ОСНОВЫ СЕЛЕКЦИИ
Селекция - это наука о методах создания новых и улучшения существующих штаммов микроорганизмов, сортов растений и пород животных.
Сортом, породой, штаммом называют популяцию организмов, искусственно созданную человеком и характеризующуюся определенными наследственными особенностями. Все особи внутри сорта, породы, штамма имеют сходную наследственную организацию, внешние признаки и однотипную реакцию на влияние факторов внешней среды. Например, молочные породы крупного рогатого скота отличаются величиной удоя, процентом жирности и содержания белка в молоке. Все их ценные свойства проявляются лишь при хороших содержании, кормлении и в определенных природных условиях. Штаммы микроорганизмов способны обеспечивать определенный уровень синтеза антибиотиков, ферментов, витаминов только при оптимальном составе питательной среды. Сорта и породы, созданные для одной географической зоны, не всегда пригодны для разведения в других условиях, т.е. они районированы (рекомендованы для разведения в определенных районах).
Селекция опирается на достижения генетики, молекулярной биологии, биохимии и других наук. Теоретической основой селекции является генетика.
Для успешной селекционной работы необходимо:
+ исходное сортовое и видовое разнообразие растений и животных;
+ изучение мутаций и их роли в проявлении и развитии исследуемых признаков;
+ исследование закономерностей наследования при гибридизации;
+ применение различных форм искусственного отбора.
Основные задачи современной селекции:
+ повышение урожайности сортов культурных растений;
+ увеличение продуктивности пород домашних животных;
+ повышение продуктивности штаммов микроорганизмов.
Особое внимание селекционеров направлено на получение сортов растений, устойчивых к заболеваниям и поддающихся механизированной уборке: короткостебельных неполегающих сортов злаков, соответствующих сортов винограда, томатов, хлопчатника.
Успех селекционной работы во многом зависит от генетического разнообразия исходной группы растений и животных. Генофонд (совокупность генов) существующих пород животных и сортов растений ограничен по сравнению с генофондом исходного дикого вида, поэтому поиски полезных признаков среди диких предков очень важны для выведения новых пород и сортов. С целью изучения многообразия и географического распространения культурных растений Н.И. Вавилов организовывал многочисленные экспедиции в разные уголки земного шара. В результате этих экспедиций был собран огромный семенной материал, используемый в селекционной работе, и выделены центры происхождения культурных растений. Их семь: 1) южноазиатский - родина риса, сахарного тростника, цитрусовых; 2) восточноазиатский - родина сои, проса, гречихи, многих плодовых и овощных культур;
3) юго-западноазиатский - родина пшениц, гороха, чечевицы, винограда; 4) средиземноморский - родина маслин, капусты, свеклы; 5) абиссинский - родина твердых сортов пшеницы, ячменя, кофейного дерева; 6) центральноамериканский - родина кукурузы, какао, перца, фасоли, длинноволокнистого хлопка; 7) южноамериканский - родина картофеля, табака, ананаса, подсолнечника.
Открытые Н.И. Вавиловым закономерности географического распределения сельскохозяйственных растений и расселения их из первичных центров облегчают работу селекционеров, позволяют быстрее подбирать исходный материал для опытов и в определенной мере предвидеть результаты. Исходный материал имеет первостепенное значение для успешной селекции. Это дикие формы, искусственно полученные мутантные формы, особи с комбинативной изменчивостью, сорта и породы, полученные в других климатических условиях.
СЕЛЕКЦИЯ РАСТЕНИЙ
Основной задачей селекции растений является повышение урожайности в растениеводстве путем создания высокопродуктивных сортов.
Основные методы селекции растений - гибридизация и искусственный отбор.
В начале селекционной работы ставится конкретная задача, для выполнения которой подбирают соответствующие родительские формы. При невозможности найти нужный исходный материал применяют различные мутагенные факторы (химические вещества, излучения) для ускорения получения индуцированных мутаций, среди которых иногда удается найти и полезные, используемые в дальнейшей селекционной работе. При воздействии мутагенных факторов, разрушающих веретено деления (например, колхицина), часто удается получить растения с кратным увеличением набора хромосом - полиплоидные формы. Полиплоидные растения обладают большей урожайностью и стойкостью к неблагоприятным условиям среды по сравнению с диплоидными.
Гибридизация - это получение гибридов от скрещивания генетически разнородных организмов. В селекции применяют близкородственное скрещивание (инбридинг) и скрещивание неродственных организмов (аутбридинг). Близкородственная гибридизация у растений основана на искусственном опылении своей пыльцой обычно перекрестноопыляемых растений. Самоопыление ведет к повышению гомозиготности и закреплению наследственных свойств. Потомство, полученное от одного гомозиготного растения путем самоопыления, называется чистой линией. У особей чистых линий часто снижается жизнеспособность и падает урожайность. Но если скрестить разные чистые линии между собой ( м е ж л и - нейная гибридизация), то наблюдается явление гетерозиса - повышенная жизнеспособность и плодовитость в первом поколении гибридов, которые постепенно снижаются. Гетерозис объясняется переходом большинства генов в гетерозиготное состояние. Межлинейная гибридизация позволяет повысить урожайность семян кукурузы на 20-30%. Явление гетерозиса у растений можно закрепить при вегетативном размножении (клубнями, черенками, луковицами и т. д.).
В последние годы получают целые растения (земляника, плодовые кустарники), стимулируя процессы деления клеток и кусочков тканей растений в культуре, - образуются клоны растений с одинаковым генотипом.
Отдаленная гибридизация позволяет сочетать в одном организме ценные признаки разных видов и даже родов. Она осуществляется с трудом, и межвидовые гибриды обычно бесплодны, так как затруднена конъюгация хромосом разных видов при мейозе. Преодолеть бесплодность межвидовых гибридов впервые удалось Г.Д. Карпеченко в 1924 г. Он получил гибрид редьки и капусты с диплоидным набором хромосом 18 (9 «редечных» и 9 «капустных»), который был совершенно бесплоден. Для преодоления бесплодия Карпеченко удвоил число хромосом каждого вида (получил полиплоидную форму гибрида), в результате чего в кариотипе оказалось 36 хромосом, по 18 «редечных» и «капустных». Это обеспечило возможность конъюгации гомологичных хромосом капусты с «капустными» и редьки с «редечными». Каждая гамета несла по одному набору хромосом капусты и редьки (9 + 9 = 18). В зиготе вновь оказывалось 36 хромосом. Полученный межвидовой гибрид стал плодовитым. Таким образом, полиплоидия является одним из способов восстановления плодовитости межвидовых гибридов у растений.
После получения гибридов производится искусственный отбор полученных форм. Он заключается в сохранении для размножения растений с желаемой комбинацией признаков. При массовом отборе выделяют группу особей с нужными признаками и получают потомство. При повторных посевах отбор приходится повторять, так как особи могут давать расщепление в потомстве. Индивидуальный отбор проводят для выделения форм с необходимыми признаками и выращивают потомков одной особи. При таком отборе результат достигается быстрее, но потомков получается значительно меньше. Индивидуальный отбор чаще проводят среди самоопыляющихся растений и получают чистые линии. Представители одной чистой линии имеют одинаковый генотип и дают ценный исходный материал для селекции.
Искусственный отбор на основе наследственной изменчивости является основным способом получения новых сортов растений. Однако не следует забывать, что на сорт влияет и естественный отбор. Естественный отбор действует одновременно с искусственным и повышает приспособленность растений к условиям среды. Вновь созданный сорт всегда является результатом деятельности человека и окружающей среды.
Селекционная работа имеет огромное народнохозяйственное значение. Замена малоурожайных сортов высокопродуктивными представляет собой один из основных путей повышения урожайности. Творческое использование всех методов селекционной работы позволяет добиваться больших успехов. Озимая пшеница Безостая 1, созданная академиком П.П. Лукьяненко, имеет высокую урожайность и отличные мукомольные качества. Работы по селекции пшеницы продолжаются, и уже созданы новые сорта (Аврора, Кавказ), урожайность которых достигает 100 ц/га. Высокоурожайные сорта пшеницы выведены и академиком В.В. Ремесло: Мироновская 264, Мироновская 808. Академиком Н.В. Цициным получен ценный гибрид пшеницы и ржи - тритикале. Гибрид высокоурожайный, он устойчив к неблагоприятным условиям среды и перспективен как кормовая и зерновая культура. Коллектив селекционеров, возглавляемый академиком В.С. Пустовойтом, добился увеличения содержания масла в семенах подсолнечника до 50% (исходные сорта содержали 32-33% масла). За последние годы благодаря созданию новых полиплоидных сортов (А.Н. Лутков, В.П. Зосимович) резко повысилась сахаристость и урожайность сахарной свеклы. М.И. Хаджиновым получены новые гибридные высокоурожайные сорта кукурузы. Большой вклад в селекцию растений внесли и белорусские ученые. Под руководством П.И. Альсмика выведены высокоурожайные сорта картофеля, районированные на территории Беларуси. Наиболее известные из них - Темп, Огонек, Ла- сунак. Значительный вклад в селекцию зерновых культур внес Н.Д. Мухин, льна - М.И. Афонин, многолетних трав - А.Л. Семенов. Генетика и селекция далеко еще не исчерпали всех возможностей повышения урожайности культурных растений.
СЕЛЕКЦИЯ ЖИВОТНЫХ
Основные принципы селекции животных не отличаются от принципов селекции растений. Новые породы животных получают на основе наследственной изменчивости путем искусственного отбора. Однако селекция животных имеет и некоторые особенности, вытекающие из природы организма животного:
+ животные, имеющие хозяйственное значение, размножаются только половым способом;
+ половая зрелость у животных наступает относительно поздно;
+ самки приносят немногочисленное потомство, что затрудняет и замедляет процесс селекции.
При селекционной работе с животными важное значение имеет учет экстерьерных признаков. Под экстерьером понимают совокупность наружных форм животных, их телосложение и соотношение частей тела. Разные породы животных неодинаково реагируют на изменения внешних условий. Так, у мясных пород крупного рогатого скота улучшение питания прежде всего сказывается на увеличении массы тела, а у молочных - на повышении удоя.
Исторически первым этапом в селекции животных следует считать их приручение, которое было в основном закончено 5-6 тыс. лет назад. Одомашнивание резко повышает изменчивость организмов и создает благоприятные условия для искусственного отбора. Приручение животных происходит и в настоящее время, например разведение пушных зверей в неволе.
Перед началом селекционной работы ставится определенная конечная цель, исходя из которой совершается подбор родительских пар. В подборе производителей важно учитывать их родословные, в которых должны быть отмечены экстерьерные особенности и продуктивность в течение ряда поколений. Скрещивание является основным способом получения разнообразия исходного материала при работе с животными.
Применяют, как правило, два типа скрещивания: неродственное (аутбридинг) и родственное (инбридинг).
Аутбридинг - скрещивание между особями одной или разных пород - при строгом отборе приводит к поддержанию свойств или улучшению их в ряду поколений гибридов.
Инбридинг - скрещивание особей одного поколения или родителей и потомства - применяется в том случае, когда хотят перевести большинство генов в гомозиготное состояние. При этом происходит закрепление хозяйственно ценных признаков. Однако при инбридинге часто наблюдается ослабление животных, уменьшение устойчивости к воздействию внешних факторов и заболеваниям. Чтобы этого избежать, проводят строгий отбор особей, обладающих нужными хозяйственными признаками. При селекционной работе близкородственное скрещивание обычно является лишь одним из этапов улучшения породы. За ним следует скрещивание разных линий, что переводит большинство генов в гетерозиготное состояние, при котором проявляется гетерозис (гибридная сила). Гетерозис широко используется в животноводстве и птицеводстве. Примером эффективного применения гетерозиса является выведение бройлерных цыплят.
При селекции домашних животных очень важно определить наследственные качества самцов по признакам, которые у них непосредственно не проявляются, например по количеству молока и жирномолочности у быков или яйценоскости у петухов. Для этого используется метод определения качества производителей по потомству. От производителя получают немногочисленное потомство и сравнивают его продуктивность с продуктивностью матерей и средней продуктивностью породы. Если продуктивность дочерей выше, чем матерей, то это говорит о большой ценности производителя, которого используют для дальнейшего улучшения породы. От хорошего самца можно получить большое потомство (от одного быка свыше 30 000 телят) с помощью искусственного осеменения. В последнее время эмбрионы ценных пород крупного рогатого скота получают в искусственных условиях (в пробирке), а затем вводят их в матку беспородных животных для дальнейшего развития. Проводится и клонирование ценных пород животных. Для этого из яйцеклетки удаляют ее гаплоидное ядро и вводят диплоидное ядро из соматической клетки особи ценной породы. Развивающиеся зиготы вводят в матку любой самки. Таким образом удается получить клон особей, одинаковых по генотипу. Перечисленные способы позволяют значительно ускорить селекционную работу.
Ценные породы домашних животных выведены академиком М.Ф. Ивановым, например белая украинская свинья, полученная в результате скрещивания маток местной породы с хряком английской белой с последующим жестким отбором, а также порода овец асканийский рамбулье с очень высоким настригом первоклассной шерсти. Высокой молочной продуктивностью характеризуется костромская порода крупного рогатого скота. В нашей республике большой вклад в селекцию крупного рогатого скота внес М.П. Гринь, а в свиноводство - В.Т. Горин. Например, крупный рогатый скот черно-пестрой породы может давать до 6 тыс. л молока в год при жирности свыше 3,5%, а свиньи черно-пестрой породы - ежесуточные привесы свыше 700 г.
Наряду с внутривидовой гибридизацией в животноводстве применяется и отдаленная гибридизация. Межвидовые гибриды животных, как и растений, в большинстве случаев бесплодны. С глубокой древности человек использует мула (гибрид кобылы с ослом). Мулы очень выносливы, обладают большой физической силой, значительной продолжительностью жизни, т. е. у них проявляется гетерозис, однако они бесплодны. В Казахстане в результате гибридизации тонкорунных овец с диким горным бараном архаром выведена новая порода тонкорунных овец - архаромеринос. Ведутся работы по гибридизации яка с крупным рогатым скотом. У гибридов самцы бесплодны, а самки плодовиты. Это открывает возможности скрещивания их с исходными видами с целью получения новой породы скота.
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ БИОТЕХНОЛОГИИ
Биотехнология - это использование человеком живых организмов и биологических процессов для промышленного получения продуктов.
Биотехнологические процессы применяются человеком с древних времен: молочно-кислые бактерии - для получения молочно-кислых продуктов, различные штаммы дрожжей - в виноделии, пивоварении, хлебопечении. Широкое распространение получили антибиотики (пенициллин, стрептомицин, эритромицин, тетрациклин и др.), выделяемые в промышленных установках различными видами грибов. Биотехнология - одно из ведущих направлений современной биологии.
Большую роль в жизни человека играют микроорганизмы, так как они способны производить жизненно важные продукты. Природные штаммы микроорганизмов в основном низкопродуктивны. Поэтому в микробиологической промышленности применяют селекционные методы: индуцированный мутагенез и искусственный отбор. Для получения мутаций используют ультрафиолетовые и рентгеновские лучи и химические мутагены. Применение мутагенных факторов и целенаправленного отбора позволило повысить продуктивность штаммов в сотни и тысячи раз.
Микроорганизмы отличаются тремя характерными особенностями, важными для производства:
+ содержат меньше генов, чем клетки высокоорганизованных видов;
+ очень быстро размножаются;
+ их геном гаплоидный, что позволяет проявляться фенотипически любой мутации уже в первом поколении.
Особенно интенсивно развивается микробиологическая промышленность в последнее время. В качестве питательной среды для бактерий начали использоваться непищевые продукты: жидкие парафины нефти, синтетические спирты, отходы деревообрабатывающей промышленности и др. Получаемые таким путем белково-витаминные препараты позволяют решить проблему нехватки кормового белка и повысить продуктивность животноводства. Кроме того, микробиологическая промышленность производит ферменты, антибиотики, гормоны, аминокислоты и другие лечебные препараты, необходимые человеку.
Для создания новых штаммов микроорганизмов в последнее время применяют генную инженерию - конструирование новых генетических структур по заранее намеченному плану. Возникновение генной инженерии стало возможным благодаря развитию молекулярной биологии, генетики, биохимии и микробиологии. На практике генная инженерия включает четыре основных этапа: + получение нужного гена (выделение природного или искусственный его синтез);
+ включение этого гена в молекулу ДНК-«переносчика» - получение рекомбинантной молекулы ДНК;
+ введение рекомбинантной ДНК в бактериальную клетку, где она встраивается в генетический аппарат;
+ отбор трансформированных клеток, в геном которых включен переносимый ген.
На основе генной инженерии можно наладить промышленное производство витаминов, аминокислот, ферментов, гормонов и т. д. В настоящее время уже освоено промышленное производство белка инсулина (гормона поджелудочной железы) для лечения диабета, соматотропина (гормона роста) и интерферонов - белков, подавляющих размножение вирусов.
Генная инженерия позволяет конструировать и эукариотические клетки с новой генетической программой. В настоящее время получают гибриды соматических клеток разных видов и даже клеток животных и растений. Созданы растения, способные усваивать атмосферный азот, что в будущем не только обогатит растительную пищу белками, но и сделает ненужным применение азотсодержащих удобрений и благоприятно скажется на чистоте окружающей среды.
Растения и животные, геном которых изменен введением чужеродных генов, называются трансгенными. Уже получены трансгенные мыши, кролики, овцы, свиньи и многие культурные растения, обладающие высокой продуктивностью и урожайностью. В настоящее время широко дискутируется вопрос о том, безопасно ли для человека употребление в пищу продуктов трансгенных растений и животных.
В будущем генная инженерия поможет человечеству избавиться от ряда наследственных болезней. В настоящее время в мире разрабатывается около 400 генно-инженерных проектов по лечению наследственной патологии человека.