На уроке мы рассмотрим, как на практике применяется открытая генетикой закономерность в медицине и сельском хозяйстве, узнаем основы селекции организмов, как селекция способствует выведению пород животных с необходимыми для человека признаками.
Ко-неч-но, вряд ли такой при-знак поз-во-лил бы этому пе-ту-ху вы-дер-жи-вать кон-ку-рент-ную борь-бу и есте-ствен-ный отбор в окру-жа-ю-щей среде. Но этот при-знак за-ин-те-ре-со-вал че-ло-ве-ка, и эта по-ро-да была со-зда-на. Кроме этого, от-ли-ча-ют-ся до-маш-ние формы от диких еще и своей очень боль-шой пло-до-ви-то-стью, это то глав-ное ка-че-ство, ради ко-то-ро-го че-ло-век и стал со-зда-вать эти по-ро-ды. К примеру, яй-це-нос-кость кур по-ро-ды белый лег-горн со-став-ля-ет около 350 яиц в год, а яй-це-нос-кость их ди-ко-го пред-ка бан-ки-вской ку-ри-цы со-став-ля-ет 18-20 яиц в год (рис.2).
Рис. 2. Курица породы белый леггорн и банкивская курица ()
Из этих при-ме-ров можно вы-ве-сти за-да-чи со-вре-мен-ной се-лек-ции, к ним от-но-сит-ся:
1. По-лу-че-ние новых вы-со-ко-уро-жай-ных и устой-чи-вых к за-бо-ле-ва-нию пород жи-вот-ных и сор-тов рас-те-ний.
2. По-лу-че-ние эко-ло-ги-че-ски пла-стич-ных сор-тов и пород, то есть тех, ко-то-рые могут жить в раз-лич-ных эко-ло-ги-че-ских усло-ви-ях.
3. По-лу-че-ние пород и сор-тов, удоб-ных для про-мыш-лен-но-го вы-ра-щи-ва-ния и ме-ха-ни-зи-ро-ван-ной убор-ки.
Воз-ник-ла се-лек-ция на заре че-ло-ве-че-ства, при-мер-но 20-30 тысяч лет тому назад, когда люди стали слу-чай-ным об-ра-зом одо-маш-ни-вать жи-вот-ных, ко-то-рые их окру-жа-ли. Глав-ным кри-те-ри-ем было то, что жи-вот-ные могут раз-мно-жать-ся в нево-ле и имеют до-ста-точ-но хо-ро-ший ха-рак-тер, их удоб-но со-дер-жать. Это и послужило пред-по-сыл-кой развития науки се-лек-ции. Ши-ро-кое одо-маш-ни-ва-ние на-ча-лось где-то в 8-6 веках до нашей эры, и уже в тот мо-мент были одо-маш-не-ны все из-вест-ные сей-час жи-вот-ные и окуль-ту-ре-ны рас-те-ния, но это еще была не наука. Пи-о-не-ром науки се-лек-ции в нашей стране был Ни-ко-лай Ива-но-вич Ва-ви-лов (рис. 3).
Рис. 3. Н.И. Вавилов (1887-1943) ()
Ва-ви-лов счи-тал, что в ос-но-ве се-лек-ции лежит пра-виль-ный выбор для ра-бо-ты ис-ход-но-го ма-те-ри-а-ла, ге-не-ти-че-ское раз-но-об-ра-зие и вли-я-ние окру-жа-ю-щей среды на про-яв-ле-ние на-след-ствен-ных при-зна-ков при ги-бри-ди-за-ции ор-га-низ-мов. В по-ис-ках ис-ход-но-го ма-те-ри-а-ла для по-лу-че-ния новых ги-бри-дов Ва-ви-лов ор-га-ни-зо-вал в 1920-30 годы де-сят-ки экс-пе-ди-ций по всему зем-но-му шару. Во время этих экс-пе-ди-ций ему с кол-ле-га-ми уда-лось со-брать более по-лу-то-ра тысяч видов куль-тур-ных рас-те-ний и огром-ное ко-ли-че-ство сор-тов. К 1940 году во Все-со-юз-ном ин-сти-ту-те рас-те-ние-вод-ства на-счи-ты-ва-лось уже 300 тысяч об-раз-цов. В на-сто-я-щее время кол-лек-ция по-сто-ян-но по-пол-ня-ет-ся и ис-поль-зу-ет-ся для по-лу-че-ния новых сор-тов на ос-но-ве уже из-вест-ных. Ис-сле-дуя по-лу-чен-ный во время экс-пе-ди-ции ма-те-ри-ал, Н.И. Ва-ви-лов при-шел к от-кры-тию опре-де-лен-ной за-ко-но-мер-но-сти, ко-то-рая и стала ге-не-ти-че-ской ос-но-вой се-лек-ции. Эта за-ко-но-мер-ность по-лу-чи-ла на-зва-ние «закон го-мо-ло-ги-че-ских рядов на-след-ствен-но-сти». Фор-му-ли-ров-ка этого за-ко-на, ко-то-рую пред-ло-жил сам Н.И. Ва-ви-лов: «Ге-не-ти-че-ски близ-кие роды и виды ха-рак-те-ри-зу-ют-ся сход-ны-ми ря-да-ми на-след-ствен-ной из-мен-чи-во-сти с такой пра-виль-но-стью, что, зная ряд форм в пре-де-лах од-но-го вида, можно пред-ви-деть на-хож-де-ние па-рал-лель-ных форм у дру-гих род-ствен-ных видов и родов. Чем более близ-ки виды и роды си-сте-ма-ти-че-ски, тем пол-нее сход-ство в рядах их из-мен-чи-во-сти».
Эту слож-ную фор-му-ли-ров-ку можно про-ил-лю-стри-ро-вать, на при-ме-ре се-мей-ства зла-ко-вых (рис. 4), куда вхо-дят хо-ро-шо из-вест-ные вам пше-ни-ца, рожь, яч-мень, рис, ку-ку-ру-за.
Рис. 4. Семейство злаковых ()
У этого се-мей-ства име-ет-ся ряд при-зна-ков, ко-то-рые про-сле-жи-ва-ют-ся у раз-ных видов, от-но-ся-щих-ся к этому се-мей-ству. К таким при-зна-кам от-но-сят-ся на-ли-чие ози-мых форм, крас-ная окрас-ка у зер-но-вок, на-при-мер, крас-ная окрас-ка встре-ча-ет-ся и у ржи, и у пше-ни-цы, и у ку-ку-ру-зы. Точно так же ози-мые формы встре-ча-ют-ся и у пше-ни-цы, и у ржи. Вот это и по-слу-жи-ло ос-но-вой от-кры-тия этого за-ко-на. Закон го-мо-ло-ги-че-ских рядов спра-вед-лив не толь-ко для рас-те-ний, но и для жи-вот-ных. Так, на-при-мер, яв-ле-ния аль-би-низ-ма на-блю-да-ют-ся и у че-ло-ве-ка, и у мле-ко-пи-та-ю-щих, и даже у птиц (рис. 5).
Рис. 5. Явление альбинизма ()
Закон, открытый Вавиловым, имеет практическое зна-че-ние, его можно разобрать на кон-крет-ном при-ме-ре: у растения лю-пи-на плоды со-дер-жат очень боль-шое ко-ли-че-ство белка, и люпин (рис. 6) мог бы быть очень цен-ной кор-мо-вой куль-ту-рой, но его се-ме-на со-дер-жат опас-ный ядо-ви-тый ал-ка-ло-ид.
Рис. 6. Люпин многолетний с семенами ядовитого алкалоида ()
По-это-му при-ме-нять люпин в ка-че-стве кор-мо-вой куль-ту-ры было невоз-мож-но. Од-на-ко из-вест-но, что дру-гие пред-ста-ви-те-ли се-мей-ства бо-бо-вых: горох, бобы, лю-цер-на, соя - не имеют та-ко-го гена. Зна-чит, можно преду-га-дать, что и у лю-пи-на воз-мож-на му-та-ция вот в такую без-ал-ка-ло-ид-ную форму. И дей-стви-тель-но, се-лек-ци-о-не-рам уда-лось по-лу-чить без-ал-ка-ло-ид-ную форму лю-пи-на, и сей-час люпин ак-тив-но ис-поль-зу-ет-ся в сель-ском хо-зяй-стве как пре-крас-ная кор-мо-вая куль-ту-ра (рис. 7).
Рис. 7. Кормовые сорта люпина ()
Мы рассмотрели историю возникновения новой, ин-те-рес-ной, а самое глав-ное - очень по-лез-ной и прак-ти-че-ски зна-чи-мой науки се-лек-ции, ее основные задачи. В ходе сле-ду-ю-щих наших уроков мы более по-дроб-но узна-ем о ме-то-дах селекции и ра-бо-тах Н.И. Ва-ви-ло-ва.
Список литературы
- Мамонтов С.Г., Захаров В.Б., Агафонова И.Б., Сонин Н.И. Биология. Общие закономерности. - Дрофа, 2009.
- Пономарева И.Н., Корнилова О.А., Чернова Н.М. Основы общей биологии. 9 класс: Учебник для учащихся 9 класса общеобразовательных учреждений/ Под ред. проф. И.Н. Пономаревой. - 2-е изд., перераб. - М.: Вентана-Граф, 2005.
- Пасечник В.В., Каменский А.А., Криксунов Е.А. Биология. Введение в общую биологию и экологию: Учебник для 9 класса, 3-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2002.
- Genetics-b.ru ().
- Google Sites ().
- Moykonspekt.ru ().
Домашнее задание
- Что такое селекция?
- Каковы основные за-да-чи со-вре-мен-ной се-лек-ции?
- О чем говорит закон гомологических рядов наследственности?
Энциклопедичный YouTube
1 / 5
✪ How Evolution works
✪ Kraut and Tea is Too Dumb for Science #1: r/K Selection
✪ Сузан В. Г., Доктор сельскохозяйственных наук. О селекции лука шалота в России
✪ Genetic Engineering Will Change Everything Forever – CRISPR
✪ The science of skin color - Angela Koine Flynn
История
Первоначально в основе селекции лежал искусственный отбор , когда человек отбирает растения или животных с интересующими его признаками. До XVI-XVII веков отбор происходил бессознательно: то есть человек, например, отбирал для посева лучшие, самые крупные семена пшеницы, не задумываясь [ ] о том, что он изменяет растения в нужном ему направлении.
Только в последнее столетие человек, ещё не зная законов генетики, стал использовать отбор сознательно или целенаправленно, скрещивая те растения, которые удовлетворяли его в наибольшей степени.
Однако методом отбора человек не может получить принципиально новых свойств у разводимых организмов, так как при отборе можно выделить только те генотипы , которые уже существуют в популяции . Поэтому для получения новых пород и сортов животных и растений применяют гибридизацию , скрещивая растения с желательными признаками и в дальнейшем отбирая из потомства те особи, у которых полезные свойства выражены наиболее сильно. Например, один сорт пшеницы отличается прочным стволом и устойчив к полеганию, а сорт с тонкой соломиной не заражается стеблевой ржавчиной. При скрещивании растений из двух сортов в потомстве возникают различные комбинации признаков. Но отбирают именно те растения, которые одновременно имеют прочную соломину и не болеют стеблевой ржавчиной. Так создается новый сорт .
Селекция и генетика
Селекция как наука оформилась лишь в последние десятилетия. В прошлом она была больше искусством, чем наукой. Навыки, знания и конкретный опыт, нередко засекреченный, были достоянием отдельных хозяйств, переходя от поколения к поколению. Только гению Дарвина удалось обобщить весь этот огромный и разрозненный опыт прошлого, выдвинув идею естественного и искусственного отбора как основного фактора эволюции наряду с наследственностью и изменчивостью.
Н. И. Вавилов. Как строить курс генетики, селекции и семеноводства // Яровизация. - 1939. - № 1 . - С. 131-135 .
Общие сведения
Теоретической основой селекции является генетика , так как именно знание законов генетики позволяет целенаправленно управлять появлением мутаций , предсказывать результаты скрещивания, правильно проводить отбор гибридов . В результате применения знаний по генетике удалось создать более 10000 сортов пшеницы на основе нескольких исходных диких сортов, получить новые штаммы микроорганизмов, выделяющих пищевые белки, лекарственные вещества, витамины и т. п.
К задачам современной селекции относится создание новых и улучшение уже существующих сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов.
Многолетняя селекционная работа позволила вывести много десятков пород домашних кур, отличающихся высокой яйценоскостью, большим весом, яркой окраской и т. п. А их единый предок - банкивская кура из Юго-Восточной Азии. На территории России не растут дикие представители рода крыжовник . Однако на основе вида крыжовник отклоненный, встречающийся на Западной Украине и Кавказе, получено более 300 сортов, многие из которых прекрасно плодоносят в России.
Выдающийся генетик и селекционер академик Н. И. Вавилов писал, что селекционеры должны изучать и учитывать в своей работе следующие основные факторы: исходное сортовое и видовое разнообразие растений и животных; наследственную изменчивость; роль среды в развитии и проявлении нужных селекционеру признаков; закономерности наследования при гибридизации ; формы искусственного отбора, направленные на выделение и закрепление необходимых признаков.
Селекция растений
Основные методы селекции вообще и селекции растений в частности - отбор и гибридизация . Для перекрестноопыляемых растений применяют массовый отбор особей с желаемыми свойствами. В противном случае невозможно получить материал для дальнейшего скрещивания. Таким образом получают, например, новые сорта ржи . Эти сорта не являются генетически однородными. Если же желательно получение чистой линии - то есть генетически однородного сорта, то применяют индивидуальный отбор, при котором путём самоопыления получают потомство от одной единственной особи с желательными признаками. Таким методом были получены многие сорта пшеницы, капусты, и т. п.
Для закрепления полезных наследственных свойств необходимо повысить гомозиготность нового сорта. Иногда для этого применяют самоопыление перекрестноопыляемых растений. При этом могут фенотипически проявиться неблагоприятные воздействия рецессивных генов. Основная причина этого - переход многих генов в гомозиготное состояние. У любого организма в генотипе постепенно накапливаются неблагоприятные мутантные гены. Они чаще всего рецессивны, и фенотипически не проявляются. Но при самоопылении они переходят в гомозиготное состояние, и возникает неблагоприятное наследственное изменение. В природе у самоопыляемых растений рецессивные мутантные гены быстро переходят в гомозиготное состояние, и такие растения погибают, выбраковываясь естественным отбором.
Несмотря на неблагоприятные последствия самоопыления, его часто применяют у перекрестноопыляемых растений для получения гомозиготных («чистых») линий с нужными признаками. Это приводит к снижению урожайности. Однако затем проводят перекрестное опыление между разными самоопыляющимися линиями и в результате в ряде случаев получают высокоурожайные гибриды, обладающие нужными селекционеру свойствами. Это метод межлинейной гибридизации, при котором часто наблюдается эффект гетерозиса : гибриды первого поколения обладают высокой урожайностью и устойчивостью к неблагоприятным воздействиям. Гетерозис характерен для гибридов первого поколения, которые получаются при скрещивании не только разных линий, но и разных сортов и даже видов. Эффект гетерозиготной (или гибридной) мощности бывает сильным только в первом гибридном поколении, а в следующих поколениях постепенно снижается. Основная причина гетерозиса заключается в устранении в гибридах вредного проявления накопившихся рецессивных генов. Другая причина - объединение в гибридах доминантных генов родительских особей и взаимное усиление их эффектов.
В селекции растений широко применяется экспериментальная полиплоидия , так как полиплоиды отличаются быстрым ростом, крупными размерами и высокой урожайностью. В сельскохозяйственной практике широко используются триплоидная сахарная свекла , четырёхплоидный клевер , рожь и твердая пшеница, а также шестиплоидная мягкая пшеница. Получают искусственные полиплоиды при помощи химических веществ, которые разрушают веретено деления , в результате чего удвоившиеся хромосомы не могут разойтись, оставаясь в одном ядре. Одно из таких веществ - колхицин . Применение колхицина для получения искусственных полиплоидов является одним из примеров искусственного мутагенеза , применяемого при селекции растений.
Путём искусственного мутагенеза и последующего отбора мутантов были получены новые высокоурожайные сорта ячменя и пшеницы. Этими же методами удалось получить новые штаммы грибов, выделяющие в 20 раз больше антибиотиков , чем исходные формы. Сейчас в мире культивируют более 2250 сортов сельскохозяйственных растений, созданных при помощи физического и химического мутагенеза. Это сорта риса, пшеницы, ячменя, хлопка, рапса, подсолнечника, грейпфрута, яблок, бананов, и многих других растений. Из них 70% - непосредственно мутанты и 30% - результат скрещивания мутантов. Химический мутагенез используется сравнительно редко, чаще всего используются гамма излучение (64%) и рентгеновское излучение (22%) .
При создании новых сортов при помощи искусственного мутагенеза исследователи используют закон гомологических рядов Н. И. Вавилова. Организм, получивший в результате мутации новые свойства, называют мутантом . Большинство мутантов имеет сниженную жизнеспособность и отсеивается в процессе естественного отбора. Для эволюции или селекции новых пород и сортов необходимы те редкие особи, которые имеют благоприятные или нейтральные мутации.
К одному из достижений современной генетики и селекции относится преодоление бесплодия межвидовых гибридов. Впервые это удалось сделать Г. Д. Карпеченко при получении капустно-редечного гибрида. В результате отдаленной гибридизации было получено новое культурное растение - тритикале - гибрид пшеницы с рожью. Отдаленная гибридизация широко применяется в плодоводстве.
Селекция животных
Особенности
Основные принципы селекции животных не отличаются от принципов селекции растений. Однако селекция животных имеет некоторые особенности: для них характерно только половое размножение; в основном очень редкая смена поколений (у большинства животных через несколько лет); количество особей в потомстве невелико. Поэтому в селекционной работе с животными важное значение приобретает анализ совокупности внешних признаков, или экстерьера, характерного для той или иной породы.
Одомашнивание
Одним из важнейших достижений человека на заре его становления и развития (10-12 тыс. лет назад) было создание постоянного и достаточно надежного источника продуктов питания путём одомашнивания диких животных. Главным фактором одомашнивания служит искусственный отбор организмов, отвечающих требованиям человека. У домашних животных весьма развиты отдельные признаки, часто бесполезные или даже вредные для их существования в естественных условиях, но полезные для человека. Например, способность некоторых пород кур давать более 300 яиц в год лишена биологического смысла, поскольку такое количество яиц курица не сможет высиживать. Поэтому в естественных условиях одомашненные формы существовать не могут.
Одомашнивание привело к ослаблению действия стабилизирующего отбора, что резко повысило уровень изменчивости и расширило его спектр. При этом одомашнивание сопровождалось отбором, вначале бессознательным (отбор тех особей, которые лучше выглядели, имели более спокойный нрав, обладали другими ценными для человека качествами), затем осознанным, или методическим. Широкое использование методического отбора направлено на формирование у животных определенных качеств, удовлетворяющих человека.
Процесс одомашнивания новых животных для удовлетворения потребностей человека продолжается и в наше время. Например, для получения модной и высококачественной пушнины создана новая отрасль животноводства - пушное звероводство.
Отбор и типы скрещивания
Отбор родительских форм и типы скрещивания животных проводятся с учётом цели, поставленной селекционером. Это может быть целенаправленное получение определенного экстерьера, повышение молочности, жирности молока, качества мяса и т. д. Разводимые животные оцениваются не только по внешним признакам, но и по происхождению и качеству потомства. Поэтому необходимо хорошо знать их родословную. В племенных хозяйствах при подборе производителей всегда ведется учёт родословных, в которых оцениваются экстерьерные особенности и продуктивность родительских форм в течение ряда поколений. По признакам предков, особенно по материнской линии, можно судить с известной вероятностью о генотипе производителей.
В селекционной работе с животными применяют в основном два способа скрещивания: аутбридинг и инбридинг.
Аутбридинг, или неродственное скрещивание между особями одной породы или разных пород животных, при дальнейшем строгом отборе приводит к поддержанию полезных качеств и к усилению их в ряду следующих поколений.
При инбридинге в качестве исходных форм используются братья и сестры или родители и потомство (отец-дочь, мать-сын, двоюродные братья-сестры и т. д.). Такое скрещивание в определенной степени аналогично самоопылению у растений, которое также приводит к повышению гомозиготности и, как следствие, к закреплению хозяйственно ценных признаков у потомков. При этом гомозиготизация по генам, контролирующим изучаемый признак, происходит тем быстрее, чем более близкородственное скрещивание используют при инбридинге. Однако гомозиготизация при инбридинге, как и в случае растений, ведет к ослаблению животных, снижает их устойчивость к воздействию среды, повышает заболеваемость. Во избежание этого необходимо проводить строгий отбор особей, обладающих ценными хозяйственными признаками.
В селекции инбридинг обычно является лишь одним из этапов улучшения породы. За ним следует скрещивание разных межлинейных гибридов, в результате которого нежелательные рецессивные аллели переводятся в гетерозиготное состояние и вредные последствия близкородственного скрещивания заметно снижаются.
У домашних животных, как и у растений, наблюдается явление гетерозиса: при межпородных или межвидовых скрещиваниях у гибридов первого поколения происходит особенно мощное развитие и повышение жизнеспособности. Классическим примером проявления гетерозиса является мул - гибрид кобылы и осла . Это сильное, выносливое животное, которое может использоваться в значительно более трудных условиях, чем родительские формы.
Гетерозис широко применяют в промышленном птицеводстве (пример - бройлерные цыплята) и свиноводстве, так как первое поколение гибридов непосредственно используют в хозяйственных целях.
Отдаленная гибридизация. Отдаленная гибридизация домашних животных менее эффективна, чем растений. Межвидовые гибриды животных часто бывают бесплодными. При этом восстановление плодовитости у животных представляет более сложную задачу, поскольку получение полиплоидов на основе умножения числа хромосом у них невозможно. Правда, в некоторых случаях отдаленная гибридизация сопровождается нормальным слиянием гамет, обычным мейозом и дальнейшим развитием зародыша, что позволило получить некоторые породы, сочетающие ценные признаки обоих использованных в гибридизации видов. Например, в Казахстане на основе гибридизации тонкорунных овец с диким горным бараном архаром создана новая порода тонкорунных архаромериносов, которые, как и архары, пасутся на высокогорных пастбищах, недоступных для тонкорунных мериносов. Улучшены породы местного крупного рогатого скота.
Достижения российских и белорусских селекционеров-животноводов
Селекционерами России достигнуты значимые успехи в создании новых и улучшении существующих пород животных. Так, костромская порода крупного рогатого скота отличается высокой молочной продуктивностью - более 10 тыс. кг молока в год. Сибирский тип российской мясо-шерстной породы овец характеризуется высокой мясной и шерстной продуктивностью. Средняя масса племенных баранов составляет 110-130 кг, а средний настриг шерсти в чистом волокне - 6-8 кг. Большие достижения имеются также в селекции свиней, лошадей, кур и многих других животных.
В результате длительной и целенаправленной селекционно-племенной работы учеными и практиками Беларуси выведен черно-пестрый тип крупного рогатого скота. Коровы этой породы в хороших условиях кормления и содержания обеспечивают удои по 4-5 тыс. кг молока жирностью 3,6- 3,8 % в год. Генетический же потенциал молочной продуктивности черно-пестрой породы составляет 6,0-7,5 тыс. кг молока за лактацию. В хозяйствах Беларуси насчитывается около 300 тыс. голов скота такого типа.
Породы белорусских черно-пестрых и крупных белых свиней созданы специалистами селекционного центра БслНИИ животноводства. Такие породы свиней отличаются тем, что животные достигают живой массы 100 кг за 178-182 дня на контрольном откорме при среднесуточном приросте свыше 700 г, а приплод составляет 9-12 поросят за опорос.
Различные кроссы кур (например, Беларусь-9) характеризуются высокой яйценоскостью: за 72 недели жизни - 239-269 яиц при средней массе каждого 60 г, что соответствует показателям высокопродуктивных кроссов на международных конкурсах.
Селекция - наука о создании новых и улучшении существующих пород животных, сортов растений, штаммов микроорганизмов. В основе селекции лежат такие методы, как гибридизация и отбор. Теоретической основой селекции является генетика.
Для успешного решения задач, стоящих перед селекцией, академик Н.И.Вавилов особо выделял значение:
Изучения сортового, видового и родового разнообразия интересующей нас культуры;
Влияния среды на развитие интересующих селекционера признаков;
Изучения наследственной изменчивости;
Знаний закономерностей наследования признаков при гибридизации;
Особенностей селекционного процесса для само- или перекрестноопылителей;
Стратегии искусственного отбора.
Породы, сорта, штаммы - искусственно созданные человеком популяции организмов с наследственно закрепленными особенностями: продуктивностью, морфологическими, физиологическими признаками.
Наиболее богатыми по количеству культур являются древние центры цивилизации, именно там наиболее ранняя культура земледелия, более длительное время проводится искусственный отбор и селекция растений .
Основные методы селекции растений
Генная инженерия
Методы основаны на выделении нужного гена из генома одного организма и введении его в геном другого организма. «Вырезании» генов проводят с помощью специальных «генетических ножниц», ферментов - рестриктаз, затем ген вшивают в вектор - плазмиду, с помощью которого ген вводится в бактерию (рис. 342). Вшивание осуществляется с помощью другой группы ферментов - лигаз. Причем вектор должен содержать все необходимое для управления работой этого гена - промотор, терминатор, ген-оператор и ген-регулятор. Кроме того, вектор должен содержать маркерные гены, которые придают клетке-реципиенту новые свойства, позволяющие отличить эту клетку от исходных клеток. Затем вектор вводится в бактерию, и на последнем этапе отбираются те бактерии, в которых введенные гены успешно работают.
Излюбленный объект генных инженеров - кишечная палочка , бактерия, живущая в кишечнике человека. Именно с ее помощью получают гормон роста - соматотропин, гормон инсулин, который раньше получали из поджелудочных желез коров и свиней, белок интерферон, помогающий справиться с вирусной инфекцией.
Второй путь - синтез гена искусственным путем. Для этого используются иРНК, с помощью фермента обратная транскриптаза на иРНК синтезируется ДНК.
Методы хромосомной инженерии.
Одна группа методов основана на введении в генотип растительного организма пары чужих гомологичных хромосом, контролирующих развитие нужных признаков, или замещении одной пары гомологичных хромосом на другую. На этом основаны методы получения замещенных и дополненных линий , с помощью которых в растениях собираются признаки, приближающие к созданию «идеального сорта».
Очень перспективен метод гаплоидов , основанный на выращивании гаплоидных растений с последующим удвоением хромосом. Например, выращивают из пыльцевых зерен кукурузы гаплоидные растения, содержащие 10 хромосом, затем хромосомы удваивают и получают диплоидные (10 пар хромосом), полностью гомозиготные растения всего за 2 - 3 года вместо 6 - 8 летнего инбридинга. Сюда же можно отнести и получение полиплоидных растений в результате кратного увеличения хромосом.
Методы клеточной инженерии.
Выращивание клеточных культур . Метод связан с культивированием отдельных клеток в питательных средах, где они образуют клеточные культуры. Оказалось, что клетки растений и животных, помещенных в питательную среду, содержащую все необходимые для жизнедеятельности вещества, способны делиться. Клетки растений обладают еще и свойством тотипотентности, то есть при определенных условиях они способны сформировать полноценное растение. Это дает возможность с помощью клеточных культур получать ценные вещества. Например, культура клеток женьшеня нарабатывает биологически активные вещества. С другой стороны, можно размножить эти растения в пробирках, помещая клетки в определенные питательные среды. Так можно размножать редкие и ценные растения. Это позволяет создавать безвирусные сорта картофеля и других растений.
Гибридизация клеток. Например, разработана методика гибридизации протопластов соматических клеток. Удаляются клеточные оболочки и сливаются протопласты клеток организмов, относящихся к разным видам - картофеля и томата, яблони и вишни. Перспективно создание гибридом, при котором осуществляется гибридизация различных клеток. Например, лимфоциты, образующие антитела, гибридизируются с раковыми клетками. В результате гибридомы нарабатывают антитела, как лимфоциты, и «бессмертны», как раковые клетки. Следовательно, они обладают возможностью неограниченного размножения в культуре.
Клонирование . Интересен метод пересадки ядер соматических клеток в яйцеклетки. Таким способом возможно клонирование животных, получение генетических копий от одного организма. В настоящее время получены клонированные лягушки, получены первые результаты клонирования млекопитающих.
Создание химерных животных . Возможно слияние эмбрионов на ранних стадиях, таким способом были получены химерные мыши при слиянии эмбрионов белых и черных мышей, химерное животное овца-коза.
Селекция - наука об улучшении отдельных качеств животных и растений, необходимых человеку, а также о выведении новых сортов растений, пород животных, штаммов микроорганизмов. Для создания культурных сортов используют методы селекции растений.
Селекция
Большинство растений, которые современное человечество употребляет в пищу, является продуктом селекции (картофель, томат, кукуруза, пшеница). На протяжении нескольких веков люди культивировали дикие растения, переходя от собирательства к земледелию.
Направлениями селекции являются:
- высокая урожайность;
- питательность растений (например, содержание белка в пшенице);
- улучшенный вкус;
- устойчивость культур к погодным условиям;
- скороспелость плодов;
- интенсивность развития (например, «отзывчивость» на удобрения или полив).
Рис. 1. Сравнение дикой и сельскохозяйственной кукурузы.
Селекция решила проблемы с нехваткой пищи и продолжает развиваться, внедряя методы генной инженерии. Селекционеры не только улучшают вкус и повышают питательность растений, но и делают их полезными, насыщенными витаминами и химическими элементами, важными для метаболизма.
Для успешной селекции необходимо понимать закономерности наследования признаков, особенности влияния среды, морфологическое строение и способы размножения культивируемых растений.
Методы
Основными методами селекции являются:
ТОП-4 статьи которые читают вместе с этой
- искусственный отбор - выбор человеком наиболее ценных культур для селекции;
- гибридизация - процесс получения потомства от скрещивания разных генетических форм;
- искусственный мутагенез - внесение изменений в ДНК.
Искусственный отбор включает в себя два вида - индивидуальный (по генотипу) и массовый (по фенотипу). В первом случае важны конкретные качества растений, во втором - отбирают наиболее приспособленные особи.
Гибридизация бывает двух видов:
- внутривидовая или близкородственная - инбридинг ;
- отдалённая (межвидовая) - аутбридинг .
Классические методы селекции растений описаны в таблице.
|
Метод |
Суть |
Примеры |
|
Индивидуальный отбор |
Проводят по отношению к самоопыляемым растениям. Выведение единичных особей с нужными качествами и получение от них улучшенного потомства |
Пшеница, ячмень, горох |
|
Массовый отбор |
Проводят по отношению к перекрестноопыляемым растениям. Растения скрещиваются массово. Из полученного потомства отбирают лучшие экземпляры и снова проводят скрещивание. Может повторяться до тех пор, пока не будут выведены нужные качества растений |
Подсолнечник |
|
Инбридинг |
Происходит при самоопылении перекрёстноопыляемых растений. В результате получают чистые (гомозиготные) линии, чтобы закрепить полученный признак. Наблюдается снижение жизнеспособности (инбредная депрессия), т.к. потомки постепенно переходят в гомозиготное рецессивное состояние |
Сорта груш, яблонь |
|
Аутбридинг |
Скрещиваются разные виды, потомки обычно стерильны, т.к. при скрещивании нарушается мейоз, не образуются гаметы. В первом поколении наблюдается эффект гетерозиса - превосходство потомков над родительскими формами за счёт образования гетерозиготных генов. Чем отдалённее в родстве родители, тем ярче проявляется гетерозис |
Гибриды пшеницы и ржи (тритикале), смородины и крыжовника (йошта) |
|
Мутагенез |
Подвергают растения ионизирующему, лазерному излучению, химическому или биологическому воздействию, в результате чего возникают мутации. Чаще всего таким способом вырабатывают устойчивость к заболеваниям и вредителям. Метод усовершенствовала генная инженерия - нужный ген можно «включить» или «выключить» вручную без потери других полезных признаков |
Сорта пшеницы |
Рис. 2. Примеры гибридов.
Неудачный опыт селекции - борщевик Сосновского. Растение культивировалось в качестве корма для скота. Однако впоследствии выяснилось, что новый борщевик легко проникает в экосистемы, вытесняя естественные растения, а также содержит вещества, повышающие чувствительность к ультрафиолету. Попав на кожу, сок вызывает ожог на солнце.
