Основные методы селекции и биотехнологии

В человеческую жизнь селекция вошла много тысячелетий назад. Опираясь на здравый смысл и многовековой опыт, человек отбирал только лучшие семена. И вот результат ― великое множество культурных растений.

Человек выбирал только лучших животных. Дикие муфлоны стали родоначальниками домашних овец. Домашняя лошадь существенно отличается от дикой. Домашние утки, разучившиеся летать, лишь отдалённо похожи на своих предков.

Многообразие пород… И каждая порода отвечает либо практическим интересам, либо эстетическим устремленям человека.

Сортом, породой и штаммом называют популяцию организмов (растений, животных и микроорганизмов), искусственно созданную человеком, которая характеризуется определённым генофондом, наследственно закреплённым морфологическими и физиологическими признаками, определённым уровнем и характером продуктивности.

Используя отбор, человек оставляет и допускает к размножению только особи в наибольшей степени наделённые желательными для человека признаками. Наследственность закрепляет эти признаки в потомстве.

Выведением новых и совершенствованием существующих сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов с необходимыми человеку свойствами, занимается наука селекция.

Селекция — и наука, и отрасль сельскохозяйственной практики. Её задачи многообразны.

Многообразны и методы селекции.

Основные методы селекции — это отбор, гибридизация, полиплоидия, искусственный мутагенез, а также клеточная и генная инженерия.

Начнём с отбора ― самого простого, но очень важного метода селекции.

Как вы знаете, в природе действует естественный отбор, его мы изучали на предыдущих уроках. Больные, слабые, не приспособленные организмы погибают, а сильные и здоровые размножаются и дают начало новому поколению.

А вот искусственный отбор совершает не природа, а человек. Он отбирает наиболее ценных в хозяйственном или декоративном отношении особей животных и растений для получения от них потомства с желаемыми свойствами.

Различают два вида искусственного отбора: массовый и индивидуальный.

При массовом отборе отбраковывают особей, которые по своему фенотипу не отвечают хозяйственным интересам. При этом свойство генотипа во внимание не принимается.

Не-смотря на простоту и древнее происхождение, массовый отбор позволяет успешно решать практические задачи.

Для поддержания генетический стабильности многих сортов вполне достаточно массового отбора. При регулярном и тщательном его проведении сорта сохраняют все свои качества в течение десятилетий.

Как правило, массовый отбор — это первый шаг при других, более сложных, методах селекции.

При индивидуальном отборе лучших особей, отбирают не по фенотипу, а по генотипу.

Прослеживается, как-то или иное качество, например длинношёрстность, проявляется у потомства.  Оценка по потомству — основной приём при инициальном отборе.

Когда эти ягнята подрастут, продуктивность их настрига — позволит оценить генетические достоинство родителей.

Таким образом, при индивидуальном отборе выделяют единичные особи с ценными качествами и отдельно выращивают их потомство.

При последующем близкородственном скрещивании у животных выводят чистые линии.

Чистая линия — эта группа генетически однородных (гомозиготных) организмов, представляющих ценный исходный материал для селекции.

Все организмы, относящиеся к одной чистой линии, являются гомозиготными по одному и тому же аллелю данного гена.

Одним из путей увеличения разнообразия материала для селекции является гибридизация.

Она бывает: близкородственная, неродственная и отдалённая.

Близкородственная гибридизация (инбридинг) позволяет перевести рецессивные гены в гомозиготное состояние.

При инбридинге родители являются родственниками и поэтому имеют много одинаковых аллелей, в результате чего гомозиготность увеличивается с каждым поколением.

Близкородственные скрещивания производят в целях количественного приумножения животных с наилучшими индивидуально отобранными генотипами. Так возникают имбредные линии, или чистые линии.

Животные, составляющие чистую линию, получают одинаковые копии хромосом каждой из гомологичных пар. Чистые линии по большинству генов гомозиготные и не дают расщепления признаков в поколениях. 

Благодаря родственному скрещиванию асканийских овец обеспечивается генетическая стабильность и высокопродуктивность пород.

Чемпионы асканийской породы дают при стрижке до 12 кг шерсти. Этого хватает на 12 шерстяных костюмов.

При создании этой мясо-шёрстной породы использовался и другой метод —неродственное скрещивание (аутбридинг).

Обычно такие особи не имеют ближайших общих предков и происходят из разных популяций.

В отличие от близкородственного скрещивания, где повышается степень гомозиготности организмов, при неродственной гибридизации у потомства уменьшается вероятность присутствия одинаковых аллелей генов, то есть повышается уровень гетерозиготности.

Гетерозиготные особи часто обладают более ценными биологическими признаками, чем гомозиготные.

Черно-пёстрая порода коров славится высокой удойностью, а красная степная — жирностью молока. Произвели межпородное скрещивание у коров новой гибридной популяции почти в 1,5 раза увеличилась жирность молока — один из важных показателей его качества.

Применяя неродственное скрещивание, получают гетерозисные формы, превосходящие по ряду желаемых признаков родительские организмы. В этом случае проявляется эффект гетерозиса.

Гетерозис — это увеличение жизнеспособности гибридов вследствие унаследования определённого набора аллелей различных генов от своих разнородных родителей.

Причиной гетерозиса служит объединение у гибридного поколения доминантных генов и устранение действия рецессивных генов.

Между двумя разными имбредными линиями кукурузы на поле происходит скрещивание, при этом в следующем поколении проявится эффект гетерозиса. Гетерозисная кукуруза больше обычной, и зерна у неё крупнее. 

Первое гибридное поколение обладает повышенной урожайностью и жизнеспособностью. Однако уже начиная со второго поколения эффект гетерозиса обычно снижается.

Эффект гетерозиса широко применяют не только для получения высокоурожайных гибридов кукурузы, но и других культурных растений (сахарной свёклы, например).

Скрещивание двух мясных пород домашних кур (Корниш и белый плимутрок) даёт гибридное потомство цыплят-бройлеров, отличающихся от родительских форм интенсивным ростом, низкими затратами корма на выращивание и питательным мясом.

В промышленном звероводстве комплексно используются все упомянутые нами методы селекции. Например, самая ценная сапфировая норка с голубой окраской меха была получена путём гибридного скрещивания от норок совсем иной окраски —алеутской (темно-серой с голубым оттенком) и серебристо-голубой (голубовато- серой).

Престижный цвет и другие свойства, придающие меху особую ценность, достигаются кропотливым трудом селекционеров.

Межсортовую гибридизацию широко применяют и в селекции растений, например тюльпанов и роз. Межсортовая гибридизация даёт возможность вывести новые сорта, которые отличаются окраской и формой цветков.

Отдалённая гибридизация — это скрещивание особей, принадлежащих к разным видам, а иногда и разным родам.

При этом потомки скрещиваемых видов в большинстве случаев оказываются бесплодными из-за нарушения процессов гаметогенеза.

Так, например, при скрещивании лошади с ослом получается выносливый, сильный и долгоживущий гибрид — мул.

Отличаются большой силой и выносливостью нары — гибриды одногорбого и двугорбого верблюдов.

Отдалённая гибридизация широко используется и в растениеводстве. Например, гибрид яблони и груши.

Полиплоидия — ещё один метод селекции. Полиплоидами называют формы с кратно увеличенным числом хромосом исходного вида.

В зависимости от того, во сколько раз у полиплоидных форм увеличено число хромосом, их называют тетраплоидами (четырёхкратный набор хромосом), гексаплоидами (шестикратный) или октоплоидами (восьмикратный).

Например, у картофеля исходное число хромосом равно 12, но в результате полиплоидизации возникли виды с хромосомными наборами равными 24, 48 и 72.

Полиплоидами также являются 42-хромосомные виды пшеницы, хлопчатника, люцерны, овса. Полиплоиды у растений, по сравнению с диплоидами часто характеризуются более мощным ростом, большим размером, массой семян и плодов и т. п.

Следующий метод селекции — искусственный мутагенез.

Данный метод применяют в селекции с целью повышения доли наследственной изменчивости у организмов.

Мутации вызывают действием различных физических и химических факторов.

Так, гамма-лучи и некоторые химические вещества (иприт, например) в десятки раз увеличивают частоту мутационной изменчивости у организмов.

В лабораториях получают хромосомные мутации путём химического воздействия на растение. 

Благодаря растительному яду колхицину — получают полиплоидные растения.

Добавим его в чашку Петри. А поверх положим фильтровальную бумагу, на которой пророщены зерна гречихи.

Колхицин вызывает различные изменения в хромосомах, нарушается процесс деления клетки. Он разрушает веретено деления. В результате чего гомологичные хромосомы при делении клетки не расходятся. При этом получаются гаметы, содержащие по 2n хромосом. Помним, что гаметы содержат гаплоидный набор хромосом. При слиянии диплоидных гамет в зиготе окажется 4n хромосом.

Семена высадили… Кисти полиплоидной гречихи по сравнению с обычной имеют больше цветков, из которых сформируется больше плодов. 

Получение искусственных мутантных форм важно и в медицине. Облучение и химия дали полезных мутантов пеницилла. Он является источником пенициллина, первого в истории антибиотика.

В этих чашках растут колонии бактерий. Мутантная форма пеницилиума более энергично истребляет микробов. Лекарство, что было когда-то на вес золота, теперь стало доступно всем.

Во второй половине XX в. стали применять принципиально новые методы экспериментальной биологии — клеточную и генную инженерию. Это направление легло в основу новой области биологии — биотехнологии.

Биотехнология — это промышленное использование биологических процессов и систем на основе получения высокоэффективных форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений, животных с заданными свойствами.

Клеточная инженерия основана на культивировании отдельных клеток или тканей на искусственных питательных средах. Такие клеточные культуры используются для синтеза ценных веществ необходимых человеку, например лекарств, а также для получения клеточных гибридов.

Генная инженерия — это целенаправленный перенос нужных генов от одного вида живых организмов в другой, часто очень далёких по своему происхождению.

Это, как считают учёные, перспективное направление, которое позволяет целенаправленно улучшать наследственные качества организмов, получать в неограниченном количестве ценные биологически активные вещества.

Итак, используя различные методы селекции, учёные-селекционеры улучшают существующие и выводят новые сорта культурных растений и породы домашних животных.