Методы селекции животных и растений в биологии: что это такое

Учение Н. И. Вавилова о центрах происхождения и многообразия культурных растений

Н. И. Вавилов (1887-1943)

Селекция — это наука о создании и улучшении существующих пород животных, разновидностей растений и штаммов микроорганизмов. Отбор основан на таких методах, как гибридизация и селекция. Теоретической основой селекции является генетика.

Для успешного решения проблем селекции академик Н.И. Вавилов подчеркнул важность:

1. Изучение разнообразия, видов и родового разнообразия интересующей нас культуры;
2. Влияние окружающей среды на развитие черт, интересующих фермера;
3. Изучение наследственной изменчивости;
4. Знание закономерностей наследования признаков во время гибридизации;
5. Особенности процесса размножения самоопылителей или перекрестных опылителей;
6. Стратегии искусственного отбора.

Расы, разновидности, штаммы — это искусственно созданные человеком популяции организмов с фиксированными наследственными характеристиками: продуктивностью, морфологическими, физиологическими характеристиками.

Каждая порода животных, сорт растений, штамм микроорганизмов адаптированы к определенным условиям, поэтому в каждом районе нашей страны есть испытательные станции специализированных сортов и хозяйств для сравнения и тестирования новых сортов и пород.

Для успешной работы селекционеру необходимо сортовое разнообразие исходного материала, для этого Н.И. Вавилов собрал коллекцию сортов культурных растений и их диких предков со всего мира. В 1940 году во Всесоюзном институте растениеводства было 300 тысяч образцов. Но с точки зрения лысенковщины, занимавшей в то время лидирующие позиции в биологической науке России и считавшей, что окружающая среда играет решающую роль в создании новых форм, эта коллекция была излишней. Работа по воссозданию коллекции приостановлена. В настоящее время коллекция восстанавливается и является базой для работы по селекции любой культуры.

Н.И. Вавилов создал очаги происхождения культурных растений, где обнаружено наибольшее разнообразие и сортовое разнообразие культурных растений.

Центры происхождения культурных растений (по Н.И. Вавилову).

Центры происхождения	Позиция	Культурные растения
1. Тропики Южной Азии 2. Восточная Азия 3. Юго-Западная Азия 4. Средиземноморье 5. Абиссинский 6. Центральная Америка 7. Южная Америка	Тропическая Индия, Индокитай, Юго-Восточная Азия Центральный и Восточный Китай, Япония, Корея, Тайвань Малая Азия, Средняя Азия, Иран, Афганистан, Юго-Западная Индия Страны на берегу Средиземного моря Абиссинское нагорье в Африке Южная Мексика Западное побережье Южной Америки	Рис, сахарный тростник, цитрусовые, баклажаны и т.д. (50% культурных растений) Соя, пшено, гречка, овощные культуры — слива, вишня и др. (20% культурных растений) Пшеница, рожь, бобовые, лен, конопля, репа, чеснок, виноград и т.д. (14% культурных растений) Капуста, сахарная свекла, оливки, клевер (11% культурных растений) Твердая пшеница, ячмень, кофейные растения, бананы, сорго Кукуруза, какао, тыква, табак, хлопок Картофель, ананас, хина.

Самыми богатыми по количеству культур являются древние центры цивилизации, именно там располагаются первые культуры земледелия, долгое время проводился искусственный отбор и селекция растений.

Основные методы селекции растений

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

1. Массовый отбор используется для отбора растений с перекрестным опылением, таких как рожь, кукуруза, подсолнечник. При этом выделяется группа растений с ценными признаками. В этом случае сорт представляет собой популяцию гетерозиготных особей, и каждое семя даже материнского растения имеет уникальный генотип. Массовый отбор сохраняет и улучшает сортовые качества, но результаты отбора нестабильны из-за случайного перекрестного опыления.

2. Индивидуальный отбор эффективен для самоопыляемых растений (пшеница, ячмень, горох). В этом случае потомство сохраняет признаки родительской формы, является гомозиготным и называется чистой линией. Чистая линия — это потомство самоопыляемой гомозиготной особи. У каждой особи тысячи генов, и поскольку происходят мутационные процессы, абсолютно гомозиготных особей в природе практически нет. Мутации чаще бывают рецессивными. Они попадают под контроль естественного и искусственного отбора только тогда, когда входят в гомозиготное состояние.

Рис. 339. Гетеротическая кукуруза в центре, чистые линии родительских форм слева и справа.

3. Инбридинг используется для самоопыления перекрестно опыляемых растений, например, для получения чистых линий кукурузы. При этом отбираются такие растения, гибриды которых дают максимальный эффект гетерозиса — витальности, образуют метелки крупнее метелок родительских форм. Из них получаются чистые линии — принудительное самоопыление проводится в течение ряда лет — собирают метелки с отобранных растений и при появлении рыльц пестиков опыляются пыльцой с того же растения. Изоляторы защищают соцветия от чужеродной пыльцы. У гибридов многие рецессивные неблагоприятные гены затем переходят в гомозиготное состояние, что приводит к снижению их жизнеспособности, к депрессии. Затем чистые линии скрещивают между собой для получения гибридных семян, дающих эффект гетерозиса.

Эффект гетерозиса объясняется двумя основными гипотезами. Гипотеза доминирования предполагает, что эффект гетерозиса зависит от количества доминантных генов в гомозиготном или гетерозиготном состоянии. Чем больше генов в генотипе в доминантном состоянии, тем больше эффект гетерозиса, и первое гибридное поколение дает прибавку урожая до 30% (рис. 339).

Гипотеза сверхдоминирования объясняет феномен гетерозиса из-за чрезмерного доминирования: иногда гетерозиготное состояние по одному или нескольким генам дает гибриду превосходство над родительскими формами по массе и продуктивности.

Но начиная со второго поколения эффект гетерозиса гасится, так как некоторые гены переходят в гомозиготное состояние.

Рис. 340. Диплоидные (2n = 16) и тетраплоидные (2n = 32) растения гречихи.

4. Перекрестное опыление самоопылителей позволяет сочетать свойства разных сортов. Рассмотрим, как это делается на практике при создании новых сортов пшеницы. С цветков растения одной разновидности снимают пыльники, растения другой разновидности кладут рядом с горшком с водой, а растения двух разновидностей накрывают общим изолятором. В результате получаются гибридные семена, сочетающие в себе необходимые селекционеру признаки разных сортов.

5. Весьма перспективен метод получения полиплоидов: у растений полиплоиды имеют большую массу вегетативных органов, имеют более крупные плоды и семена. Многие культуры являются естественными полиплоидами: созданы пшеница, картофель, полиплоидные сорта гречихи и сахарная свекла.

Виды, у которых один и тот же геном многократно размножается, называются автополиплоидами. Классический способ получения полиплоидов — обработка рассады колхицином. Это вещество блокирует образование микротрубочек веретена во время митоза, набор хромосом в клетках удваивается, и клетки становятся тетраплоидными (рис. 340).

6. Удаленная гибридизация — скрещивание растений, принадлежащих к разным видам. Но далекие гибриды обычно бесплодны, так как у них нарушен мейоз (два гаплоидных набора хромосом разных видов не конъюгированы) и гаметы не образуются.

В 1924 году советский ученый Г.Д. Карпеченко получил плодовитый межродовый гибрид. Он скрестил редис (2n = 18 редких хромосом) и капусту (2n = 18 хромосом капусты). Гибрид имел 18 хромосом в диплоидном наборе: 9 редких и 9 кочанов, но при мейозе хромосомы редкой и кочанной капусты не конъюгировались, гибрид был стерильным.

Карпеченко с помощью колхицина удалось удвоить хромосомный набор гибрида, полиплоид стал иметь 36 хромосом, при редком мейозе (9 + 9) хромосомы конъюгированы с редким, капуста (9 + 9) с капустой.

Восстановлена ​​фертильность. Таким образом были получены гибриды пшеница-рожь (тритикале), (рис. 341) гибриды пшеница-пшеница и т.д. Виды, у которых несколько геномов были объединены в организме и, следовательно, их многократное увеличение, называются аллополиплоидами.

Рис. 341. Восстановление плодовитости гибрида цветной капусты.

7. Использование соматических мутаций применимо для селекции вегетативно размножающихся растений, что было использовано в своей работе И. В. Мичуриным. Благодаря вегетативному размножению можно сохранить полезные соматические мутации. К тому же свойства многих сортов плодово-ягодных культур сохраняются только с помощью вегетативного размножения.

8. Экспериментальный мутагенез основан на открытии эффекта различных излучений для получения мутаций и на использовании химических мутагенов. Мутагены позволяют получить широкий спектр различных мутаций; в настоящее время во всем мире создано более тысячи разновидностей, определяющих генеалогию отдельных мутантных растений, полученных после воздействия мутагенов.

Многие методы селекции растений были предложены И. В. Мичуриным. С помощью метода наставника И.В. Мичурина постарались изменить свойства гибрида в нужном направлении. Например, если нужно было улучшить вкусовые качества гибрида, в его крону прививали черенки родительского организма с хорошими вкусовыми качествами; либо на пень прививали гибридное растение, в сторону которого нужно было изменить качества гибрида. И. В. Мичурин указал на возможность управления преобладанием некоторых признаков при развитии гибрида. Для этого на ранних этапах развития требуется воздействие определенных внешних факторов. Например, если гибриды выращивать в открытом грунте, на бедных почвах у них повышается морозостойкость.

Полиплоидия

Явление полиплоидии в селекции характерно для растений. В этом случае количество хромосом увеличивается в два, три и более раз. Это число или множественность называется плоидностью. Последнему подвержены как соматические, содержащие двойной набор хромосом, так и половые, имеющие только одну. Кроме того, гаплоидные (одиночные) клетки не имеют пары хромосом, идентичной соматическим (диплоидным).

Причины полиплоидии разные:

1. Смена температурного режима.
2. Радиация.
3. Нарушение расхождения хромосом при митотическом и мейотическом делении. Например, вместо клетки, содержащей генетический материал материнского и отцовского диплоида, образуется структура с тетраплоидным набором (содержащая двойные хромосомы).

Если количество хромосом превышает исходное в три и более раз, мы говорим о геномной мутации — эуплоидии. Сайты, отвечающие за передачу наследственной информации, могут множиться при скрещивании разных видов. Это аллополиплоидия. Последний направлен на создание новых культур. Полиплоидные организмы имеют большую массу и объем, но часто низкую плодовитость.

Основные методы селекции животных

Создание пород домашних животных началось после их приручения и приручения, начавшегося 10-12 тысяч лет назад. Содержание в неволе снижает эффект стабилизирующей формы естественного отбора. Различные формы искусственного отбора (сначала бессознательного, а затем методического) приводят к созданию целого ряда пород домашних животных.

В животноводстве, по сравнению с селекцией растений, есть ряд характеристик. Во-первых, для животных в основном характерно половое размножение, поэтому любая порода представляет собой сложную гетерозиготную систему. Оценка качеств самцов, не проявляющихся в них внешне (яйценоскость, жирность) оценивается по потомству и родословной. Во-вторых, они часто имеют позднюю зрелость, смена поколений происходит через несколько лет. В-третьих, детей мало.

Основные методы животноводства — гибридизация и селекция. Существуют одни и те же методы скрещивания — близкородственные, кровные и неродственные скрещивания — аутбридинг. Инбридинг, как и у растений, приводит к депрессии. Отбор от животных осуществляется по экстерьеру (некоторым параметрам внешнего строения), ведь именно он является критерием породы.

• Внутрипородное разведение направлено на сохранение и улучшение породы. Практически выражается в отборе лучших производителей, отбраковке особей, не соответствующих требованиям породы. На фермах ведутся пастбищные книги, отражающие родословную, внешний вид и продуктивность животных на протяжении многих поколений.
• Скрещивание используется для создания новой породы. При этом часто делают близкородственные скрещивания, скрещивают родителей с потомством, братьями и сестрами, это помогает получить большее количество особей с необходимыми свойствами. Инбридинг сопровождается строгим постоянным отбором, обычно получается несколько линий, затем скрещиваются несколько линий.

Хороший пример — выведенная академиком М.Ф. Ивановым порода свиней — украинская белая степь. При создании этой породы использовались местные украинские свиноматки с небольшой массой и некачественным мясом и салом, но хорошо адаптированные к местным условиям. Самцами размножения были белые английские кабаны. Гибридное потомство снова скрещено с английскими кабанами, инбридинг применялся в течение нескольких поколений, были получены чистые линии, при скрещивании были получены основоположники новой породы, не отличавшейся от английской породы по качеству мяса и весу, и от украинских свиней в сопротивлении.

• Использование эффекта гетерозиса. Часто при скрещивании в первом поколении проявляется эффект гетерозиса, гетеротические животные отличаются скороспелостью и повышенной мясной продуктивностью. Например, при скрещивании двух пород бройлеров получаются гетеротические бройлеры, при скрещивании пород свиней Беркшир и Дурокджерский получаются раннеспелые свиньи с большой массой и хорошим качеством мяса и сала.
• Тест на потомство проводится для отбора самцов, не проявляющих определенных качеств (молочное и жирное молоко быков, яйценоскость самцов). Для этого производителей мужского пола скрещивают с разными самками, оценивают продуктивность и другие качества дочерей, сравнивая их с материнскими и средними.
• Искусственное оплодотворение используется для получения потомства от лучших производителей-самцов, тем более что половые клетки можно хранить при температуре жидкого азота в любое время.
• С помощью гормональной суперовуляции и трансплантации десятки эмбрионов в год могут быть взяты от исключительных коров и затем имплантированы другим коровам. Эмбрионы также хранятся при температуре жидкого азота. Это позволяет в несколько раз увеличить количество потомков исключительных производителей.
• Дистанционная гибридизация, межвидовое скрещивание известно с древних времен. Чаще всего межвидовые гибриды бесплодны, у них нарушается мейоз, что приводит к нарушению гаметогенеза. С давних времен в народе используется гибрид кобылы с ослом — мул, отличающийся выносливостью и долголетием. Но иногда гаметогенез у далеких гибридов протекает нормально, что позволило получить ценные новые расы животных. Примером может служить архаромерино, который, как и архар, может пастись в высоких горах и, как меринос, дает хорошую шерсть. Плодородные гибриды были получены от скрещивания местного скота с яками и зебу. При скрещивании белуги и стерляди получен плодородный гибрид — бестер, хорька и норка — хонорик, продуктивен гибрид карпа и карася.

Селекция микроорганизмов. Биотехнология

Традиционный отбор микроорганизмов (в основном бактерий и грибов) основан на экспериментальном мутагенезе и на отборе наиболее продуктивных штаммов. Но и здесь есть свои особенности. Геном бактерий гаплоидный, любые мутации появляются уже в первом поколении. Хотя вероятность естественного возникновения мутации у микроорганизмов такая же, как и у всех других организмов (1 мутация на 1 миллион особей для каждого гена), очень высокая скорость воспроизводства позволяет найти полезную мутацию для гена, интересующего исследователя.

В результате искусственного мутагенеза и отбора продуктивность штаммов гриба penicillus была увеличена более чем в 1000 раз. Микробиологические продукты используются в хлебопечении, пивоварении, виноделии и приготовлении многих молочных продуктов. С помощью микробиологической промышленности получают антибиотики, аминокислоты, белки, гормоны, различные ферменты, витамины и многое другое.

Микроорганизмы используются для биологической очистки сточных вод, улучшая качество почвы. В настоящее время методы получения марганца, меди, хрома разработаны при освоении старых шахтных полигонов с использованием бактерий, где традиционные методы извлечения экономически невыгодны.

Биотехнология — это использование живых организмов и их биологических процессов в производстве необходимых человеку веществ. Объектами биотехнологии являются бактерии, грибы, клетки тканей растений и животных. Их выращивают на питательных средах в специальных биореакторах.

Самыми современными методами отбора микроорганизмов, растений и животных являются клеточная, хромосомная и генная инженерия.

Генная инженерия

Методы основаны на выделении желаемого гена из генома одного организма и введении его в геном другого организма. «Нарезка» генов осуществляется специальными «генетическими ножницами», ферменты — ферменты рестрикции, затем ген вшивается в вектор — плазмиду, с помощью которой ген внедряется в бактерию (рис. 342). Сшивание производится с помощью другой группы ферментов — лигаз. Кроме того, вектор должен содержать все необходимое для контроля функционирования этого гена: промотор, терминатор, ген-оператор и ген-регулятор. Кроме того, вектор должен содержать гены-маркеры, которые придают клетке-реципиенту новые свойства, позволяющие отличать эту клетку от исходных клеток. Затем вектор вводится в бактерию, и на последнем этапе отбираются те бактерии, у которых введенные гены успешно работают.

Рис. 342. Образование рекомбинантных плазмид.

Любимый объект генных инженеров — кишечная палочка, бактерия, обитающая в кишечнике человека. Именно с его помощью получают гормон роста — соматотропин, гормон инсулин, который ранее получали из поджелудочной железы коров и свиней, белок интерферон, помогающий справиться с вирусной инфекцией.

Второй способ — это синтез гена искусственным путем. Для этого используется мРНК, с помощью фермента обратной транскриптазы на мРНК синтезируется ДНК.

Методы хромосомной инженерии.

Одна группа методов основана на введении в генотип растительного организма пары чужеродных гомологичных хромосом, контролирующих развитие желаемых признаков, или на замене одной пары гомологичных хромосом на другую. На этом основаны методы получения замещенных и дополненных линий, с помощью которых у растений собираются признаки, приближающие их к созданию «идеального сорта».

Очень перспективен гаплоидный метод, основанный на выращивании гаплоидных растений с последующим удвоением хромосом. Например, из зерен пыльцы кукурузы выращивают гаплоидные растения, содержащие 10 хромосом, затем хромосомы удваиваются и диплоидны (10 пар хромосом), полностью гомозиготные растения получаются всего за 2 или 3 года вместо 6-8 лет инбридинга. Это также включает производство полиплоидных растений в результате многократного увеличения хромосом.

Селекция микроорганизмов

Роль микроорганизмов в хозяйственной деятельности человека: производство десятков видов органических веществ: аминокислот, нуклеиновых кислот, белков, липидов, сахаров, ферментов, пигментов, антибиотиков, витаминов и др.

Особенности выделения микроорганизмов:

• заводчик для работы имеет неограниченное количество микроорганизмов, выращенных на питательных средах;
• микроорганизмы содержат значительно меньше генов, чем клетки высокоорганизованных видов;
• иметь простую регуляцию активности генов;
• они очень быстро размножаются;
• их гаплоидный геном позволяет любой мутации фенотипически проявляться уже в первом поколении.

♦ Основные методы отбора микроорганизмов:

• индуцированный мутагенез (для получения мутаций используются ионизирующее излучение и химические мутагены); вероятность мутаций у микроорганизмов в 100-10000 раз ниже, чем у других организмов, но вероятность выделения мутаций для конкретного гена в сотни тысяч и более раз выше; для выявления мутаций используются селективные среды, на которых растут мутанты и гибнут немутантные (дикие) клетки;
• рекомбинация генов: конъюгация (обмен генетическим материалом между бактериями), трансдукция (перенос гена от одной бактерии к другой с помощью бактериофагов), трансформация (перенос ДНК из одной изолированной клетки в другую), амплификация (увеличение числа копии желаемого гена);
• гибридизация различных бактериальных штаммов путем слияния их протопластов;
• искусственный отбор по продуктивности и технологическим свойствам.

Мутагенез

Метод, сопровождающийся изменением структуры генов организма при мутагенном воздействии. Различают спонтанное и индуцированное, они оба работают, повреждая ДНК. Факторы, вносящие дефекты в генетический аппарат, называются мутагенами и приводят к мутациям (перестройкам генов).

Механизмы индукции: апуринизация, дезаминирование, образование димеров тимина.

Мутанты отбираются на основе мониторинга и фенотипических параметров. В первом случае селекционеры проводят количественное исследование нового параметра среди организмов, подверженных мутагенному воздействию. Во втором учитывается фенотип, развившийся в результате действия мутагена: ауксотрофия, резистентность и т.д.

Отбор

Сравнительные особенности естественного и искусственного отбора, их различия и сходства приведены в таблице.

Критерии	Искусственный отбор	Естественный отбор
Ссылка для выбора	Проводит заводчик	Осуществляется под воздействием окружающей среды
Ценные особенности	Намечено, закреплено	Улучшается в процессе эволюции, наследственная передача
Роль материала	Индивидуальный знак или знаки	Индивидуальный знак или знаки
Функции без значения	Отклонено в процессе отбора	Убийство в борьбе за существование
Основные задачи, диктующие необходимость выбора	Сохранение полезных для человека свойств	Адаптация растения, животного, микроорганизма к меняющимся условиям существования
Цель выбора	Получение новых штаммов, сортов, пород	Видообразование
Форма выбора	Индивидуально проводится; осуществляется в больших количествах; бессознательное (спонтанное); методичный (сознательный)	При изменении внешних условий он движется, в постоянных условиях стремится сохранить и закрепить характеристику: стабилизировать.

Массовый отбор сопровождается изоляцией организмов, влияющих на человека по внешним фенотипическим параметрам. Генотип в этом случае не учитывается. Этот метод используется с давних времен, благодаря сохранению генетической стабильности пород и сортов на протяжении нескольких лет. Это позволяет создавать сорта с высокими урожаями.

Если отбор проводится с учетом влияния генотипа — совокупности генов организма, говорят об индивидуальном отборе. Фенотип здесь не рассматривается, основное внимание уделяется проявлению признака в поколениях. Подсчет потомства — необходимый метод индивидуального отбора.

Гибридизация

Может быть двух видов: межвидовой и внутривидовой.

Межвидовая

Совершается несвязанный переход. Здесь используются особи разных видов или разновидностей для получения необходимого набора морфологических характеристик. Это создает новую популяцию, сочетающую в себе лучшие качества обеих сторон. На основе этого метода можно вывести новые виды с улучшенными свойствами.

Идет отдаленная гибридизация, здесь организмы относятся к разным видам или родам. Такое скрещивание в некоторых случаях может привести к бесплодию потомства. Примером мула является гибрид зебры и лошади.

Внутривидовая

Инбридинг используется для закрепления полезных свойств. Последнее подразумевает скрещивание представителей близкородственных линий с лучшими генотипами (идентифицируются индивидуально). У таких организмов есть родственный набор аллелей.

Гомологические аллели приводят к гетерозису, явлению гибридной силы, которое проявляется в дочерних линиях. Скрещивание родственных видов преследует цель сохранения генотипа популяции, необходимого для закрепления полезных признаков.