Селекция растений, методы. Теоретические основы селекции. Методы клеточной инженерии

Текущая страница: 9 (всего у книги 16 страниц) [доступный отрывок для чтения: 11 страниц]

§ 34. Основные методы селекции растений, животных и микроорганизмов

1. Для чего ведутся селекционные работы?

2. Приведите примеры пород животных, выведенных человеком.

3. Приведите примеры сортов растений, полученных человеком.

Селекция – наука о методах создания новых сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов с нужными человеку признаками. Теоретические основы селекции закладывает современная генетика. Селекция – одна из важнейших областей практического использования закономерностей, исследуемых генетиками. В результате селекционной работы «разрабатываются» новые формы бактерий, растений, грибов, животных, обладающие наследственно закреплёнными особенностями, резко отличающими их от исходных диких видов. Очень часто у культурных растений и домашних животных отдельные признаки усилены настолько, что их жизнь в природных условиях, т. е. без постоянной помощи человека, делается невозможной. Так, например, не смогут выжить без человека декоративные породы собак и голубей, породы домашних свиней и кур, большинство сортов растений, употребляемых нами в пищу, и т. д. Но зато количество пищи, которое дают человеку искусственно разводимые животные и растения, во много раз больше, чем могли бы дать их дикие предки (рис. 63). Пионером разработки научных основ селекционной работы в нашей стране был Н. И. Вавилов (рис. 64) и его ученики. Н. И. Вавилов считал, что в основе селекции лежит правильный выбор для работы исходных особей, их генетическое разнообразие и влияние окружающей среды на проявление наследственных признаков при гибридизации этих особей.

Рис. 63. Породы домашних кур

Рис. 64. Николай Иванович Вавилов (1887–1943)

Основными методами селекции любых организмов являются гибридизация и отбор.

Гибридизация – это процесс скрещивания родительских особей и получение от них гибридов. В результате отбора среди этих гибридов находят особи с интересующими человека признаками.

В зависимости от способа размножения вида отбор может быть массовым или индивидуальным.

При массовом отборе из потомства берут растения или животных с нужными признаками и снова скрещивают их между собой, получая гибриды второго поколения. Среди них опять производят массовый отбор особей с нужными признаками и т. д. Массовый отбор обычно применяют для перекрёстноопыляемых растений и для животных. Так, например, были получены новые сорта ржи.

При индивидуальном отборе выбирают отдельную особь с интересующим человека признаком и получают от неё потомство. Такой метод, естественно, не может применяться при селекции животных, которые размножаются половым путём. Чаще всего методом индивидуального отбора создаются новые сорта самоопыляющихся растений, когда в размножении участвует только одна особь пшеницы, овса, ячменя. Потомство одной самоопыляющейся особи представляет собой чистую линию , которая благодаря самоопылению будет состоять из гомозиготных организмов. Если какое-то растение хорошо размножается вегетативным путём (черенком, отводком, прививками), то гетерозиготные особи можно сохранять очень долго. При половом размножении сортов, отличающихся высокой степенью гетерозиготности, ценные свойства сорта не сохраняются, и происходит их расщепление.

Так как у большинства сельскохозяйственных животных потомства бывает мало, то иногда для повышения его гомозиготности приходится производить близкородственное скрещивание , например скрещивать быка и корову, приходящихся друг другу братом и сестрой. Такое скрещивание в какой-то степени сходно с самоопылением у растений. При близкородственном скрещивании часто появляется потомство с усиленным признаком, по которому вёлся отбор, но при этом другие признаки могут резко ухудшиться. Например, может быть снижен иммунитет к заболеваниям и т. п. Такие неблагоприятные последствия близкородственного скрещивания называют депрессией . Депрессия у потомства возможна и в тех случаях, когда самоопыляют перекрёстноопыляемое растение.

При скрещивании между собой разных сортов растений или пород животных одного вида первое гибридное поколение отличается крупными размерами, повышенной устойчивостью и плодовитостью. Это явление получило название гетерозиса . К сожалению, при скрещивании гетерозисных растений или животных между собой следующие поколения такими выдающимися качествами не обладают, т. е. гетерозис быстро затухает (рис. 65).

Рис. 65. Гетерозис. Бройлерный цыплёнок (А), обычный цыплёнок (Б)

Ещё одним важным методом селекции является получение межвидовых гибридов, сочетающих в себе ценные свойства родительских видов. Межвидовая гибридизация затрудняется тем, что такие гибриды не могут размножаться половым путём. Ведь во время мейоза хромосомы должны сойтись гомологичными парами и конъюгировать между собой. А у особей, даже близких, но всё-таки разных видов и число хромосом, и их форма отличаются друг от друга, и нормальная конъюгация невозможна. Один из способов преодолеть бесплодие межвидовых гибридов разработал замечательный отечественный генетик Г. Д. Карпеченко, работая с гибридом редьки и капусты. И у редьки, и у капусты гаплоидный набор равен 9 хромосомам. Гибрид имел 18 хромосом в каждой клетке (по 9 от капусты и от редьки) и был бесплодным, поскольку «капустные» и «редечные» хромосомы между собой конъюгировать в мейозе не могли. Тогда Г. Д. Карпеченко сумел получить полиплоид гибрида, который содержал в своих клетках по 36 хромосом: 18 «капустных» и 18 «редечных». Теперь в мейозе 9 «капустных» хромосом стали конъюгировать с 9 гомологичными «капустными» хромосомами, а 9 «редечных» – с 9 «редечными». В каждой гамете получалось по гаплоидному набору «редечных» и «капустных» хромосом (9 + 9 = 18), а при оплодотворении возникал межвидовой полиплоидный гибрид с 36 хромосомами в клетках. Таким образом, Г. Д. Карпеченко преодолел бесплодие межвидовых гибридов у растений.

Межвидовую гибридизацию применяют и в животноводстве. Например, с древности люди используют мула. Мул – гибрид кобылицы с ослом. Мулы бесплодны, но очень сильны, выносливы, долго живут, обладают спокойным нравом. При помощи межвидовой гибридизации получен также гибрид пшеницы и ржи, названный тритикале. Тритикале даёт много зерна и кормовой зелёной массы.

Многие культурные растения полиплоидны, т. е. их хромосомный набор увеличен кратно n и в клетках содержатся 3n , 4n хромосом и т. д. Полиплоидные растения легче переносят засуху и колебания температуры, отличаются крупными размерами. Так, большинство растений, способных выжить в северных широтах или в высокогорье, являются полиплоидами. Однако у животных полиплоидия невозможна.

Важным способом получения новых сортов является искусственный мутагенез , когда, подвергая растения действию проникающего излучения и химических веществ, вызывающих мутации, пытаются получить организмы с новыми полезными свойствами. Таким путём были получены новые высокоурожайные сорта ячменя и пшеницы. Кроме того, при помощи искусственного мутагенеза выведены новые штаммы бактерий и разновидности грибов, выделяющие витамины, пищевые аминокислоты, антибиотики и т. п.

С каждым годом бактерии и одноклеточные эукариоты всё больше и больше применяются в различных отраслях промышленности. Многие процессы производства пищевых продуктов, витаминов, лекарств основаны на деятельности микроорганизмов и грибов. Процессы получения необходимых человеку веществ с помощью живых клеток называют биотехнологией . Бактерии применяют для производства витаминов группы В, пищевых и кормовых белков, аминокислот, которых недостаёт в пище. Плесневые грибы выделяют несколько видов веществ, убивающих микробы. Общее название таких веществ – антибиотики . Микробы помогают выделять при переработке руды ценные металлы – золото, серебро, медь. Многие бактерии и грибы используются в сельском хозяйстве для борьбы с различными вредителями. Например, бактерия так называемого гнилокровия применяется для борьбы с вредителем леса – непарным шелкопрядом.

Для получения новых штаммов микроорганизмов применяют различные мутагены. Бактерии очень быстро размножаются бесполым путём, и задача учёных состоит в том, чтобы отбирать микроорганизмы с полезными для человека свойствами.

Селекция. Гибридизация. Массовый отбор. Индивидуальный отбор. Чистые линии. Близкородственное скрещивание. Гетерозис. Межвидовая гибридизация. Искусственный мутагенез. Биотехнология. Антибиотики

Вопросы

1. Почему теоретической основой селекции является генетика?

2. Перечислите методы селекционной работы.

3. Чем массовый отбор отличается от индивидуального?

4. Что такое гетерозис?

Задания

Подготовьтесь к уроку-семинару «Селекция на службе человека».

Темы сообщений

1. «Селекция – наука о методах создания новых сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов. Методы селекционной науки».

2. «Генетика – теоретическая основа селекции».

3. «Вклад и достижения отечественных учёных (Н. И. Вавилова, Г. Д. Карпеченко, И. В. Мичурина и др.) в развитии селекции».

Вопросы для обсуждения на семинаре

1. Почему выведение новых и улучшение существующих пород и сортов – важное государственное дело, имеющее большое экономическое и народнохозяйственное значение?

2. Почему считают, что именно селекция должна стать наиболее эффективным средством обеспечения устойчивых урожаев и высокой продуктивности сельскохозяйственных растений и животных?

3. Почему исходный материал местного происхождения представляет большую ценность для селекционной работы?

4. Каково значение районирования сельскохозяйственных культур в условиях нашей страны?

Единица жизни – клетка. Встречаются как одноклеточные, так и многоклеточные живые организмы.

Любой организм – одноклеточный или многоклеточный – представляет собой сложную самостоятельную саморегулирующуюся живую систему. Он обменивается веществом и энергией с окружающей средой, способен к размножению. Многоклеточность дала живым организмам ряд преимуществ, главное из которых – дополнительная возможность выжить в неблагоприятных условиях. Если разрушить наружную мембрану амёбы, животное неминуемо погибнет, а вот разрушение одной или даже многих клеток у гидры не приведёт к её гибели. Многоклеточный организм можно сравнить с подводной лодкой, разделённой на многие отсеки. У каждого отсека есть свои особенности, но разрушение одного отсека не приведёт к гибели подводного корабля.

У каждой клетки в организме есть свои задачи: одни клетки отвечают за движение организма, другие – за размножение, третьи – за оборону от врагов и захват пищи и т. д. Конечно, большое количество клеток многоклеточного организма справится с трудностями лучше, чем одна-единственная клетка бактерии или простейшего.

Все живые организмы размножаются. Размножение может быть бесполым и половым. Формы бесполого размножения: почкование, деление тела, образование спор, вегетативное размножение.

Половые клетки называются гаметами. Гаметы формируются в половых железах: сперматозоиды в семенниках, а яйцеклетки – в яичниках. Гаметы, образующиеся в результате мейоза, содержат гаплоидный (n ) набор хромосом.

Оплодотворённая клетка – зигота. Оплодотворение может быть наружным (вне организма) и внутренним (в организме самки).

У покрытосеменных растений двойное оплодотворение.

Индивидуальное развитие организма называется онтогенезом.

Закон зародышевого сходства: в пределах типа эмбрионы обнаруживают известное сходство.

Биогенетический закон: индивидуальное развитие особи (онтогенез) до определённой степени повторяет историческое развитие (филогенез) вида, к которому относится эта особь.

Генетика – это наука, изучающая наследственность и изменчивость живых организмов. Наследственность – это свойство всех живых организмов передавать свои признаки и свойства из поколения в поколение. Изменчивость – это свойство всех живых организмов приобретать в процессе развития новые признаки по сравнению с другими особями вида.

Элементарная единица наследственности – ген – является частью молекулы ДНК. Гены, ответственные за один и тот же признак, называются аллельными. Место расположения гена в хромосоме называется локусом. Если в клетках содержатся два одинаковых гена какого-либо признака, этот организм гомозиготен по этому признаку, а если гены разные, – гетерозиготен.

Совокупность всех генов организма – генотип. Совокупность всех признаков – фенотип. Тот из двух аллельных генов, который проявляется в фенотипе у гетерозигот, называется доминантным, а непроявляющийся – рецессивным.

Г. Мендель, используя гибридологический метод, установил основные законы наследственности: правило единообразия гибридов первого поколения, правило расщепления, закон чистоты гамет, правило независимого наследования признаков.

Если доминантный ген не до конца подавляет рецессивный, наблюдается неполное доминирование. Для установления генотипа особей, не различающихся по фенотипу, их скрещивают с рецессивной гомозиготной особью – это анализирующее скрещивание.

Половые хромосомы – это те хромосомы, которые различаются у самцов и самок.

Изменения организма, не затрагивающие генотипа и не передающиеся из поколения в поколение, – модификационная изменчивость. Пределы модификационной изменчивости – норма реакции. Наследуется не сам признак, а способность проявить этот признак в определённых условиях.

Изменения генотипа – мутации. Мутации бывают генные, хромосомные, геномные. Причины мутаций кроются во внешней среде и могут быть вызваны облучением, химическими и физическими воздействиями.

Селекция – наука о методах создания новых сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов. Теоретической основой селекции является генетика. Основы научных методов селекции в нашей стране заложил Н. И. Вавилов. Основные методы селекционной работы – гибридизация и отбор.

Глава 4. Популяционно-видовой уровень

С этой главы мы начинаем изучать особенности существования жизни на уровнях, которые могут быть названы надорганизменными. Начнём с популяционно-видового уровня, который организуется тогда, когда совокупность организмов одного и того же вида на длительный срок объединяется общим местообитанием. В этой системе осуществляются элементарные эволюционные изменения, возникающие, прежде всего, в ответ на воздействие внешних факторов окружающей среды.

Из этой главы вы узнаете

Что такое биологический вид и каковы его критерии;

Что называют популяцией;

Почему важно изучать демографические характеристики популяций и что это такое;

Каковы главные движущие силы эволюции;

Как полезные изменения закрепляются в популяции под действием естественного отбора;

Как работают механизмы видообразования;

§ 35. Популяционно-видовой уровень: общая характеристика

1. Что изучает наука систематика?

2. Какие систематические категории вам известны? Приведите примеры из курсов зоологии и ботаники.

Понятие о виде. Мир живых существ состоит из огромного количества отличных друг от друга растений, животных, грибов, микроорганизмов. Все они должны добывать себе пищу, завоёвывать жизненное пространство, размножаться. В процессе решения этих проблем живые организмы смогли образовать множество различных форм, каждая из которых приспособилась к жизни при определённых условиях окружающей среды.

Люди давно обратили внимание на различия между окружавшими их животными и растениями и пытались их систематизировать. В древние времена при классификации организмов использовались не биологические принципы, основанные на возможности проследить естественные связи между организмами, а совершенно другие подходы. Животных, например, делили на полезных, вредных и безразличных для человека. Растения – на дающих плоды, волокно или древесину. На сегодняшний день, как вам уже известно, элементарной единицей систематики является вид.

Видом называют совокупность организмов, характеризующихся общностью происхождения, обладающих наследственным сходством всех признаков и свойств и способных к бесконечному воспроизведению самих себя при скрещивании.

Критерии вида. В XVIII в. английский натуралист Джон Рей был первым, кто попытался определить критерии вида – признаки, по которым можно судить о принадлежности организма к данному виду. Все индивидуумы, принадлежащие данному виду, считал Рей, могут свободно скрещиваться в природе и продуцировать потомство, относящееся к тому же самому виду. Даже если среди потомства в одном выводке появляются два отчётливо различных организма, они всё равно будут принадлежать к одному виду. Все собаки, например, несмотря на то что разные породы внешне очень различаются, составляют один вид (рис. 66).

Рис. 66. Породы собак

Великий шведский натуралист Карл Линней, создатель научной систематики, определял виды как целостные группы организмов, отличные от других жизненных форм по признакам строения. Иными словами, наличие черт строения, которые делают некоторую группу организмов похожими друг на друга и одновременно отличными от всех других групп, и есть критерий для причисления их к данному виду.

Признаки строения, которые использовал Линней для выделения видов, дают нам пример морфологического критерия . В его основе лежит сходство внешнего и внутреннего строения организмов. В основе физиологического критерия лежит сходство всех процессов жизнедеятельности, и прежде всего сходство размножения, что определяет возможность получения потомства при скрещивании.

Однако оказалось, что внешне неразличимые группы организмов могут принадлежать к разным видам. Учёные обнаружили так называемые виды-двойники , различающиеся лишь наборами хромосом. Виды-двойники встречаются среди самых разных организмов: рыб, насекомых, млекопитающих, растений. Не всегда срабатывает и физиологический критерий; установлено немало разных видов, которые могут скрещиваться в природе, производя плодовитые гибриды. Это случается, например, при спаривании собак с волками. Плодовитыми могут быть гибриды некоторых видов птиц (канарейки, зяблики), а также растений (тополя, ивы).

Поэтому помимо названных критериев при определении видовой принадлежности используются и другие. Генетический критерий – характерный для каждого вида набор хромосом, их размеры, форма, состав ДНК. Экологический критерий – место вида в природных сообществах организмов, его специализация, наборы условий внешней среды, необходимых для существования вида. Географический критерий – область распространения вида в природе, т. е. ареал. Исторический критерий – общность предков, единая история возникновения и развития вида. Для животных характерен этнологический критерий – присущие только данному виду особенности поведения.

Не существует одного абсолютного критерия вида. Только в совокупности они определяют вид. В природе целостность вида поддерживается благодаря репродуктивной изоляции , которая препятствует смешению видов при половом размножении. Такая изоляция обеспечивается множеством механизмов, например различиями ареалов, разными сроками или местами размножения, особенностями поведения в брачный период и многими другими.

Популяционная структура вида. Благополучное существование различных видов животных и растений требует подходящих условий обитания. При перемещении особей из одной местности ареала в другую эти условия могут значительно меняться. Причём некоторые из них меняются плавно (как, например, температура при продвижении с юга на север), другие остаются без изменений (например, содержание диоксида углерода в воздухе), а третьи меняются скачкообразно (как это, например, происходит с изменениями состава и структуры почв). Всё это приводит к тому, что подходящие для того или иного вида условия формируются в пространстве как бы в виде отдельных островков. Виды заселяют эти подходящие им «островки», а потому распространены не равномерно, а отдельными группами. В этом состоит своеобразие биологических видов – они существуют в форме популяций.

Популяция – это группа организмов одного вида, обладающих способностью свободно скрещиваться и неограниченно долго поддерживать своё существование в данном районе ареала. Понятие популяции в определённом смысле близко с понятием «племя», известным вам из курса истории.

Популяции одного вида могут быть отделены друг от друга чёткими границами. Например, границы между популяциями водных организмов проходят по береговым линиям водоёмов. У многих видов, обитающих в наземно-воздушной среде, границы между популяциями обычно размыты. Известно, например, что границы территорий, занимаемых популяциями многих грызунов (леммингов, полёвок и др.), зависят от численности этих животных. Они как бы пульсируют, расширяясь при возрастании численности зверьков и сокращаясь при её снижении. Семена растений могут переноситься на большие расстояния животными, ветром и т. д. Кроме того, разные популяции одного и того же вида птиц контактируют на местах зимовок или во время миграций.

Свойства популяций. Условия жизни в разных районах ареала вида могут несколько различаться. Под влиянием этого в отдельных популяциях могут возникать и накапливаться свойства, отличающие их друг от друга. Это может проявляться в небольших различиях в строении организмов, их экологических, физиологических и других свойствах. Иными словами, популяции, как и отдельные организмы, обладают изменчивостью. Как и среди организмов, среди популяций невозможно найти две полностью тождественные. Изменчивость популяций повышает внутреннее разнообразие вида, его устойчивость к локальным (местным) изменениям условий жизни, позволяет ему проникать и закрепляться в новых местах обитания. Можно сказать, что существование в форме популяции обогащает вид, обеспечивает его целостность и сохранение основных видовых свойств.

Популяции способны сохранять устойчивость своей структуры во времени и пространстве. Стайку рыб или воробьёв нельзя назвать популяцией: такие группы могут легко распадаться под влиянием внешних факторов или смешиваться с другими. Популяции не живут изолированно. Они взаимодействуют с популяциями других видов, образуя вместе с ними биотические сообщества – целостные системы ещё более высокого уровня организации.

Вид. Критерии вида: морфологический, физиологический, генетический, экологический, географический, исторический. Ареал. Популяция. Биотические сообщества

Выполните лабораторную работу.

Изучение морфологического критерия вида

Цель работы: определить, можно ли только по морфологическим признакам судить о принадлежности организма к определённому виду.

Ход работы

1. Рассмотрите предложенные вам объекты.

2. Сделайте их морфологическое описание.

3. Сделайте вывод.

Вопросы

1. Какова основная цель классификации организмов?

2. Что такое вид и критерии вида?

3. Какие критерии вида вам известны?

4. Какова роль репродуктивной изоляции в поддержании целостности вида? Приведите примеры.

5. Что такое популяция?

6. Почему биологические виды существуют в природе в форме популяций?

Задания

1. Составьте список известных вам видов растений и/или животных. Попытайтесь сгруппировать их по степени морфологического сходства.

2. Объясните, почему нельзя выделить один универсальный критерий вида.

3. Изучив основной текст параграфа и познакомившись с дополнительным текстом, объясните, почему нельзя однозначно ответить на вопрос о количестве видов, живущих на нашей планете.

Дополнительные сведения

Сколько видов на Земле. Со времён Карла Линнея, разработавшего систему классификации организмов, в мире было описано 1,5 млн видов. Это существенно больше, чем ожидал сам Линней в XVIII в. Не все из живущих на Земле видов описаны и систематизированы. Для такого вывода имеется несколько веских аргументов.

Около 1 млн видов (т. е. две трети от общего числа) обитают в зоне умеренного климата. Опыт показывает, что при более детальном изучении многих групп организмов удаётся обнаружить много новых видов. Поэтому можно считать, что их реальное число больше того, что уже открыто, в полтора раза. Другими словами, потенциально в зоне умеренного климата обитает не 1, а 1,5 млн видов. Известно также, что в тропических областях видовое разнообразие выше, чем в умеренных, по крайней мере вдвое. Это означает, что не менее 3 млн видов живут в тропиках, но многие до сих пор не открыты и не описаны. Таким образом, в действительности Землю населяет в три раза больше видов, чем зарегистрировано на сегодняшний день: их никак не меньше 4–5 млн.

К сожалению, в наше время виды исчезают быстрее, нежели их успевают обнаружить и описать. Это происходит в результате разрушения мест обитания, особенно в тропиках, где из-за высокого обилия виды узкоспециализированы, т. е. приспособлены к жизни при строго определённых условиях внешней среды. Незначительные изменения хотя бы одного из этих условий (температуры, влажности, освещённости), связанные, например, с вырубками деревьев, строительством дорог, могут привести к полному исчезновению тех или иных видов растений и животных. Потеря вида имеет огромное значение. Каждый из них неповторим и вносит свой уникальный вклад в формирование условий на Земле, которые, в свою очередь, влияют и на наше собственное существование как биологического вида.

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.

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.

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

1. Мамонтов С.Г., Захаров В.Б., Агафонова И.Б., Сонин Н.И. Биология. Общие закономерности. - Дрофа, 2009.
2. 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.
3. 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.

1. Genetics-b.ru ().
2. Google Sites ().
3. Moykonspekt.ru ().

Домашнее задание

1. Что такое селекция?
2. Каковы основные за-да-чи со-вре-мен-ной се-лек-ции?
3. О чем говорит закон гомологических рядов наследственности?

Это 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 культур; изучения наследственной изменчивости; влияния среды на развитие интересующих селекционера признаков; 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.

Каждая порода животных, сорт растений, штамм микроорганизмов приспособлены к определенным условиям, поэтому в каждой зоне нашей страны имеются специализированные сортоиспытательные станции и племенные хозяйства для сравнения и проверки новых сортов и пород.

Для успешной работы селекционеру необходимо сортовое разнообразие исходного материала. Во Всесоюзном институте растениеводства Н.И. Вавиловым была собрана коллекция сортов культурных растений и их диких предков со всего земного шара, которая в настоящее время пополняется и является основой для работ по селекции любой культуры.

Центры происхождения культурных растений, выявленные Н.И. Вавиловым

Наиболее богатыми по количеству культур являются древние центры цивилизации. Именно там наиболее ранняя культура земледелия, более длительное время проводятся искусственный отбор и селекция растений.

Классическими методами селекции растений были и остаются гибридизация и отбор. Различают две основные формы искусственного отбора: массовый и индивидуальный.

Массовый отбор

Массовый отбор применяют при селекции перекрестноопыляемых растений (рожь, кукуруза, подсолнечник). В этом случае сорт представляет собой популяцию, состоящую из гетерозиготных особей, и каждое семя обладает уникальным генотипом. С помощью массового отбора сохраняются и улучшаются сортовые качества, но результаты отбора неустойчивы в силу случайного перекрестного опыления.

Индивидуальный отбор

Индивидуальный отбор применяют при селекции самоопыляемых растений (пшеница, ячмень, горох). В этом случае потомство сохраняет признаки родительской формы, является гомозиготным и называется чистой линией. Чистая линия — потомство одной гомозиготной самоопыленной особи. Так как постоянно происходят мутационные процессы, то абсолютно гомозиготных особей в природе практически не бывает. Мутации чаще всего рецессивны. Под контроль естественного и искусственного отбора они попадают только тогда, когда переходят в гомозиготное состояние.

Естественный отбор

Этот вид отбора играет в селекции определяющую роль. На любое растение в течение его жизни действует комплекс факторов окружающей среды, и оно должно быть устойчивым к вредителям и болезням, приспособлено к определенному температурному и водному режиму.

Инбридинг (инцухт)

В центре гете-розис-ная куку-руза, слева и справа роди-тель-ские особи.

Так называется близкородственное скрещивание. Инбридинг имеет место при самоопылении перекрестноопыляемых растений. Для инбридинга подбирают такие растения, гибриды которых дают максимальный эффект гетерозиса. Такие подобранные растения в течение ряда лет подвергаются принудительному самоопылению. В результате инбридинга многие рецессивные неблагоприятные гены переходят в гомозиготное состояние, что приводит к снижению жизнеспособности растений, к их «депрессии». Затем полученные линии скрещивают между собой, образуются гибридные семена, дающие гетерозисное поколение.

Гетерозис («гибридная сила») — явление, при котором гибриды по ряду признаков и свойств превосходят родительские формы. Гетерозис характерен для гибридов первого поколения, первое гибридное поколение дает прибавку урожая до 30%. В последующих поколениях его эффект ослабляется и исчезает. Эффект гетерозиса объясняется двумя основными гипотезами. Гипотеза доминирования предполагает, что эффект гетерозиса зависит от количества доминантных генов в гомозиготном или гетерозиготном состоянии. Чем больше в генотипе генов в доминантном состоянии, тем больше эффект гетерозиса.

Гипотеза сверхдоминирования объясняет явление гетерозиса эффектом сверхдоминирования. Сверхдоминирование — вид взаимодействия аллельных генов, при котором гетерозиготы превосходят по своим характеристикам (по массе и продуктивности) соответствующие гомозиготы. Начиная со второго поколения гетерозис затухает, так как часть генов переходит в гомозиготное состояние.

Растения диплоид-ной (2n = 16) и тетра-плоидной (2n = 32) гре-чихи.

Аа × Аа
АА 2Аа аа

Перекрестное опыление самоопылителей дает возможность сочетать свойства различных сортов. Например, при селекции пшеницы поступают следующим образом. У цветков растения одного сорта удаляются пыльники, рядом в сосуде с водой ставится растение другого сорта, и растения двух сортов накрываются общим изолятором. В результате получают гибридные семена, сочетающие нужные селекционеру признаки разных сортов.

Метод получения полиплоидов. Полиплоидные растения обладают большей массой вегетативных органов, имеют более крупные плоды и семена. Многие культуры представляют собой естественные полиплоиды: пшеница, картофель, выведены сорта полиплоидной гречихи, сахарной свеклы.

Виды, у которых кратно умножен один и тот же геном, называются автополиплоидами . Классическим способом получения полиплоидов является обработка проростков колхицином. Это вещество блокирует образование микротрубочек веретена деления при митозе, в клетках удваивается набор хромосом, клетки становятся тетраплоидными.

Отдаленная гибридизация

Восстановление плодови-тости капустно--редечного гибрида: 1 — капуста; 2 — редька; 3, 4 — капустно--редечный гибрид.

Отдаленная гибридизация — это скрещивание растений, относящихся к разным видам. Отдаленные гибриды обычно стерильны, так как у них нарушается мейоз (два гаплоидных набора хромосом разных видов не могут конъюгировать) и, следовательно не образуются гаметы.

Методика преодоления бесплодия у отдаленных гибридов была разработана в 1924 году советским ученым Г.Д. Карпеченко. Он поступил следующим образом. Вначале скрестил редьку (2n = 18) и капусту (2n = 18). Диплоидный набор гибрида был равен 18 хромосомам, из которых 9 хромосом были «редечными» и 9 — «капустными». Полученный капустно-редечный гибрид был стерильным, поскольку во время мейоза «редечные» и «капустные» хромосомы не конъюгировали.

Далее с помощью колхицина Г.Д. Карпеченко удвоил хромосомный набор гибрида, полиплоид стал иметь 36 хромосом, при мейозе «редечные» (9 + 9) хромосомы конъюгировали с «редечными», «капустные» (9 + 9) с «капустными». Плодовитость была восстановлена. Таким способом были получены пшенично-ржаные гибриды (тритикале), пшенично-пырейные гибриды и др. Виды, у которых произошло объединение разных геномов в одном организме, а затем их кратное увеличение, называются аллополиплоидами .

Использование соматических мутаций

Соматические мутации применяются для селекции вегетативно размножающихся растений. Это использовал в своей работе еще И.В. Мичурин. С помощью вегетативного размножения можно сохранить полезную соматическую мутацию. Кроме того, только с помощью вегетативного размножения сохраняются свойства многих сортов плодово-ягодных культур.

Экспериментальный мутагенез

Основан на открытии воздействия различных излучений для получения мутаций и на использовании химических мутагенов. Мутагены позволяют получить большой спектр разнообразных мутаций. Сейчас в мире созданы более тысячи сортов, ведущих родословную от отдельных мутантных растений, полученных после воздействия мутагенами.

Методы селекции растений, предложенные И.В. Мичуриным

С помощью метода ментора И.В. Мичурин добивался изменения свойств гибрида в нужную сторону. Например, если у гибрида нужно было улучшить вкусовые качества, в его крону прививались черенки с родительского организма, имеющего хорошие вкусовые качества, или гибридное растение прививали на подвой, в сторону которого нужно было изменить качества гибрида. И.В. Мичурин указывал на возможность управления доминированием определенных признаков при развитии гибрида. Для этого на ранних стадиях развития необходимо воздействие определенными внешними факторами. Например, если гибриды выращивать в открытом грунте, на бедных почвах повышается их морозостойкость.