Методы селекции и ее достижения

Основными методами селекции являются отбор, гибридизация и мутагенез.

В основе селекционного процесса лежит искусственный отбор. В сочетании с генетическими методами он позволяет создавать сорта, породы и штаммы с заранее определенными признаками и свойствами. В селекции различают два основных вида отбора: массовый и индивидуальный.

Массовый отбор [BЭ241] — это выделение группы особей, сходных по одному или комплексу желаемых признаков, без проверки их генотипа. Например, из всей популяции злаков того или иного сорта для дальнейшего размножения оставляют только те растения, которые отличаются устойчивостью к возбудителям болезней и полеганию, имеют крупный колос с большим числом колосков и др. При их повторном посеве снова отбирают растения с нужными качествами и т. д.

Основными достоинствами данного метода являются его простота, экономичность и возможность сравнительно быстрого улучшения местных сортов и пород, а недостатком — невозможность индивидуальной оценки по потомству, в силу чего результаты отбора неустойчивы.

При индивидуальном отборе (по генотипу) получают и оценивают потомство каждого отдельного растения или животного в ряду поколений при обязательном контроле наследования интересующих селекционера признаков. На последующих этапах отбора используют только тех особей, которые дали наибольшее число потомков с высокими показателями.

Подобный отбор наиболее эффективен среди самоопыляемых растений (пшеница, ячмень и др.), так как приводит к получению чистых линий, обладающих максимальной степенью гомозиготности. При этом от одного растения имеется возможность получения большого количества идентичных потомков за счет бесполого и полового размножения.

Для сельскохозяйственных животных характерно только половое размножение и немногочисленное потомство. Поэтому наряду с отбором производителя или пары родительских организмов применяются специальные методы разведения – искусственное осеменение, искусственное оплодотворение с имплантацией эмбрионов в организм самок рецепиентов. Например, используя искусственное осеменение, от одного быка можно получить до 35 000 телят. Для длительного сохранения семени используют метод глубокого замораживания. Уже теперь во многих странах мира существуют банки спермы животных с ценными генотипами. Такая сперма используется в селекционной работе.

Отбор в селекции наиболее эффективен при сочетании с определенными типами скрещивания (методами гибридизации).

Все разнообразие методов гибридизации[BЭ242] сводится к инбридингу и аутбридингу. Инбридинг — это близкородственное (внутрипородное или внутрисортовое), а аутбридинг — неродственное (межпородное или межсортовое) скрещивание.

При близкородственном скрещивании (инбридинге) в качестве исходных форм используются братья и сестры или родители и потомство (отец— дочь, мать—сын, двоюродные братья—сестры и т.д.). Этот тип скрещивания применяется для того, чтобы перевести большинство генов породы или сорта в гомозиготное состояние и, как следствие избежать расщепления по хозяйственно-ценным признакам в ряду поколений (рис.).

Вместе с тем, при инбридинге часто наблюдается снижение жизнеспособности растений и животных, так, как в гомозиготное состояние переходят и вредные рецессивные мутации.

Неродственное скрещивание (аутбридинг) наряду с разными формами отбора позволяет создать комбинацию полезных признаков, которые по отдельности характеризовали исходные породы или сорта.

При межпородном или межсортовом скрещивании возрастает гетерозиготность организмов, вследствие чего гибриды первого поколения часто оказываются более жизнеспособными и плодовитыми, чем их родительские формы. Это явление называется гетерозис (от греч. heterosis — изменение, превращение) или гибридная мощность. В последующих поколениях эффект гетерозиса ослабевает и исчезает.

Классическим примером успешного применения данного явления в растениеводстве является кукуруза. Впервые получение высокопродуктивных гетерозисных гибридов именно этого растения было поставлено на промышленную основу. Валовые сборы зерна такого гибрида были на 20—30% выше, чем у родительских организмов (рис.).

В настоящее время гетерозис широко используется в селекции для повышения продуктивности растений, а также в промышленном птицеводстве (например — бройлерные цыплята) и свиноводстве.

При создании новых сортов растений селекционерами широко используется ряд методов по искусственному получению полиплоидов. Метод автополиплоидии (кратного увеличения числа наборов хромосом одного вида) приводит к увеличению размеров клеток и всего растения в целом. Полиплоиды по сравнению с исходными диплоидными организмами, как правило, имеют большую вегетативную массу, более крупные цветки и семена (рис.). Кроме того, избыток хромосом повышает их устойчивость к патогенным организмам (вирусам, грибам, бактериям) и ряду других неблагоприятных факторов. Около 80% современных культурных растений являются полиплоидами.

Ценные результаты дает отдаленная гибридизации (скрещивание разных видов или родов) организмов. Такие гибриды, как правило, бесплодны. Это связано с содержанием в геноме различных хромосом, которые в мейозе не конъюгируют. Для восстановления плодовитости у межвидовых гибридов в 1924 г. советский генетик Г. Д. Карпеченко предложил использовать у отдаленных гибридов удвоение числа хромосом.

Сочетание отдаленной гибридизации и аллоплоидии позволило получить гибриды капусты и редьки, ржи и пшеницы, пшеницы и пырея и др. Например, в результате гибридизации пшеницы (Triticum) и ржи (Sekale) получили ряд форм, объединенных общим названием тритикале. Они обладают высокой урожайностью пшеницы, зимостойкостью и неприхотливостью ржи, устойчивостью ко многим болезням.

Для увеличения вариантов исходного материала для селекции используется индуцированный мутагенез. Так, у многих злаков (ячмень, пшеница, рожь и др.), с помощью рентгеновского излучения были получены мутантные формы с рядом полезных признаков. Они отличаются не только повышенной урожайностью зерна, но и укороченным стеблем. Такие растения устойчивы к полеганию и имеют заметные преимущества при машинной уборке урожая. Кроме того, короткая и прочная соломина позволяет вести дальнейшую селекцию на увеличение размера и массы зерен без опасения, что повышение урожая приведет к полеганию растений.

Достижения современной селекции. За последние 100 лет усилиями селекционеров урожайность зерновых культур была повышена почти в 10 раз. Сегодня в ряде стран получают рекордные урожаи риса (100 ц/га), пшеницы, кукурузы и др.

Большие успехи достигнуты селекционерами Беларуси. Использование новейших достижений в области генетики и биотехнологии позволило ученым Института земледелия и селекции НАН Беларуси значительно сократить селекционный процесс и ускорить создание новых сортов.

За 10 лет количество районированных сортов увеличилось в 3 раза. Только за период 2001–2005 гг. передано для испытания 122 сорта, включены в Госреестр 56 сортов зерновых, зернобобовых, технических и кормовых культур; приняты к освоению 43 инновационные разработки института. Белорусские сорта высоко ценятся не только в республике, где они занимают более 75% пашни, но и в других странах. 70 разработанных в институте сортов допущены к использованию в 35 областях и краях России, а также в Украине, Литве, Латвии, Германии, испытываются в Молдавии, Кыргызстане, Канаде.

Учеными Белорусского научно-исследовательского института картофелеводства и плодоовощеводства (на базе которого в 1993 г. создано три института — БелНИИ плодоводства, БелНИИ овощеводства и БелНИИ картофелеводства) под руководством и при непосредственном участии академика П.И. Альсмика выведены хорошо зарекомендовавшие себя сорта картофеля — Темп, Агрономический, Огонек, Зубрёнок, Белорусский ранний, Ласунак, Орбита, Белорусский-3, Синтез и др.

Широкую популярность в республике и соседних странах получили белорусские сорта ягодных [BЭ243] (черная смородина — Белорусская сладкая, Кантата, Памяти Вавилова, Катюша, Партизанка и др) и плодовых (яблоня — Антей, Белорусская малиновая и др.) культур.

Достигнуты значительные успехи в создании новых и улучшении уже существующих пород животных. В результате длительной и целенаправленной селекционно-племенной работы белорусскими учеными и практиками[BЭ244] выведен черно-пестрый тип крупного рогатого скота, обеспечивающий в хороших условиях кормления и содержания удои до 6787 кг молока в год жирностью до 3,94% 3 и содержанием белка 3,26%.

Специалистами селекционного центра БелНИИ животноводства созданы белорусская мясная, белорусская черно-пестрая породы свиней и заводские типы свиней крупной белой породы. Эти породы свиней отличаются тем, что животные достигают живой массы 100 кг за 182-186 дней при среднесуточном приросте на контрольном откорме свыше 700 г, а приплод составляет 10—12 поросят за опорос.

Продолжается селекционная работа по укрупнению, повышению скороспелости и работоспособности лошадей белорусской упряжной группы, улучшению продуктивного потенциала овец по настригу шерсти, живой массе и плодовитости, по созданию линий и кроссов мясных уток, гусей, высокопродуктивной породы карпа и др.

Учеными института разработаны технология трансплантации эмбрионов в молочном и мясном скотоводстве (обеспечивает получения 55 телят на 100 эмбриопересадок) и технология замораживания эмбрионов, обеспечивающая повышение сохранности и приживляемости эмбрионов на 10% больше по сравнению с существующей технологией.

1. Что такое селекция? 2. Какие формы искусственного отбора вам известны? Охарактеризуйте их. 3. Каковы положительные и отрицательные стороны инбридинга у домашних животных? 4. Что такое гетерозис и каково его практическое значение? 5. Какова роль полиплоидии в создании новых сортов растений? 6. Для чего применяется индуцированные мутагенез?

§ 56. 0сновные направления биотехнологии

Термин «биотехнология» получил широкое распространение в нашем лексиконе сравнительно недавно, хотя многие технологии производства (хлебопечение, виноделие, сбраживание молочных продуктов, обработка кожи и т.д.), основанные на биологических процессах, существуют с давних времен.

В производственном отношении основой биотехнологии в процессе ее формирования стала микробиологическая промышленность, бурное развитие которой связано с открытием и началом производства антибиотиков.

Биотехнология — это наука, изучающая возможности использования организмов, биологических процессов и систем в производстве, включая превращение разных видов сырья в высококачественные продукты. Применение биологических процессов при разработке производственных технологий дает основание рассматривать биотехнологию как отрасль того или иного производства, например сельскохозяйственная биотехнология, биоэнергетика, биотехнология пищевой промышленности и т.д.

Объектами биотехнологии служат вирусы, бактерии, протисты, дрожжи, а также растения, животные или изолированные клетки и субклеточные структуры (органеллы).

Основными направлениями биотехнологии являются: 1) производство с помощью микроорганизмов и культивируемых эукариотических клеток биологически активных соединений (ферментов, витаминов, гормонов), лекарственных препаратов (антибиотиков, сывороток, высокоспецифичных антител) и др.; 2) создание новых полезных штаммов микроорганизмов, сортов растений и пород животных; 3) разработка и использование биологических методов защиты растений от вредителей и болезней; 4) создание и использование биотехнологических методов защиты окружающей среды и т.д.

Успехи, достигнутые биологией за последние десятилетия благодаря быстрому развитию молекулярной биологии и генетической инженерии, позволили целенаправленно управлять биологическими процессами, сделали возможным конструирование молекул ДНК, отдельных клеток и целых организмов с заданными параметрами, что привело к созданию нового направления в науке - современной биотехнологии.

Основой современной биотехнологии является генетическая и клеточная инженерия в сочетании с микробиологическим синтезом и широким набором методов биохимии.

Клеточная инженерия [VV245] — это культивирование в специальных условиях вне организма изолированных клеток или тканей растений, животных и микроорганизмов, включая различные манипуляции с ними (слияние, размножение и т.д.).

Особенно успешно развивается клеточная инженерия растений. Используя методы генетики, ученые отбирают линии клеток растений-продуцентов ценных веществ, которые способны расти на простых питательных средах, синтезируя при этом необходимое вещество в несколько раз больше, чем само растение. Культивирование массы таких клеток уже используется в промышленных масштабах для получения физиологически активных соединений. Например, налажено производство биомассы женьшеня для нужд медицинской и парфюмерной промышленности.

Другое важное направление клеточной инженерии - клональное микроразмножение растений на основе культуры тканей. Это стало возможным благодаря способности растительных клеток в результате регенерации формировать целое растение из единичной клетки.

Культуру растительных тканей выгодно использовать для быстрого размножения медленно растущих растений — маслинной пальмы, малины[VV246], персика и др. Так, при обычном разведении куст малины может дать не более 50 отростков в год, в то время как с помощью культуры тканей можно получить более 50 тыс. растений.

Методы клеточной инженерии позволяют значительно ускорить селекционный процесс при выведении новых сортов хлебных злаков и других важных сельскохозяйственных культур: срок их получения сокращается до 3-4 лет (вместо 10-12 лет, необходимых при использовании обычных методов селекции).

Перспективным способом выведения новых сортов ценных сельскохозяйственных культур является применение нетрадиционных методов клеточной инженерии, таких как соматическая гибридизация, гаплоидия, клеточная селекция, преодоление нескрещиваемости в культуре и др.

Соматическая гибридизация — это слияние двух различных клеток в культуре тканей. Сливаться могут разные виды клеток одного организма и клетки разных, иногда очень далеких видов, например, мыши и крысы, кошки и собаки, человека и мыши.

Культивирование клеток растений стало возможным, когда научились с помощью ферментов избавляться от толстой клеточной стенки и получать изолированный протопласт. Протопласты можно культивировать так же, как и клетки животных, обеспечивать слияние их с протопластами других видов растений и получать в соответствующих условиях новые гибридные растения.

Важное направление клеточной инженерии связано с ранними стадиями эмбриогенеза. Например, оплодотворение яйцеклеток в пробирке уже сейчас позволяет преодолевать некоторые распространенные формы бесплодия у человека. У сельскохозяйственных животных с помощью инъекции гормонов удается получить от одной коровы-рекордистки десятки яйцеклеток, оплодотворить их в пробирке спермой породистого быка, а затем имплантировать в матку других коров и таким путем получить от одного ценного экземпляра в 10 раз большее потомства, чем это было бы возможно обычным путем.

Генетическая инженерия — это раздел молекулярной биологии, связанный с целенаправленным созданием молекул ДНК, способных реплицироваться в клетке-хозяине и осуществлять контроль за синтезом необходимых метаболитов.

В круг интересов генетической инженерии входят вопросы расшифровки структуры генов, синтеза рекомбинантной ДНК, клонирования, переноса генетического материала в реципиентные клетки (трансгенез), культивирование клеток, изучение новых признаков у трансгенных организмов.

*Для осуществления переноса генов одного вида организмов в другой, часто очень далекий по своему происхождению, необходимо выполнить несколько сложных операций:

- выделение генов (отдельных фрагментов ДНК) из клеток бактерий, растений или животных. В отдельных случаях эту операцию заменяют искусственным синтезом нужных генов;

- конструирование рекомбинантной ДНК (соединение отдельных фрагментов ДНК любого происхождения в единую молекулу в составе плазмиды);

- клонирование ДНК (увеличение количества ДНК с помощью полимеразной реакции вне организма либо введением в бактериальную клетку);

- введение рекомбинантной ДНК, в клетки или организм (рис.). *

Растения и животные, геном которых изменен путем генно-инженерных операций, получили название трансгенных растений и трансгенных животных.

Уже получены трансгенные мыши, кролики, свиньи, козы, в геноме которых работают чужеродные гены различного происхождения, в том числе гены бактерий, дрожжей, млекопитающих, человека. Есть трансгенные растения, на базе которых уже созданы сорта или формы различных сельскохозяйственных культур, которые практически невозможно получить традиционными методами селекции. Например, выведены сорта картофеля устойчивого к колорадскому жуку (листья вырабатывают белок, ядовитый для жуков), растения, способные защищать себя от токсичных тяжелых металлов и нефтепродуктов и даже очищать от этих веществ почву.

На сегодняшний день методы генной инженерии позволили осуществить синтез в промышленных количествах таких гормонов, как инсулин, интерферон и соматотропин (гормон роста), которые необходимы для лечения сахарного диабета, некоторых видов злокачественных опухолей и карликовости соответственно.

У биотехнологии, генетической и клеточной инженерии многообещающие перспективы. Внедрение нужных генов в клетки растений, животных и человека позволит постепенно избавиться от многих наследственных болезней человека, заставить клетки синтезировать необходимые лекарства и биологически активные соединения, а затем — непосредственно белки и незаменимые аминокислоты, употребляемые в пищу. Используя методы, уже освоенные природой, биотехнологи работают над созданием новых источников энергии. Применение биотоплива экономически и экологически оправдано, так как позволяет в перспективе сократить использование невозобновляемых источников энергии (нефть, газ, уголь), при сжигании которых загрязняется окружающая среда.

1. Что такое биотехнология? 2.Каковы основные направления биотехнологии? З. Расскажите о методах генной и клеточной инженерии. Какие результаты получены при их применении? 4.Какие перспективы открываются в селекции в связи с применением методов генной и клеточной инженерии?

Дата добавления: 2014-01-04