов было получено, что в нашем картофеле много железа, которое улучшает общее состояние человека, помогает работе нервной системы. Исходя из этого, наш картофель идеально подойдет для людей с железодефицитной анемией как дополнение к растворам глюконата железа. Повышенное содержание магния влияет на количество белка, крахмала и витамина С в картофеле. Фосфор необходим для работы мышечной системы, поддерживает кислотно-щёлочный баланс в организме, положительно влияет на процесс регенерации. Калий играет роль в функционировании нервной системы, сокращении мышц, поддержании водного баланса организма, поддержании нормального кровяного давления и сахара в крови, во многих биохимических реакциях, обеспечивающих жизнедеятельность человека. Рассыпчатая структура говорит о высоком содержании крахмала в картофеле. Горчинка во вкусе говорит о присутствии в картофеле незначительного количества натуральных токсинов. Сладость в послевкусии - признак свежего и нежного картофеля, содержащего сахара.

Список литературы.

1. Микроклональное размножение растений/ В. Деминчик, М. Черныш, 2019

2. Технология производства исходного семенного материала картофеля / А. И. Адамова, С. А. Банадысев, Г. И. Коновалова, З. А. Семенова // Картофелеводство. 2002

3. Безвирусное семеноводство картофеля: рекомендации / Л. Н. Трофимец, В. В. Бойко, Б. В. Анисимов и др. М.: Агропромиздат, 2000

4. СанПин № 2.3.2.1324-03 «Качество безопасности пищевых продуктов»

Приложение 1.

Фото. Проведение анализа картофеля в лаборатории, Окунева Д., 2023

Приложение 2.

Фото. Половина материнского организма с частями экспланта, Окунева Д., 2023

Фото. Стерилизация необходимого оборудования в ламинарном боксе, Окунева Д., 2023

Фото. Приготовление питательной среды (раствор Геррики), Окунева Д., 2023

Фото. Отделение экспланта и посадка на питательную среду, Окунева Д., 2023

Приложение 3.

Фото. Контроль роста и развития микрорастений 22.02.2023, Окунева Д., 2023

Фото. Контроль роста и развития микрорастений 28.02.2023, Окунева Д., 2023

Фото. Контроль роста и развития микрорастений 01.03.2023, Окунева Д., 2023

Фото. Контроль роста и развития микрорастений 09.03.2023, Окунева Д., 2023

Фото. Контроль роста и развития микрорастений 17.03.2023, Окунева Д., 2023

Фото. Контроль роста и развития микрорастений 20.03.2023, Окунева Д., 2023

Фото. Контроль роста и развития микрорастений 24.03.2023, Окунева Д., 2023

Приложение 4.

Фото. Контроль роста и развития организмов в грунте 04.04.2023, Окунева Д., 2023

Фото. Контроль роста и развития организмов в грунте 05.04.2023, Окунева Д., 2023

Фото. Контроль роста и развития организмов в грунте 07.04.2023, Окунева Д., 2023

Фото. Контроль роста и развития организмов в грунте 10.05.2023, Окунева Д., 2023

Фото. Контроль роста и развития организмов в грунте 12.05.2023, Окунева Д., 2023

Фото. Контроль роста и развития организмов в грунте 16.05.2023, Окунева Д., 2023

Фото. Контроль роста и развития организмов в грунте 18.05.2023, Окунева Д., 2023

Приложение 5.

Таблица №1. Процентное содержание металлов (магний, фосфор, калий) в водной вытяжке картофеля.

Таблица №2. Процентное содержание фосфора в водной вытяжке картофеля.

Таблица №3. Процентное содержание крахмала в картофеле.

Таблица №4. Масса картофеля разных образцов.

Таблица №5. Вычисление плотности картофеля.