Селекция - искусственная эволюция - НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ И ИЗМЕНЧИВОСТЬ

Постановка проблемы урока

Факт 1.Возраст человека разумного - 100 тысяч лет. За этот период может образоваться новый биологический вид.

Факт 2.Возраст одомашнивания собак - около 12 тысяч лет. За этот период человеком было создано около 400 пород собак, резко отличающихся как по размеру, так и по внешнему виду.

• Предложите проблему урока и сравните с вариантом авторов на с. 397.

Необходимые базовые знания

• Повторяем термины: селекция, сорт, порода, штамм, искусственный отбор, гибридизация. (9 класс)

• Какие факторы эволюции выделял Ч. Дарвин? (9 класс)

Решение проблемы

Селекция

• Что такое селекция?

Селекция— наука о создании искусственных разновидностей организмов: сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов. Слово “селекция” (лат.selectio) означает “отбор” — и действительно, в основе любого селекционного процесса лежит искусственный отбор. Отбирая для размножения лучшие экземпляры растений и животных, человек коренным образом изменяет диких родоначальников, создавая новые формы живых организмов. Сортрастений,породаживотных иштамммикроорганизмов — всё это созданные в результате селекции искусственные популяции организмов, устойчиво обладающих заданными наследственными свойствами.

Селекция как практическая деятельность

• Каковы результаты донаучного этапа селекции?

Селекция как род деятельности человека начала формироваться ещё на заре человеческой культуры. Все культурные разновидности произошли от диких предков. На первых порах люди просто отбирали особей, способных к существованию рядом с ними. Ухаживая за животными и растениями, человек заботился о сохранении и развитии нужных ему признаков, а не о приспособленности этих организмов к существованию в природе. Такой подход уже в начале окультуривания резко

увеличил разнообразие форм и снизил их приспособленность. Многие современные культурные формы изменены очень сильно: они приобрели и развили новые качества, но совсем утратили многие дикие признаки и возможность существования в природе.

Из растений первыми около 10 тыс. лет назад были введены в культуру хлебные злаки: ячмень, просо, сорго, рожь, рис и пшеница. Культуры подсолнечника и сахарной свёклы известны лишь с XIX в. Всего одомашнено не более 0,1% видов высших растений (рис. 35.1). Остальные виды хранят огромный запас генетической изменчивости, бесценный для селекционеров будущего.

35.1. Хронология возделывания культурных растений

Для выведения новых разновидностей необходимо было найти источники разнообразия признаков растений и животных, введённых в культуру. Выдающийся вклад в развитие представлений о центрах происхождения культурных растений внесли Николай Иванович Вавилов и его сотрудники. Они обследовали древние земледельческие цивилизации по всей планете и нашли основные центры происхождения культурных растений (рис. 35.2). Ими собрана богатейшая коллекция культурных растений и близких к ним видов, которая до сих пор служит основой для подбора признаков, используемых для выведения сортов с новыми свойствами. Образцы собранных ими семян постоянно пополняются, воспроизводятся на полях опытных станций и являются исходным материалом для селекционной работы.

35.2. Карта основных географических центров происхождения культурных растений

Первыми домашними животными около 10 тыс. лет назад стали собака, овца и коза, позднее — другие, всего около 20 видов из многих тысяч высших позвоночных животных (рис. 35.3).

Районы одомашнивания животных, как об этом можно судить на основании данных зоологов и археологов, связаны с центрами происхождения культурных растений. Так, в районе Южно-Азиатского тропического центра были одомашнены собака, свинья, куры, гуси, утки. В районах Западной Азии впервые были одомашнены овцы, а в Малой Азии — козы. Предок крупного рогатого скота тур был одомашнен в Европе, дикой лошади — в степях Причерноморья. В американских центрах происхождения растений были одомашнены лама, альпака, индейка.

35.3. Хронология одомашнивания, животных

Селекция развивалась с давних времён как вид практической деятельности человека (рис. 35.4). Благодаря ей были созданы важнейшие сорта и породы, которые позволили прокормить постоянно увеличивающееся население Земли. Изучение культурных разновидностей организмов и их диких предков сформировало базу для научного развития селекции.

Основы современной селекции

• На каких научных достижениях основано дальнейшее развитие селекции?

Мощный импульс для развития был дан теорией искусственного отбора Ч. Дарвина, объяснившего механизм создания сортов и пород. Не менее важную роль сыграло использование закономерностей наследования и изменчивости, открытых генетиками.

В основе теории биологической эволюции Ч. Дарвина и А. Уоллеса лежат три главных фактора: изменчивость, наследственность и естественный отбор. Соответственно, в рукотворной эволюции есть группа методов, усиливающих изменчивость и расширяющих исходный материал для селекции, и главный метод селекции —искусственный отбор,сокращающий и направляющий спектр изменчивости в желаемом направлении.

Искусственный отбор

• Какие тактики применяются при искусственном отборе?

Путём сознательного искусственного отбора селекционер добивается усиления полезных качеств и устойчивости их проявления. Выделяют два типа искусственного отбора: массовый и индивидуальный.

Массовый отборпроводится по внешним фенотипическим признакам. В каждом поколении для дальнейшего разведения сохраняют лучших производителей.

• Искусственный отбор использует в качестве материала изменчивость, свойственную виду. Не проще ли в таком случае вместо отбора просто дождаться, пока интересующая нас форма появится сама?

35.4. Последовательные стадии селекции трёх пород голубей: А — английского дутыша; Б — якобинца; В- веерного от дикого сизого голубя

Если вряду поколений происходит улучшение сорта или породы по признакам, по которым ведется селекция, значит, отбор был эффективен. Однако, как нам известно, не все признаки проявляются в фенотипе. Носители некоторых полезных свойств могут быть отбракованы при такой тактике отбора.

Прииндивидуальном отборекаждый потенциальный производитель исследуется более тщательно. От него получают потомство, в том числе путём инбридинга, и по нему оценивают качество генотипа. Таким образом, производителей отбирают по потомству, а затем оставляют лишь немногих для разведения в последующих поколениях. Точно так же иногда используют отдельных особей, не отличающихся особенным фенотипом, только потому, что они потомки выдающихся родителей и несут их гены. Индивидуальный отбор играет особенно важную роль в селекции самоопыляющихся растений (пшеница) и организмов, разведение которых в больших количествах слишком дорогое удовольствие (например, в коневодстве).

Гибридизация

• Для какой цели селекционеры используют метод гибридизации?

Дляцелей искусственного разведения необходимы совершенно иные комбинации признаков, чем те, что обеспечивают выживание и размножение в дикой природе. Совместить их позволяет искусственная гибридизация особей из разных популяций и подвидов (внутривидовая гибридизация), а также разных, не слишком удалённых друг от друга видов. Совмещение необходимых признаков в гибридном организме резко расширяет материал для селекции (рис. 35.5).

35.5. Русский чёрный терьер — порода служебных собак, выведенная во второй половине XX в. в СССР путём скрещивания ризеншнауцеров, эрдельтерьеров, ротвейлеров, ньюфаундлендов и др. пород

Внутривидовая гибридизация,как правило, не встречает препятствий. Она оказывается тем более эффективным методом, чем более полной коллекцией разновидностей располагает селекционер. Этот принцип особенно последовательно проводил в жизнь великий селекционер и генетик Н.И. Вавилов.

Для культурных растений особенно ценны признаки высокой урожайности, высокого содержания полезного продукта (например, сахара в сахарной свекле или сахарном тростнике), неполегаемости (что особенно важно при высокой урожайности), устойчивости к болезням, вредителям, засухе и т.п. Гены, определяющие эти признаки, “рассыпаны” в самых разных культурных и диких разновидностях. Задача селекционера — создать из них наиболее эффективный сорт, устойчивый в определённом районе возделывания и пригодный для используемых там методов агротехники.

Отдалённая гибридизация

• Как удалось преодолеть барьер нескрещиваемости видов?

Очень часто недостающий признак находится лишь у другого вида. Однакомежвидовая гибридизацияобычно трудно осуществима, поскольку самостоятельность видов обеспечивается репродуктивным барьером. При скрещивании образуются гибриды первого поколения, не способные к дальнейшему размножению. Хромосомы, доставшиеся им от отца и матери, не гомологичны. Они не могут конъюгировать в мейозе и поэтому не способны образовывать нормальные гаплоидные гаметы.

35.6. Получение межродового капустно-редечного гибрида при скрещивании редьки с капустой

• В чём различие близкородственной и отдалённой гибридизации? Каковы трудности последней?

Эту проблему сумел преодолеть соратник Н.И. Вавилова Г.Д. Карпеченко (1899 — 1942). Путём специального химического воздействия на гибридные растения капусты и редьки он стимулировал образование диплоидных гамет, которые дали полиплоидное потомство (рис. 35.6). У полиплоидных гибридов гаметогенез шёл обычным путём, так как в мейозе каждая хромосома находила себе пару для конъюгации и правильного редукционного деления. В результате каждая гамета включала гаплоидный набор обоих родительских видов. Так был введён в практику метод отдалённой гибридизации с получением плодовитых гибридов.

Инбридинг и гетерозис

• Какие практические выгоды приносит знание гомозиготности и гетерозиготности объектов селекции?

Дляполучения гомозиготных особей селекционеры применяют близкородственное скрещивание —инбридинг.

• Объясните самостоятельно генетический механизм этого явления.

С помощью инбридинга удаётся, например, размножить редкие гены(или вновьвозникшие мутации), обнаруженные у единичных особей. Инбридинг также позволяет получить фенотипы с проявлением рецессивных признаков, среди которых многие могут быть достойны внимания селекционера. Наконец, это способ получения чистых линий и выведения сортов с устойчивым проявлением полезных признаков.

• Вспомните, к каким нежелательным последствиям приводят близкородственные браки.

Чтобы избежать нежелательных последствий, чаще применяют инбридинг умеренной силы, особенно в животноводстве.

Гетерозис,или гибридная мощность, — противоположное явление. Это повышенная жизнеспособность и мощное развитие гибридов первого поколения от скрещивания отдалённых сортов. Классический пример гетерозиса при неродственном скрещивании — мул, гибрид осла и лошади. Это животное превосходит обоих родителей по силе и выносливости. Неприхотливых мулов широко используют в экстремальных условиях, например, в горах.

Причина гибридной мощности состоит в одновременном проявлении множества доминантных признаков и сложении их достоинств. Если вспомнить, что многие доминантные аллели определяют синтез определенных белков, а рецессивные — отсутствие их синтеза, то станет понятно, почему гибриды между чистыми линиями растений резко превосходят по урожайности и устойчивости к болезням каждый из родительских сортов.

Гибридная сила максимальна у первого поколения, а у последующих заметно сокращается. Практическое использование гетерозиса в растениеводстве широко распространено и выражается в получении гибридных сортов. В питомнике специально выводят и поддерживают инбредные линии путём многократного самоопыления (рис. 35.7). Скрещивая их, получают гибридные семена, которые распространяют по производящим хозяйствам. Садоводам и огородникам хорошо известны такие высокопродуктивные сорта томатов, огурцов, клубники, малины. При семенном размножении они вырождаются, но вегетативно (усами, черенками) их можно поддерживать многие годы.

35.7. Получение межлинейных гибридов при производстве семян кукурузы

Полиплоидия

• Какую практическую пользу приносит управление механизмами клеточного деления?

Установлено, что выделяемое из растений вещество колхицин блокирует деление клеток на стадии метафазы, препятствуя расхождению хромосом в дочерние клетки. Так можно искусственно удваивать хромосомные наборы и получать полиплоидных потомков.

Кратное увеличение числа хромосом тоже очень часто связано с увеличением мощности и, соответственно, продуктивности растений. В самом деле, двойная, тройная, четверная доза каждого гена приводит к более высокой продукции ферментов и строительных белков, а в результате — к более интенсивному росту. Поэтому неудивительно, что большая часть культурных растений либо полиплоиды по происхождению (полиплоидны их дикие предки), либо были созданы как полиплоидные сорта. Среди них сахарная свёкла, садовая земляника, пшеница и многие другие.

Искусственный мутагенез

• Как применяется возможность искусственно повысить частоту мутирования?

Искусственный мутагенез, т.е. контролируемый человеком процесс возникновения мутаций, применяется главным образом в селекции микроорганизмов. В качестве мутагенов используют различные виды ионизирующей радиации и некоторые химические соединения.

Этот метод оказывается очень эффективным благодаря быстрой смене поколений микроорганизмов и применяется в сочетании с тщательным отбором результатов. Мутантные культуры бактерий, грибов, водорослей широко используются в производстве лекарств, витаминов, биологически активных веществ, кормов для животных.

Мутагенное воздействие применяется и к растениям. Мутации увеличивают вероятность полезных изменений, которые затем служат материалом для гибридизации и отбора. Таким путём, например, созданы сорта пшеницы с крепким стеблем, устойчивым к штормовой погоде.

Обобщение новых знаний

Селекция - наука о создании сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов - искусственных популяций организмов, устойчиво обладающих заданными наследственными свойствами. Основные методы селекции: массовый и индивидуальный искусственный отбор, внутри- и межвидовая гибридизация, инбридинг, гетерозис, полиплоидия, искусственный мутагенез.

Селекция. Сорт, порода, штамм. Искусственный отбор.

Инбридинг и гетерозис

Применение знаний

1. Чем заняты селекционеры?

2. В чём польза гибридизации для селекции?

3. В чём кроется секрет высокой продуктивности гетерозисных гибридов и полиплоидных сортов?

4. Какую роль при выведении новых разновидностей играет искусственный отбор? Является ли он необходимым?

5. В чём состоит ценность для селекции знания центров происхождения и разнообразия культурных растений?

6. Чем селекция и её результаты отличаются от биологической эволюции в дикой природе?

7. Где одомашнены сорта растений и породы животных, которые использует в пищу ваша семья?