Сам термин «селекция» произошел от латинского слова «отбор». Эта наука изучает пути и методы создания новых и совершенствования уже существующих групп (популяций) организмов, используемых для жизнеобеспечения человечества. Речь идет о сортах культурных растений, породах домашних животных и штаммах микроорганизмов. Главным критерием при этом является ценность и устойчивость новых признаков и свойств в практической деятельности.
Селекция растений и животных: основные направления
- Высокие показатели урожайности сортов растений, плодовитости и продуктивности пород животных.
- Качественные характеристики продукции. В случае растений это могут быть вкусовые качества, внешний вид плодов, ягод и овощей.
- Физиологические признаки. У растений чаще всего селекционеры обращают внимание на наличие скороспелости, засухоустойчивости, зимостойкости, устойчивости к болезням, вредителям и неблагоприятному воздействию климатических условий.
- Интенсивный путь развития. У растений это положительная динамика роста и развития при внесении удобрений, поливе, а у животных — «оплата» корма и т. д.
Селекция на современном этапе
Современная селекция животных, растений и микроорганизмов в целях повышения эффективности в обязательном порядке учитывает потребности рынка сбыта с/х продукции, что особенно актуально для развития конкретной отрасли того или иного производства. Например, выпечка хлеба высокого качества, с хорошим вкусом, эластичным мякишем и хрустящей рассыпчатой корочкой должна осуществляться из сильных (стекловидных) сортов мягкой пшеницы, в которых содержится большое количество белка и упругой клейковины. Высшие сорта печенья изготавливают из мучнистых сортов мягкой пшеницы, а для производства макаронных изделий лучше всего подходят твердые сорта пшеницы.
Как ни странно, селекция животных и микроорганизмов связаны между собой. Дело в том, что результаты последней используются в биологической борьбе с возбудителями болезней животных, а также различных сортов культурных растений.
Яркий пример селекции, основанной на учете потребностей рынка, - это пушное звероводство. Выращивание пушных зверьков, отличающихся различным генотипом, отвечающим за цвет и оттенок меха, зависит от веяний моды.
Теоретические основы
В целом селекция должна развиваться на основе законов генетики. Именно эта наука, изучающая механизмы наследственности и изменчивости, позволяет с помощью различных воздействий влиять на генотип, от которого, в свою очередь, зависит набор свойств и признаков организма.
Также методология в селекции использует достижения и других наук. Это систематика, цитология, эмбриология, физиология, биохимия, молекулярная биология и биология индивидуального развития. Благодаря высоким темпам развития вышеперечисленных направлений естествознания открываются новые перспективы в селекции. Уже сегодня исследования в области генетики выходят на новый уровень, где возможно целенаправленное моделирование необходимых признаков и свойств пород животных, сортов растений и штаммов микроорганизмов.
Генетика играет определяющую роль в процессе решения селекционных задач. Она позволяет, используя законы наследственности и изменчивости, осуществлять планирование селекционного процесса таким образом, учитывать особенности наследования конкретных признаков.
Отбор исходного генетического материала
Селекция животных, растений и микроорганизмов может быть результативной только при условии тщательного отбора исходного материала. То есть правильность выбора исходных пород, сортов, видов обусловлена изучением их происхождения и эволюции в контексте тех свойств и признаков, которыми нужно наделить предполагаемый гибрид. В поиске нужных форм в строгой последовательности учитывается весь мировой генофонд. Так, первоочередным является использование местных форм с необходимыми признаками и свойствами. Далее осуществляется привлечение форм, произрастающих в других географических или климатических зонах, то есть используются методы интродукции и акклиматизации. В последнюю очередь прибегают к методам экспериментального мутагенеза и генетической инженерии.
Селекция животных: методы
В этой области науки разрабатываются и изучаются наиболее результативные способы, позволяющие выводить новые породы домашних животных и улучшать уже существующие.
Селекция животных имеет свою специфику, которая связана с тем, что, у животных отсутствует способность размножаться вегетативным и бесполым путем. Для них характерно только половое размножение. Из данного обстоятельства вытекает и то, что для выведения потомства особь должна достигнуть половой зрелости, а это влияет на сроки исследований. Также возможности селекции ограничиваются и тем, что, как правило, потомство особей является немногочисленным.
Основными методами выведения новых пород животных, как и сортов растений, можно назвать отбор и гибридизацию.
Селекция животных, направленная на выведение новых пород, чаще всего использует не массовый, а индивидуальный отбор. Это обусловлено тем, что уход за ними более индивидуализирован по сравнению с уходом за растениями. В частности, за поголовьем скота численностью 100 особей ухаживает порядка 10 человек. Тогда как на площади, где произрастают сотни и тысячи растительных организмов, работают от 5 до 8 селекционеров.
Гибридизация
Одним из ведущих методов является гибридизация. При этом селекция животных осуществляется путем инбридинга, неродственного скрещивания и отдаленной гибридизации.
Под неродственным скрещиванием понимают гибридизацию особей, которые принадлежат к различным породам одного и того же вида. Данный метод позволяет получить организмы, имеющие новые признаки, которые затем можно использовать в процессе выведения новых пород или совершенствования старых.
Термин "инбри́динг" происходит от английских слов, означающих «внутри» и «разведение». То есть осуществляется скрещивание особей, относящихся к близкородственным формам одной популяции. В случае с животными речь идет об осеменении близкородственных организмов (мать, сестра, дочь и т. д.). Целесообразность проведения инбридинга основана на том, что происходит разложение исходной формы того или иного признака на ряд чистых линий. Они, как правило, обладают пониженной жизнеспособностью. Но если эти чистые линии в дальнейшем скрестить между собой, то будет наблюдаться гетерозис. Это явление, которое характеризуется появлением у гибридных организмов первого поколения усиления определенных признаков. Это, в частности, жизнеспособность, урожайность и плодовитость.
Селекция животных, методы которой имеют достаточно широкие границы, использует и отдаленную гибридизацию, являющуюся процессом, прямо противоположным инбридингу. В этом случае скрещиваются особи разных видов. Целью отдаленной гибридизации можно назвать получение животных, у которых будут развиты ценные эксплуатационные свойства.
Примерами могут быть скрещивания осла и лошади, яка и тура. Следует отметить, что гибриды зачастую потомства не дают.
Исследования М. Ф. Иванова
Известного русского ученого М. Ф. Иванова с детства интересовала биология.
Селекция животных стала объектом его исследований, когда он изучал особенности механизмов изменчивости и наследственности. Всерьез заинтересовавшись этой темой, М.Ф. Иванов впоследствии вывел новую породу свиней (белая украинская). Для нее характерны высокая продуктивность и хорошая приспособленность к климатическим условиям. Для скрещивания использовалась местная украинская порода, хорошо приспособленная к условиям существования в степи, но обладавшая низкой продуктивностью и невысоким качеством мяса, и английская белая порода, имеющая высокую продуктивность, но не приспособленная к существованию в местных условиях. Использовались методологические приемы инбридинга, неродственного скрещивания, индивидуально-массового отбора, воспитания условиями содержания. В результате длительной кропотливой работы был достигнут положительный результат.
Перспективы развития селекции
На каждом этапе развития перечень целей и задач селекции как науки обусловлен особенностями требований агротехники и зоотехники, этапом индустриализации растениеводства и животноводства. Для Российской Федерации весьма важным является создание сортов растений и пород животных, сохраняющих свою продуктивность в различных климатических условиях.
Основные термины и понятия.
Исходный материал - линии, сорта, виды, роды культурных или диких растений или животных, обладающих ценными хозяйственными качествами или экстерьером.
Гибридизация (от греч. "гибрис" - помесь) - естественное или искусственное скрещивание особей, относящихся к различным линиям, сортам, породам, видам, родам растений или животных.
Сорт - совокупность культурных растений одного вида, искусственно созданная человеком и характеризующаяся: а) определенными наследственными особенностями, б) наследственно закрепленной продуктивностью, в) структурными (морфологическими) признаками.
Порода - совокупность домашних животных одного вида, искусственно созданная человеком и характеризующаяся: а) определенными наследственными особенностями, б) наследственно закрепленной продуктивностью, в) экстерьером.
Линия - потомство одной самоопыляющейся особи у растений, потомство от близкородственного скрещивания у животных, имеющих большинство генов в гомозиготном состоянии.
Инбридинг (инцухт, пo-английски - "разведение в себе") - близкородственное скрещивание сельскохозяйственных животных. Принудительное самоопыление у перекрестноопыляющихся растений.
Инбредная депрессия - снижение жизнеспособности и продуктивности у животных и растений, полученных путем инбридинга, вследствие перехода большинства генов в гомозиготное состояние.
Гетерозис - мощное развитие гибридов, полученных при скрещивании инбредных (чистых) линий, одна из которых гомозиготная по доминантным, другая - по рецессивным генам.
Подвой - корнесобственное (укорененное) растение, на которое производится прививка.
Привой - черенок растения или почка, которые прививаются на корнесобственное растение.
Полиплоидия - кратное увеличение диплоидного или гаплоидного набора хромосом, вызванное мутацией.
Мутагенез (от лат. "мутацио" - перемена, изменение и греч. "генос" - образующий) - метод в селекции высших растений и микроорганизмов, который позволяет искусственно получать мутации с целью увеличения продуктивности.
Биотехнология - использование живых организмов и биологических процессов в производстве. Биологическая очистка сточных вод, биологическая защита растений, а также синтез в промышленных условиях кормовых белков, аминокислот, получение ранее недоступных препаратов (гормон инсулин, ростовой гормон, интерферон), создание новых сортов растений, пород животных, видов микроорганизмов и т. д. - это главные направления новой отрасли науки и производства.
Генная инженерия - наука, создающая новые комбинации генов в молекуле ДНК. Возможность рассекать и сращивать молекулу ДНК позволила создать гибридную клетку бактерии с генами человека, ответственными за синтез гормона инсулина и интерферона. Эта разработка применяется в фармацевтической промышленности для получения лекарственных препаратов. С помощью пересадки генов создаются растения, устойчивые к болезням, неблагоприятным условиям среды, с более высоким эффектом фотосинтеза и фиксирования атмосферного азота.
ЗАКОН ГОМОЛОГИЧЕСКИХ РЯДОВ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ (Н. И. ВАВИЛОВ):
Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости.
Таблица 53. Центры происхождения культурных растений (по Н. И. Вавилову)
| Название центра | Географическое положение | Родина культурных растений |
| Южноазиатский тропический | Тропическая Индия, Индокитай, Южный Китай, о-ва Юго-Восточной Азии | Рис, сахарный тростник, огурец, баклажан, черный перец, цитрусовые и др. (50% культурных растений) |
| Восточноазиатский | Центральный и Восточный Китай, Япония, Корея, Тайвань | Соя, просо, гречиха, плодовые и овощные культуры - слива, вишня, редька и др. (20% культурных растений) |
| Юго-западно-азиатский | Малая Азия, Средняя Азия, Иран, Афганистан, Юго-Западная Индия | Пшеница, рожь, бобовые культуры, лен, конопля, репа, морковь, чеснок, виноград, абрикос, груша и др. (14% культурных растений) |
| Средиземноморский | Страны по берегам Средиземного моря | Капуста, сахарная свекла, маслины, клевер, чечевица и другие кормовые травы (11% культурных растений) |
| Абиссинский | Абиссинское нагорье Африки | Твердая пшеница, ячмень, кофе, сорго, бананы |
| Центрально-американский | Южная Мексика | Кукуруза, длинноволокнистый хлопчатник, какао, тыква, табак |
| Андийский (Южноамериканский) | Южная Америка (вдоль западного побережья) | Картофель, ананас, кокаиновый куст, хинное дерево |
Таблица 54. Основные методы селекции
| Методы | Селекция животных | Селекция растений |
| Подбор родительских пар | По хозяйственно ценным признакам и по экстерьеру (совокупности фенотипических признаков) | По месту их происхождения (географически удаленных) или генетически отдаленных (неродственных) |
| Гибридизация: | ||
| а) неродственная (аутбридинг) | Скрещивание отдаленных пород, отличающихся контрастными признаками, для получения гетерозиготных популяций и проявления гетерозиса. Получается бесплодное потомство | Внутривидовое, межвидовое, межродовое скрещивание, ведущее к гетерозису, для получения гетерозиготных популяций, а также высокой продуктивности |
| б) близкородственная (инбридинг) | Скрещивание между близкими родственниками для получения гомозиготных (чистых) линий с желательными признаками | Самоопыление у перекрестноопыляющихся растений путем искусственного воздействия для получения гомозиготных (чистых) линий |
| Отбор: | ||
| а) массовый | Не применяется | Применяется в отношении перекрестноопыляющихся растений |
| б) индивидуальный | Применяется жесткий индивидуальный отбор по хозяйственно ценным признакам, выносливости, экстерьеру | Применяется в отношении самоопыляющихся растений, выделяются чистые линии - потомство одной самоопыляющейся особи |
| Метод испытания производителей по потомству | Используют метод искусственного осеменения от лучших самцов-производителей, качества которых проверяют по многочисленному потомству | Не применяется |
| Экспериментальное получение полипоидов | Не применяется | Применяется в генетике и селекции для получения более продуктивных, урожайных форм |
Таблица 55. Методы селекционно-генетической работы И. В. Мичурина
| Методы | Сущность метода | Примеры |
| Биологически отдаленная гибридизация: а) межвидовая |
Скрещивание представителей разных видов для получения сортов с нужными свойствами | Вишня владимирская X черешня Винклера белая = вишня Краса севера (хороший вкус, зимостойкость) |
| б) межродовая | Скрещивание представителей разных родов для получения новых растений | Вишня Х черемуха = Церападус |
| Географически отдаленная гибридизация | Скрещивание представителей контрастных природных зон и географически отдаленных регионов с целью привить гибриду нужные качества (вкусовые, устойчивости) | Груша дикая уссурийская Х Бере рояль (Франция) = Бере зимняя Мичурина |
| Отбор | Многократный, жесткий: по размерам, форме, зимостойкости, иммунным свойствам, качеству, вкусу, цвету плодов и их лежкости | Продвинуто на север много сортов яблонь с хорошими вкусовыми качествами и высокой урожайностью |
| Метод ментора | Воспитание в гибридном сеянце желательных качеств (усиление доминирования), для чего сеянец прививается на растение-воспитатель, от которого эти качества хотят получить. Чем ментор старше, мощнее, длительнее действует, тем его влияние сильнее | Яблоня Китайка (подвой) X гибрид (Китайка Х Кандиль-синап) = Кандиль-синап (морозостойкий) Бельфлер-китайка (гибрид-подвой) X Китайка (привой) = Бельфлер-китайка (лежкий позднеспелый сорт) |
| Метод посредника | При отдаленной гибридизации для преодоления нескрещиваемости использование дикого вида в качестве посредника | Дикий монгольский миндаль Х дикий персик Давида = миндаль Посредник. Культурный персик X миндаль Посредник = гибридный персик (продвинут на север) |
| Воздействие условиями среды | При воспитании молодых гибридов обрашалось внимание на метод хранения семян, характер и степень питания, воздействие низкими температурами, бедной питанием почвой, частыми пересадками | Закаливание гибридного сеянца. Отбор наиболее выносливых растений |
| Смешение пыльцы | Для преодоления межвидовой нескрещиваемости (несовместимости) | Смешивалась пыльца материнского растения с пыльной отцовского, своя пыльца раздражала рыльце, и оно воспринимало чужую пыльцу |
Задачи и тесты по теме "Тема 13. "Селекция"."
- Селекция и биотехнология - Основы генетики. Закономерности наследования Общие биологические закономерности (9–11 класс)
Уроков: 3 Заданий: 9 Тестов: 1
- Итоговая проверка знаний по темам «Плоские, Круглые и Кольчатые черви» - Беспозвоночные животные (кроме Членистоногих) Животные (7 класс)
Заданий: 20 Тестов: 2
- Работа эндокринной системы и её нарушения - Эндокринная система Человек (8 класс)
Уроков: 1 Заданий: 8 Тестов: 1
- Направления биологии
Уроков: 3 Заданий: 4 Тестов: 1
- Методы исследования в биологии. Устройство увеличительных приборов - Биология - учение о живых организмах Бактерии. Грибы. Растения (5–6 класс)
Уроков: 4 Заданий: 5 Тестов: 1
Проработав эти темы, Вы должны уметь:
- Дать определения: ген, доминантный признак; рецессивный признак; аллель; гомологичные хромосомы; моногибридное скрещивание, кроссинговер, гомозиготный и гетерозиготный организм, независимое распределение, полное и неполное доминирование, генотип, фенотип.
- С помощью решетки Пеннета проиллюстрировать скрещивание по одному или двум признакам и указать, каких численных отношений генотипов и фенотипов следует ожидать в потомстве от этих скрещиваний.
- Изложить правила наследования, расщепления и независимого распределения признаков, открытие которых было вкладом Менделя в генетику.
- Объяснить как мутации могут повлиять на белок, кодируемым тем или иным геном.
- Указать возможные генотипы людей с группами крови А; В; АВ; О.
- Привести примеры полигенных признаков.
- Указать хромосомный механизм определения пола и типы наследования сцепленных с полом генов млекопитающих, использовать эти сведения при решении задач.
- Объяснить, в чем заключается различие между признаками, сцепленными с полом и признаками, зависимыми от пола; привести примеры.
- Объяснить, как наследуются такие генетические заболевания человека как гемофилия, дальтонизм, серповидно-клеточная анемия.
- Назвать особенности методов селекции растений, животных.
- Указать основные направления биотехнологии.
- Уметь решать по данному алгоритму простейшие генетические задачи:
Алгоритм решения задач
- Определите доминантный и рецессивный признак по результатам скрещивания первого поколения (F1) и второго (F2) (по условию задачи). Введите буквенные обозначения: А - доминантный а - рецессивный.
- Запишите генотип особи с рецессивным признаком или особи с известным по условию задачи генотипом и гаметы.
- Запишите генотип гибридов F1.
- Составьте схему второго скрещивания. Запишите гаметы гибридов F1 в решетку Пеннета по горизонтали и по вертикали.
- Запишите генотипы потомства в клетках пересечения гамет. Определите соотношения фенотипов в F1.
Схема оформления задач.
Буквенные обозначения:
а) доминантный признак _______________
б) рецессивный признак _______________
Гаметы
F1 (генотип первого поколения)
| гаметы | ||
| ? | ? |
Решетка Пеннета
| F2 |
|
Соотношение фенотипов в F2:
_____________________________
Ответ:_________________________
Примеры решения задач на моногибридное скрещивание.
Задача. "В семье Ивановых двое детей: кареглазая дочь и голубоглазый сын. Мама этих детей голубоглазая, но ее родители имели карие глаза. Как наследуется окраска глаз у человека? Каковы генотипы всех членов семьи? Окраска глаз - моногенный аутосомный признак".
Признак окраски глаз контролируется одним геном (по условию). Мама этих детей голубоглазая, а ее родители имели карие глаза. Это возможно только в ТОМслучае, если оба родителя были гетерозиготны, следовательно, карие глаза доминируют над голубыми. Таким образом, бабушка, дедушка, папа и дочь имели генотип (Аа), а мама и сын - аа.
Задача. "Петух с розовидным гребнем скрещен с двумя курицами, тоже имеющими розовидный гребень. Первая дала 14 цыплят, все с розовидным гребнем, а вторая - 9 цыплят, из них 7 с розовидным и 2 с листовидным гребнем. Форма гребня - моногенный аутосомный признак. Каковы генотипы всех трех родителей?"
До определения генотипов родителей необходимо выяснить характер наследования формы гребня у кур. При скрещивании петуха со второй курицей появились 2 цыпленка с листовидным гребнем. Это возможно при гетерозиготности родителей, следовательно, можно предположить, что розовидный гребень у кур доминирует над листовидным. Таким образом, генотипы петуха и второй курицы - Аа.
При скрещивании этого же петуха с первой курицей расщепления не наблюдалось, следовательно, первая курица была гомозиготной - АА.
Задача. "В семье кареглазых праворуких родителей родились разнояйцевые близнецы, один из которых кареглазый левша, а другой голубоглазый правша. Какова вероятность рождения следующего ребенка, похожим на своих родителей?"
Рождение у кареглазых родителей голубоглазого ребенка свидетельствует о рецессивности голубой окраски глаз, соответственно рождение у праворуких родителей леворукого ребенка указывает на рецессивность лучшего владения левой рукой по сравнению с правой. Введем обознанения аллелей: А - карие глаза, а - голубые глаза, В - правша, в - левша. Определим генотипы родителей и детей:
| Р | АаВв х АаВв |
| F, | А_вв, ааВ_ |
А_вв - фенотипический радикал, который показывает, что данный ребенок с левша с карими глазами. Генотип этого ребенка может быть - Аавв, ААвв.
Дальнейшее решение этой задачи осуществляется традиционным способом, путем построения решетки Пеннета.
| АВ | Ав | аВ | Ав | |
| АВ | ААВВ | ААВв | АаВВ | АаВв |
| Ав | ААВв | ААвв | АаВв | Аавв |
| аВ | АаВВ | АаВв | ааВВ | АаВв |
| ав | АаВв | Аавв | ааВв | Аавв |
Подчеркнуты 9 вариантов потомков, которые нас интересуют. Всего возможных вариантов 16, поэтому вероятность рождения ребенка, похожим на своих родителей равна 9/16.
Иванова Т.В., Калинова Г.С., Мягкова А.Н. "Общая биология". Москва, "Просвещение", 2000
- Тема 10. "Моногибридное и дигибридное скрещивание." §23-24 стр. 63-67
- Тема 11. "Генетика пола." §28-29 стр. 71-85
- Тема 12. "Мутационная и модификационная изменчивость." §30-31 стр. 85-90
- Тема 13. "Селекция." §32-34 стр. 90-97
Задача селекции создание высокопродуктивных:
· сортов культурных растений
· пород домашних животных,
которые удовлетворяют потребности человека
пищевые технические эстетические
Порода, сорт, штамм искусственно созданная в результате селекции популяция организмов. По-другому называют чистая линия .
Внутри этой группы организмы имеют одинаковые:
· генофонд,
· наследственно закреплённые внешние признаки и продуктивные свойства,
· однотипную реакцию на влияние факторов внешней среды.
Примеры:
· молочные породы КРС отличаются
1)величиной удоя 2) процентом жирности 3)содержанием белка в молоке. Эти ценные свойства проявляются лишь при хорошем содержании, кормлении и в определенных природных условиях. А масса КРС почти не меняется.
· штаммы микроорганизмов синтезируют антибиотики, ферменты, витамины только при оптимальном составе питательной среды.
· сорта и породы, созданные для одной географической зоны, не пригодны для разведения в других условиях, т. е. они районированы.
Селекция призвана обеспечить максимальное производство продуктов питания при минимальных затратах.
Методы селекции.
1.отбор 2. гибридизация 3. мутагенез
Отбор. В древности искусственный отбор проводился бессознательно. Люди сохраняли потомство от лучших представителей и употребляли в пищу худших без сознательного намерения вывести более совершенную породу или сорт.
Методический (сознательный) отбор: человек систематически отбирает представителей с определенными качествами и стремится к выведению нового сорта или породы.
Два вида отбора: массовый и индивидуальный.
Массовый отбор проводят с растениями. При массовом отборе выделяют группу особей с желаемыми признаками. Потомство генетически неоднородно и дает расщепление признаков при размножении. Отбор приходится повторять. (Пример, пшеница ‒ толстый стебель, мелкие зёрна скрещивают с тонкий стебель большие зёрна)
При индивидуальном отборе (с животными и самоопыляемыми растениями, например, с рожью) выделяют единичные особи с ценными качествами и отдельно выращивают их потомство. При последующем самоопылении у растений или близкородственных скрещиваниях у животных выводят чистые линии – гомозиготные организмы, это ценный исходный материал для селекции.
Гибридизация (скрещивание)
Двух видов.
Близкородственная гибридизация:
переводит рецессивные гены в гомозиготное состояние. Скороспелость свиней – рецессивный признак, проявится только в гомозиготном состоянии.
Но многократный инбридинг (близкородственное скрещивание) ведёт к резкому ослаблению или вырождению потомков.
Неродственная гибридизация :
Объединяет в одном организме гены, ответственные за ценные признаки разных особей. Пшеница: толстый стебель, маленькие зёрна и тонкий стебель, крупный
|
Название неродственной гибридизации |
Внутривидовая ‒ (аутбридинг) скрещивание особей разных сортов или пород одного вида |
Отдалённая - скрещивание особей разных видов и родов |
|
Механизм |
рецессивы полнее прикрыты доминантами; появление гомозиготных аллелей исключается; гетерозиготность повышенанаследственность обогащается |
применяют методы преодоления нескрещиваемости |
|
Что наблюдают у потомков |
эффект гетерозиса (гибридной силы) - мощные развитие, жизнеспособность |
организмы с хозяйственной ценностью из-за ярко выраженного гетерозиса |
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.
Таблица 54. Основные методы селекции (Т.Л. Богданова. Биология. Задания и упражнения. Пособие для поступающих в ВУЗы. М.,1991)
| Методы | Селекция животных | Селекция растений |
| Подбор родительских пар | По хозяйственно ценным признакам и по экстерьеру (совокупности фенотипических признаков) | По месту их происхождения (географически удаленных) или генетически отдаленных (неродственных) |
| Гибридизация: а) неродственная (аутбридинг) | Скрещивание отдаленных пород, отличающихся контрастными признаками, для получения гетерозиготных популяций и проявления гетерозиса. Получается бесплодное потомство | Внутривидовое, межвидовое, межродовое скрещивание, ведущее к гетерозису, для получения гетерозиготных популяций, а также высокой продуктивности |
| б) близкородственная (инбридинг) | Скрещивание между близкими родственниками для получения гомозиготных (чистых) линий с желательными признаками | Самоопыление у перекрестноопыляющихся растений путем искусственного воздействия для получения гомозиготных (чистых) линий |
| Отбор: а) массовый | Не применяется | Применяется в отношении перекрестноопыляющихся растений |
| б) индивидуальный | Применяется жесткий индивидуальный отбор по хозяйственно ценным признакам, выносливости, экстерьеру | Применяется в отношении самоопыляющихся растений, выделяются чистые линии – потомство одной самоопыляющейся особи |
| Метод испытания производителей по потомству | Используют метод искусственного осеменения от лучших самцов-производителей, качества которых проверяют по многочисленному потомству | Не применяется |
| Экспериментальное получение полиплоидов | Не применяется | Применяется в генетике и селекции для получения более продуктивных, урожайных форм |
В селекции растений широко применяют гибридизацию и отбор – массовый (без учета генотипа) и индивидуальный. В растениеводстве по отношению к перекрестноопыляющимся растениям нередко применяется массовый отбор. При таком отборе в посеве сохраняют растения только с желательными качествами. При повторном посеве снова отбирают растения с определенными признаками. Индивидуальный отбор сводится к выделению отдельных особей и получению от них потомства. Индивидуальный отбор приводит к выделению чистой линии – группы генетически однородных (гомозиготных) организмов. Путем отбора были выведены многие ценные сорта культурных растений. Для внесения в генофонд создаваемого сорта растений или породы животных ценных генов и получения оптимальных комбинаций признаков применяют гибридизацию с последующим отбором. При скрещивании разных пород животных или сортов растений, а также при межвидовых скрещиваниях в первом поколении гибридов повышается жизнеспособность и наблюдается мощное развитие. Это явление получило название гибридной силы, или гетерозиса. Оно объясняется переходом многих генов в гетерозиготное состояние и взаимодействием благоприятных доминантных генов. При последующих скрещиваниях гибридов между собой гетерозис затухает вследствие выщепления гомозигот.
Используют также полиплоидию, благодаря которой выведены высокоурожайные полиплоидные сорта сахарной свеклы, хлопчатника, гречихи и др. Таким путем Г. Д. Карпеченко (1935) получил межвидовой капустно-редечный гибрид. Каждая из исходных форм имела в половых клетках по 9 хромосом. В этом случае клетки полученного от них гибрида имели 18 хромосом. Но некоторые яйцеклетки и пыльцевые зерна содержали все 18 хромосом (диплоиды), а при их скрещивании создано растение с 36 хромосомами, которое оказалось плодовитым. Так была доказана возможность использования полиплоида для преодоления нескрещиваемости и бесплодия при отдаленной гибридизации.
Один из приемов селекции – выведение чистых линий путем многократного принудительного самоопыления растений: потомство такого растения становится гомози-готным по всем генам; в дальнейшем скрещивают особи двух чистых линий, что резко повышает урожайность гибридов первого поколения, их жизнестойкость. Это явление называется гетерозисом. Однако в последующих поколениях гетерозис снижается, урожайность уменьшается, и поэтому в практике используют только гибриды первого поколения.
Методами скрещивания и индивидуального отбора П. П. Лукьяненко были выведены высокопродуктивные кубанские сорта пшеницы: Безостая 1, Аврора, Кавказ; В. Н. Ремесло на Украине получил сорт Мироновская 808, а затем более урожайные сорта Юбилейная 50, Харьковская 63 и др. В. С. Пустовойт со своими сотрудниками этими методами создал на Кубани сорт подсолнечника, содержащий до 50–52% масла в семенах.
Преодоление бесплодия межвидовых гибридов. Впервые это удалось осуществить в. начале 20-х годов советскому генетику Г. Д. Карпеченко при скрещивании редьки и капусты. Это вновь созданное человеком растение не было похоже ни на редьку, ни на капусту. Стручки занимали как бы промежуточное положение и состояли из двух половинок, из которых одна напоминала стручок капусты, другая – редьки.
Искусственный мутагенез. Естественные мутации сопровождающиеся появлением полезных для человека признаков, возникают очень редко. На их поиски приходится затрачивать много сил и времени. Частота мутаций резко повышается при воздействии мутагенов. К ним относятся некоторые химические вещества а также ультрафиолетовое и рентгеновское излучения. Эти воздействия нарушают строение молекул ДНК и служат причиной резкого возрастания частоты мутаций. Наряду с вредными мутациями нередко обнаруживаются и полезные, которые используются учеными в селекционной работе. Путём воздействия мутагенами в растениеводстве получают и полиплоидные растения, отличающиеся более крупными размерами, высокой урожайностью и более активным синтезом органических веществ. Радиационным облучением с последующим отбором созданы ценные сорта гороха, фасоли, томатов.
Особое место в практике улучшения плодово-ягодных культур занимает селекционная работа И. В. Мичурина. Большое значение он придавал подбору родительских пар для скрещивания. При этом он не использовал местные дикорастущие сорта (так как они обладали стойкой наследственностью, и гибрид обычно уклонялся в сторону дикого родителя), а брал растения из других, отдаленных географических мест и скрещивал их друг с другом. Подобными методами вывели такие ценные сорта, как груша Бере зимняя Мичурина (от скрещивания южного сорта груши Бере Рояль и дикой уссурийской груши) и яблоня Бельфлер-китайка (родители: американский сорт Бельфлер желтый и китайская яблоня родом из Сибири).
Важным звеном в работе Мичурина было целенаправленное воспитание гибридных сеянцев: в определенный период их развития создавались условия для доминирования признаков одного из родителей и подавления признаков другого, т. е. эффективное управление доминированием признаков (разные приемы обработки почвы, внесение удобрений, прививки в крону другого растения и т. п.). Использовался и метод ментора – воспитание на подвое. В качестве привоя он брал как молодое растение, так и почки от зрелого плодоносящего дерева. Этим методом удалось придать желаемую окраску плодам гибрида вишни с черешней под названием «Краса севера». Мичурин применял также отдаленную гибридизацию. Им получен своеобразный гибрид вишни и черемухи – церападус, а также гибрид терна и сливы, яблони и груши, персика и абрикоса. Все мичуринские сорта поддерживают путем вегетативного размножения.
Таблица. Методы селекционно-генетической работы И. В. Мичурина (Т.Л. Богданова. Биология. Задания и упражнения. Пособие для поступающих в ВУЗы. М.,1991)
| Методы | Сущность метода | Примеры |
| Биологически отдаленная гибридизация: а) межвидовая | Скрещивание представителей разных видов для получения сортов с нужными свойствами | Вишня владимирская X черешня Винклера белая = вишня Краса севера (хороший вкус, зимостойкость) |
| б) межродовая | Скрещивание представителей разных родов для получения новых растений | Вишня Х черемуха = Церападус |
| Географически отдаленная гибридизация | Скрещивание представителей контрастных природных зон и географически отдаленных регионов с целью привить гибриду нужные качества (вкусовые, устойчивости) | Груша дикая уссурийская Х Бере рояль (Франция)=Бере зимняя Мичурина |
| Отбор | Многократный, жесткий: по размерам, форме, зимостойкости, иммунным свойствам, качеству, вкусу, цвету плодов и их лежкости | Продвинуто на север много сортов яблонь с хорошими вкусовыми качествами и высокой урожайностью |
| Метод ментора | Воспитание в гибридном сеянце желательных качеств (усиление доминирования), для чего сеянец прививается на растение-воспитатель, от которого эти качества хотят получить. Чём ментор старше, мощнее, длительнее действует, тем его влияние сильнее | Яблоня Китайка (под вой)X гибрид (Китайка Х Кандиль-синап) = Кандиль-синап (морозостойкий) Бельфлер-китайка (гибрид-подвой) X Китайка (привой) = Бельфлер-китайка (лежкий позднеспелый сорт) |
| Метод посредника | При отдаленной гибридизации для преодоления нескрещиваемости использование дикого вида в качестве посредника | Дикий монгольский миндаль Х дикий персик Давида = миндаль Посредник Культурный персик X миндаль Посредник = гибридный персик (продвинут на север) |
| Воздействие условиями среды | При воспитании молодых гибридов обращалось внимание на метод хранения семян, характер и степень питания, воздействие низкими температурами, бедной питанием почвой, частыми пересадками | Закаливание гибридного сеянца. Отбор наиболее выносливых растений |
| Смешение пыльцы | Для преодоления межвидовой нескрещиваемости (несовместимости) | Смешивалась пыльца материнского растения с пыльцой отцовского, своя пыльца раздражала рыльце, и оно воспринимало чужую пыльцу |
Селекция животных отличается от таковой у растений: животные дают мало потомков, у них позднее наступает половозрелость, они не размножаются вегетативно и у них отсутствует самооплодотворение. Однако и в селекции животных используют гибридизацию и отбор, как массовый, так и индивидуальный. Учитывают признаки экстерьера родительских пар, родословную производителей, проверяют чистоту породы. Путем близкородственного скрещивания (инбридинга) получают чистые линии, когда все или большинство генов переходят в гомозиготное состояние.
Создавая белую степную украинскую породу свиней, акад. М. Ф. Иванов в качестве исходных форм для скрещивания брал высокопродуктивного английского хряка и неприхотливую к условиям содержания плодовитую украинскую свинью (матку). Затем он провел возвратное скрещивание полученных гибридов с тем же хряком. Так был выведен хряк Асканий I превосходного телосложения (масса 479 кг), которого затем он скрещивал с сестрами, с дочерьми, внучками. Параллельно этой инбридной линии были получены другие аналогичные линии. Несмотря на то что в пределах каждой инбридной линии возникли особи с пониженной жизнеспособностью и другими нежелательными признаками, большинство генов было переведено в гомозиготное состояние. Дальнейшим скрещиванием между собой двух чистых линий с последующим многократным индивидуальным отбором была получена порода степной белой украинской свиньи, сочетающая высокую продуктивность, плодовитость и устойчивость.
Гибриды первого поколения, полученные от скрещивания особей двух инбредных линий, как правило, характеризуются выраженным гетерозисом. Этим широко пользуются в животноводстве для получения хозяйственно ценных форм.
Скрещивание неродственных особей называется аутбридингом. Его осуществляют между особями разных пород одного вида животных и даже в пределах различных родов и видов, т. е. при отдаленной гибридизации. Этим путем получены бесплодный гибрид осла и лошади – мул, гибрид одногорбого и двугорбого верблюда, гибрид яка и крупного рогатого скота (самцы у них бесплодные, а самки плодовиты). Эти гибриды характеризуются гетерозисом, т. е. повышенной жизненностью, обладают долголетием и большей выносливостью по сравнению с родителями.
