Лекция №16, №17 селекция растений животных, микроорганизмов (2)

Лекция №16
Селекция. Основные методы селекции
Селекция — наука, изучающая выведение новых и улучшения существующих
сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов.
Сорт, порода и штамм — устойчивая группа организмов, искусственно
созданная человеком и имеющая определенные наследственные особенности.
В настоящее время существует 4 метода современной селекции.
Методы современной селекции
Гибридизация
(скрещивание)
Отбор
Массовый
(искусственн
ый)
Индивидуаль
ный
Инбридингвнутривидовая
гибридизация
Аутбридингмежвидовая
гибридизация
Искусственный Биотехнология
мутагенез
химическ
ий
радиаци
онный
Клеточ
ная
инжене
рия
Генная
инженер
ия
Цели селекции:
1. высокая урожайность сортов растений, плодовитость и продуктивность пород
животных;
2. улучшение качества продукции (например, вкус, внешний вид плодов и
овощей, химический состав зерна — содержание белка, клейковины,
незаменимых аминокислот и т. д.);
3. физиологические свойства (скороспелость, засухоустойчивость, зимостойкость,
устойчивость к болезням, вредителям и неблагоприятным климатическим
условиям).
4. выведение стрессоустойчивых пород (для разведения в условиях большой
скученности — на птицефабриках, фермах и т. п.);
5. пушное звероводство;
6. рыбоводство — разведение рыбы в искусственных водоемах.
1
Селекция растений
Основной задачей селекции растений является повышение урожайности в
растениеводстве путем создания высокопродуктивных сортов культурных
растений. Одним из выдающихся селекционеров является Николай Иванович
Вавилов, на основании его исследований были выделены 8 центров
происхождения культурных растений (см. учебник стр. 123 конспект 8 центров
происхождения культурных растений) и был сформулирован Закон
гомологичных рядов формулировка закона «Все виды и сорта (роды) генетически
близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости»
наблюдается в основном у злаковых культур таких как пшеница, ячмень, кукуруза
и т.д. Так же с помощью исследований Н.И.Вавилова была собрана богатейшая
мировая коллекция культурных растений и их диких предков, которая является
для селекционеров ценным материалом
Культурные растения- Это растения которые выращиваются человеком для
получения нужных качеств и свойств.
Основными методами селекции растений являются:
I- отбор
II- гибридизация
III- искусственный мутагенез.
1. Отбор Различают два вида отбора:
Массовый (искусственный) отбор - Основан на выделении группы особей со
сходным фенотипом т.е благоприятными для человека признаками, таким
методом были выделены многие сорта кукурузы, ржи.
2
Индивидуальный отбор- применяется для выделения нового сорта и чистых
линий (т.е одного наиболее ценного признака, гена) таким образом выделяются
отдельные особи с нужными признаками для получения от них потомства.
Применяется с такими злаковыми культурами как ячмень, пшеница, рож и т.д
Гибридизация (скрещивание)
В селекции растений применяют 3 вида гибридизации:
1- Отдалённая гибридизация и Полиплоидия
2- Инбридинг Близкородственная гибридизация
3- Аутбридинг Межвидовая гибридизация
1- Отдалённая гибридизация и Полиплоидия – это скрещивание растений,
относящихся к разным видам. Но отдаленные гибриды обычно стерильны, так как
у них нарушается мейоз (два гаплоидных набора хромосом разных видов не
конъюгируют), и не образуются гаметы.
В 1924 году советский ученый Г.Д.Карпеченко получил плодовитый межродовой
гибрид. Он скрестил редьку (2n = 18 редечных хромосом) и капусту (2n = 18
капустных хромосом). У гибрида в диплоидном наборе было 18 хромосом: 9
редечных и 9 капустных, но при мейозе редечные и капустные хромосомы не
конъюгировали, гибрид был стерильным. С помощью колхицина (химического
мутагена) Г.Д.Карпеченко удалось удвоить 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.
3
Виды, у которых произошло объединение разных геномов в одном организме, а
затем их кратное увеличение, называются аллополиплоидами.
Такие растения отличаются крупными размерами, устойчивы к заболеванию и к
различным факторам окружающей среды.
Такой метод скрещивания применял выдающейся генетик Иван Владимирович
Мичурин, вывел около 300 плодово-ягодных сортов культурных растений, в
своих работах он применял скрещивание географически отдаленных форм.
Например была получена Груша Бере зимняя Мичурина это результат
скрещивания французской груши с дикой, результат- такая груша обладает
высокой морозостойкостью и хорошими вкусовыми качествами. Так же
Мичуриным был получен своеобразный гибрид вишни и черемухи — церападус, а
4
также гибрид терна и сливы, яблони и груши, персика и абрикоса и т.д
2- Инбридинг (от англ. in — в, внутри и breeding — разведение, размножение)
– это близкородственная гибридизация т.е скрещивание внутри одного сорта
растений. Применяется для усилений признаков. Такой вид гибридизации
Используют при самоопылении перекрестноопыляемых растений, например, для
получения чистых линий кукурузы. При этом подбирают такие растения, гибриды
которых дают максимальный эффект гетерозиса — т.е особи которые обладают
высокой жизненной силы, высокой плодовитостью например у кукурузы
образуют початки более крупные, чем початки родительских форм. От них
получают чистые линии — на протяжении ряда лет, производят принудительное
самоопыление — срывают метелки с выбранных растений и, когда появляются
рыльца пестиков, их опыляют пыльцой этого же растения. Изоляторами
предохраняют соцветия от попадания чужой пыльцы. У гибридов многие
рецессивные неблагоприятные гены при этом переходят в гомозиготное
5
состояние, и это приводит к снижению их жизнеспособности, к депрессии. Затем
скрещивают чистые линии между собой для получения гибридных семян, дающих
эффект гетерозиса. Недостаток этого метода в том что со временем теряют
жизненную силу т.е уже во втором поколении (F2) особи будут слабыми и
подвержены разного вида болезням.
3- Аутбридинг (от англ. out - вне и breeding - разведение) - это межвидовая
гибридизация т.е скрещивание организмов которые относятся к разным сортам
для получения полезных наследственных качеств. Этот метод активно
используется в селекции. Таким способом был получен сорт злаковых –
тритикале- такой гибрид обладает высокими хлебопекарными свойствами как у
пшеницы и может расти на неплодородной почве как рожь;
Йошта- гибрид чёрной смородины и
крыжовника
6
Грейпфурт- гибрид лимона и апельсина
III- искусственный мутагенез основан на открытии воздействия различных
излучений для получения мутаций и на использование химических
мутагенов(таких как кохицин который нарушает расхождение хромосом в метозе
и мейозе). Мутагены позволяют получить большой спектр разнообразных
мутаций, сейчас в мире созданы более тысячи сортов, ведущих родословную от
отдельных мутантных растений, полученных после воздействия мутагенами.
Например урожайные сорта ржи, гречихи, сахарной свёклы; новые сорта арбуза,
клубники и т.д
7
Лекция №17
СЕЛЕКЦИЯ ЖИВОТНЫХ
Селекция животных началась 20-30 тыс.лет назад до н.э. Процесс превращения
диких животных и растений в культурные формы называют доместикацией
(одомашниванием). В начале люди одомашнивали животных методом
бессознательного отбора т.е отбирали тех животных которые могли ужиться с
человеком, имели покладистый характер, были неприхотливы в содержании и
могли размножаться вне воле. Например, Тутовый Шелкопряд –представляет
бабочку из семейства настоящих шелкопрядов, данный вид используется при
производстве шёлка. Гусеница этой бабочки перед тем, как превратиться в
куколку плетёт коконы из непрерывной шёлковой нити длиной от 400 м. до 1,5
метров, в дальнейшем эту нить используют как сырьё для изготовления шёлка
(ценной ткани)
Со временем, примерно 8-9 тыс.лет назад до н.э человек начал отбирать уже тех
животных, которые удовлетворяли его потребности (крупный рогатый скот,
верблюды, дикие виды животных) именно с этих пор началась складываться
селекция животных. Все домашние животные произошли от диких предков.
8
Прежде других животных в середине каменного века была одомашнена собака;
предками ее являются волк и, возможно, шакал. В конце каменного века
одомашнены свинья, овца, коза, крупный рогатый скот, позднее — лошадь.
Свиньи происходят от диких европейских и азиатских кабанов, овцы — от диких
европейских овец, козы — от винторогого козла, крупный рогатый скот — от
тура, лошадь — от тарпана и лошади Пржевальского.
Домашние животные разводятся человеком с разными целями:
1-для получения продовольственных продуктов (мясо, молоко, яйца),
2- для промышленного сырья (шерсть, кожа, перо и др.), как тягловое и
транспортное сред­ство,
3- для удовлетворения многих других потребностей, в том числе эстетических.
Методы селекции животных
В настоящее время существуют следующие методы селекции животных:
I Гибридизация – у животных так же как и у растений используют следующие
виды скрещивания:
А) Инбридинг- скрещивание особей, имеющих общих предков. Общность
происхождения, родство скрещиваемых организмов увеличивают вероятность
присутствия одних и тех же аллелей любых генов. Это ведет к увеличению числа
гомозиготных организмов, что важно для сохранения признаков, ценных с
хозяйственной точки зрения. Недостаток метода- постепенная потеря
жизнеспособности гибридов начиная со второго поколения. Достоинствопроявление эффекта гетерозиса т.е полученные животные имеют ряд
преимуществ по сравнению с родительскими формами. Быстрее растут, дают
больше молока или мяса. К примеру, после скрещивания 2 мясных видов кур
получают бройлерных кур, способных эффективно набирать массу.
Б) Аутбритинг — неродственное скрещивание животных, относящихся к разным
породам и видам. Цель метода – создание новых пород, которые поддаются в
дальнейшем строгому отбору. С помощью аутбритинга получена немецкая
овчарка, которая используется во всех видах служб, отлично сложенная, легко
поддается дрессировке.
В) Отдаленная гибридизация- это скрещивание животных, относящихся к
отдаленных видам. Отдаленная гибридизация приводит к появлению новых
пород, которые часто стерильны (не могут иметь потомства). Примером такой
гибридизации может быть Мул – гибрид лошади и осла, имеет покладистый
9
характер как у лошади и выносливость как у осла.
Рыба «Бестер» - скрещивание белуги и стерляди, такая рыба быстро набирает вес
и имеет хорошие вкусовые качества.
II Искусственное осеменение — метод применяют для оплодотворения самок
семенем самых производительных самцов. Половые клетки сохраняют
жизнеспособность при низкой температуре длительное время.
В последнее время учёные пытаются использовать методы клеточной и генной
инженерии. Так в 1997 году в Англии учёным удалось клонировать овечку
«Долли»- было получено путём пересадки ядра соматической клетки в
цитоплазму яйцеклетки и в лабораторных условиях стали её подготавливать к
процессу оплодотворения. Со временем установили что «Долли» стала быстро
стареть и терять нужные свойства поэтому перспективность клонирования
животных осталось под сомнением, в следствии этого клеточная и генная
10
инженерия вызывает ряд сомнений у учёных т.к результаты могут быть
непредсказуемы, человек может создать таких существ которые могут быть
опасны для него самого.
СЕЛЕКЦИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ
Микроорганизмы (микробы) — бактерии, микроскопические грибы и
простейшие — играют важную роль в жизни природы и человека. Они
используются в разных областях промышленности (в хлебопечении и виноделии, в
производстве кормового белка, молочнокислых продуктов, антибиотиков,
витаминов, гормонов, аминокислот, ферментов), в сельском хозяйстве (при
производстве силоса), для биологической защиты растений и очистки сточных вод.
В связи с этим развивается промышленная микробиология и ведется интенсивная
селекционная работа по выведению новых штаммов микроорганизмов с
повышенной продуктивностью веществ, необходимых человеку.
11
Микроорганизмам свойственна наследственная изменчивость —мутации. С
помощью отбора мутаций создаются активные штаммы микроорганизмов, ценных
для человека. Штаммы- это культура определенного вида со специфическими
наследственными признаками. Особенно широко и успешно в создании новых
штаммов используется искусственный (индуцированный) мутагенез.
Путем обработки плесневых грибов актиномицетов мутагенами получают
различные антибиотики, используемые в медицине для спасения жизни людей при
самых различных заболеваниях. Искусственный мутагенез обеспечил создание
целого ряда высокопродуктивных штаммов микроорганизмов, вырабатывающих
витамины (например, витамины В2, В12), белки и аминокислоты намного
эффективнее, чем это делают их исходные формы.
На основе массового выращивания низших грибов и бактерий при создании
штаммов-продуцентов
производят
белково-витаминные
концентраты,
антибиотики, витамины, гормоны, аминокислоты и другие биологически активные
вещества.
Методы селекции микроорганизмов. Микроскопические размеры и огромная
скорость размножения микроорганизмов обусловливают разработку особых
методов, ускоряющих процесс получения новых высокопродуктивных штаммов.
В селекции микроорганизмов используют искусственный мутагенез (см.выше) и
биотехнологию (генная и клеточная инженерия)
Биотехнология (от греч. bios — «жизнь», techne— «мастерство» и logos —
«учение») - использование живых клеток и биологических процессов для
получения веществ, необходимых человеку. Генная и клеточная инженерия — это
два направления биотехнологии. Они имеют важное практическое значение в
микробиологической промышленности для синтеза биологически активных
веществ, нужных человеку.
Генная инженерия— это совокупность методов воздействия на ДНК,
позволяющих переносить наследственную информацию из одного организма в
другой. В частности, создаются новые комбинации генетического материала,
способного, размножаясь в клетке-хозяине, синтезировать вещества, которые
человек использует для своих нужд. (Новые комбинации генетического материала
сначала осуществляют in vitro, т. е. в пробирке. Путем гибридизации молекул ДНК
от разных одноклеточных организ­мов получают молекулы, в которых
содержатся новые, ранее отсутствовавшие в ней гены. Созданная таким
способом гибридная молекула ДНК затем вводится в клетку-хозяина (обычно
бактерий или дрожжей), которая после введения начинает синтезировать белок,
кодируемый этими генами). Поскольку бактерии размножаются очень быстро,
12
то таким способом удается получить сразу много идентичных копий от нужного
гена и, следовательно, путем биосинтеза создать много нужных человеку веществ
Один из методов генной инженерии, получивший развитие в наше время, —
создание гибридной (рекомбинантной) ДНК. Для этого ДНК одного организма
вводятся в клетки другого организма. Например, гены высших организмов вносят
в бактериальные клетки. Сначала ген, предназначенный к переносу, вводят в
кольцевую молекулу ДНК и сращивают с ней. Затем такая гибридная ДНК
помещается в бактериальную клетку, где ведет себя так же, как хромосома.
Новый ген в гибридной ДНК перед делением клетки реплицируется (удваивается)
вместе с бактериальной ДНК, а сама бактерия получает возможность
вырабатывать белок, кодируемый ее новой ДНК
13
Клеточная инженерия- это метод клонирования.
14
15