Методы селекции растений и животных. Центры происхождения культурных растений. Особенности селекции грибов и микроорганизмов

Цель урока:

· Обуч: Познакомить с такими методами селекции организмов, как гибридизация, мутагенез, полиплоидия, методом преодоления бесплодия у межвидовых гибридов. Изучить центры происхождения культурных растений.

· Воспит. Воспитывать уважение и развивать интерес к работе селекционеров.

· Развив. Развивать навыки самостоятельной работы с учебником, при заполнении таблицы; находить главное, делать выводы, развивать логическое мышление.

Методы активизации мыслительной деятельности 3-5 мин.

Орг. момент. План урока.

Методы контроля знаний (опрос) 5-7 мин.

Р. Т. № 161-164.

Основная часть (изучение нового материала).

Кроме массового и индивидуального отбора в селекции применяется метод гибридизации. Гибридизацией называют скрещивание организмов с различной наследственностью.

Инбридинг - близкородственное скрещивание. Степень родства при инбридинге может быть различной. Максимальный инбридинг имеет место у самоопыляемых видов. В практике сельского хозяйства инбридинг применяют для достижения двух противоположных целей:

1. При проведении близкородственного скрещивания отрицательные рецессивные гены имеют больше шансов проявиться. По сути возвратное скрещивание (дети и родители) можно считать разновидностью инбридинга. Скрещивание анализирующее, с рецессивной гомозиготой, преследует те же цели. Благодаря инбридингу удается наилучшим образом оценить генотип производителя и избежать проявления отрицательных рецессивных признаков в следующих поколениях.

2. Инбридинг умеренный (скрещивание более дальних родственников, чем дети и родители) часто применяется для увеличения числа особей с полезными признаками. А уже затем проводят дальнейшую селекцию, используя достаточное количество полученных таким образом организмов.

При гибридизации для первого поколения гибридов часто характерен гетерозис. Гетерозис - это всплеск гибридной мощности: увеличение продуктивности, жизнеспособности, плодовитости и лучшей приспосабливаемостью гибридов. Такое явление возникает у гибридов первого поколения при скрещивании неродственных форм (разные породы, сорта или виды). В следующих поколениях эффект гетерозиса снижается, и особи уже не отличаются хорошими качествами по сравнению с предшественниками. Поэтому гетерозисные гибриды как правило, не используют при племенном разведении или получе-,001 семян. Таким методом удалось получить высокопродуктивные гибриды свиней. Шире, чем в животноводстве, гетерозис применяется в растениеводстве. Особенно интересны опыты по скрещиванию различных линий кукурузы, сорго, лука, свеклы, огурцов и др.

Мутагенез в селекции используют для получения перспективных мутантов микроорганизмов, растений и животных.

Направленный мутагенез— процесс сознательного повышения количества мутаций. Этот метод используется для последующего отбора мутантных особей, обладающих ценными признаками. Большинство мутаций вредны. В экспериментах по искусственному мутагенезу отбраковывается большое количество особей. Но небольшая часть подвергшихся воздействию мутагенов особей обязательно приобретет мутации, приводящие к появлению ценных, полезных качеств.

Особи, имеющие в своем генотипе полезные мутации, скрещиваются. И все большее количество их потомков начинает обладать полезными мутантными признаками.

Если рассматривать искусственный мутагенез и его селекционную эффективность в зависимости от типа живых организмов, используемых в экспериментах, мы получим следующую картину.

1. Самым эффективным объектом для этого метода будут микроорганизмы и грибы. Именно благодаря направленному мутагенезу удалось получить эффективные штаммы пеницилла, некоторых винных дрожжей и многих бактерий.

2. Несколько меньшую, но все же высокую эффективность имеет этот метод и в селекции растений. Мутагенез применялся на разных этапах при создании более 1 000 сортов.

3. В селекции животных этот метод применяется редко из-за больших сроков (несколько лет) ожидания потомства и большого количества отбракованных с отрицательными мутациями особей.

Полиплоидия - кратное увеличение числа хромосом у особей в результате направленного мутагенеза. В принципе полиплоидия является результатом мутагенеза, но ее зачастую выделяют в отдельный метод из-за характерных отличий. Как правило, полиплоидные особи растений, у которых увеличено число хромосом, обладают большей вегетативной массой. Так были созданы очень многие сорта пшеницы, гречихи, кукурузы. У полиплоидов количество хромосом может увеличиваться по-разному. Может происходить увеличение на несколько штук. Чаще всего происходит кратное увеличение в 2 или 3 раза. Реже встречаются тетраплоиды — увеличение в 4 раза.

У животных полиплоидные особи редко жизнеспособны. Поэтому методы, вызывающие полиплоидию, успешно применяются, в основном, в селекции растений и микроорганизмов.

Отдаленную гибридизацию подразделяют на межвидовую и межродовую. В природе появление межвидовых гибридов либо вообще невозможно, либо большинство появившихся в результате этого процесса особей бесплодны. Для получения эффективных межвидовых гибридов селекционеры использовали многие методы.

И. В. Мичурин для преодоления межвидовой нескрещиваемости некоторых плодово-ягодных культур применял следующие методы.

1. Метод опыления смесью пыльцы. Желаемое растение опыляется смесью убитой нагреванием пыльцы своего вида (сорта) и живой пыльцой другого вида (или сорта). «Собственная» недееспособная пыльца добавляется, чтобы не вызывать реакции блокады пыльцевой трубки при опылении чужеродной пыльцой.

2. Метод посредника. Сначала получали гибриды от скрешивания двух более близких видов, потом с ними скрещивали третий дальнеродственный вид. Таким образом, в одном генотипе совмещались гены трех групп организмов.

3. Метод предварительного вегетативного сближения. В крону одного из сортов садовых растений (привой) Мичурин прививал веточку другого сорта (подвой). После подобной манипуляции в некоторых случаях пыльца привоя легко прорастала в пестик подвоя или наоборот.

4. Метод ментора не связан непосредственно с успехами гибридизации и применялся, когда гибриды уже были созданы, но имели не удовлетворительные вкусовые качества. В крону гибрида прививали веточку того родителя, который обладал хорошими вкусовыми качествами. Если у гибрида была недостаточная холодоустойчивость, прививали веточку холодоустойчивого родителя.

Некоторые сорта, созданные И. В. Мичуриным, были недостаточно устойчивы генетически и поэтому сохраняли свои качества при вегетативном размножении, но теряли их при семенном размножении.

Преодоление межвидовых барьеров полиплоидизацией. В 1924-1925 гг. советский генетик Г. Д. Карпеченко смог преодолеть межвидовую нескрещиваемость, создав капустно-редечный гибрид на основе полиплоидизации. Провести опыление редьки и капусты довольно легко. Но эффект будет таким же, как и от скрещивания осла и лошади. Родившийся потомок (мул) — гибрид — будет жизнеспособен, но бесплоден. Ведь хромосомы лошади не могут конъюгировать с хромосомами осла (как и хромосомы редьки - с хромосомами капусты). Чтобы решить эту задачу, Г. Д. Карпеченко получил диплоидные гаметы редьки и капусты и тетраплоидную зиготу. Таким образом, мейоз у этого гибрида шел нормально. Во время профазы хромосомы капусты конъюгировали между собой, а редьки — между собой. Такой путь сделал возможным и другие межвидовые скрещивания. Позднее этим же методом был получен гибрид ржи и пшеницы — тритикале, превосходящий по ценным хозяйственным свойствам обоих родителей.

Таким образом, основными методами селекции являются отбор, гибридизация с применением гетерозиса, направленный мутагенез и полиплоидия.

Особенности селекции грибов и микроорганизмов.

Одним из важных разделов селекции было учение о предковых формах. Ведущая роль в его разработке принадлежит выдающемуся русскому ученому-генетику Николаю Ивановичу Вавилову. Вместе с сотрудниками он осуществил в 20—30-е годы XX в. более 60 экспедиций в разные уголки мира. Собранный в ходе этих исследований материал представлял собой предков культурных растений со всех континентов, кроме Австралии. Коллекция семенного материала, всевозможных исходных диких форм стала одним из результатов этих многолетних исследований. Она сохранилась и сейчас находится в Санкт-Петербурге, в Институте растениеводства. Коллектив института сберег этот бесценный генетический материал во время ленинградской блокады в 1942-1943 гг. Погибая от голода, сотрудники института, тем не менее, оставили коллекцию семян нетронутой. Сейчас эта коллекция насчитывает более 300 тыс. экземпляров. Чтобы сохранить семена жизнеспособными, часть коллекционного материала постоянно пересевается, таким образом самовозобновляется. Уже в 60-70-е гг. XX в. этот материал был использован для создания высокопродуктивных сортов, благодаря которым удалось частично решить проблему голода во многих странах Юго-Восточной Азии, например, в Индии. И сегодня многие селекционеры России и мира пользуются этим бесценным генетическим материалом в своих работах.

Другим, не менее важным, результатом этой деятельности Н.И. Вавилова стало учение о мировых центрах происхождения культурных растений и их географическом распространении. Н. И. Вавилов руководствовался принципом, согласно которому возникновение того или иного сорта предполагалось там, где было найдено больше всего родственных ему диких видов растений. Подвергая комплексному анализу весь постепенно скопившийся после экспедиций материал, ученый установил, что на Земле существовало восемь мировых центров, в которых и зародились основные виды культурных растений. Позднее эти данные были систематизированы и перепроверены, и в более поздних вариантах выделяют уже семь центров, которые признаны современной наукой.

Центры одомашнивания животных тоже совпадают с районами древних цивилизаций, как и центры происхождения культурных растений. Выделяют шесть центров одомашнивания.

Название центра	Географическое положение		Созданные сорта
Южноазиатский тропический	Индия, Индокитай, Тропическая Азия	50	Рис, сахарный тростник, множество плодовых и овощных культур
Восточноазиатский	Центральный и Восточный Китай, Япония, о. Тайвань, Корея	20	Соя, просо, плодовые и овощные культуры
Юго-Западноазиатский	Малая Азия, Средняя Азия, Иран, Афганистан, Северо-Западная Индия	14	Пшеница, рожь, многие зерновые, бобовые, виноград, плодовые культуры
Средиземноморский	Страны, расположенные по берегам Средиземного моря	11	Многие кормовые растения (клевер, одноцветковая чечевица), многие овощные культуры и маслины
Абиссинский	Небольшой район африканского материка	1	Зерновое сорго, 1 вид бананов, масличное растение нут, особые формы пшеницы
Центральноамериканский	Южная Мексика	3	Кукуруза, длинноволокнистый хлопчатник, какао, род тыквенных, фасоль
Андский (Южноамериканский)	Часть района Андского горного хребта вдоль западного побережья Южной Америки	1	Многие клубненосные растения, такие как картофель, некоторые лекарственные растения (хинное)

Происхождение домашних животных

Центры одомашнивания

Название центра	Географическое положение	Домашние животные
Китайско-Малайский	Вьетнам, Лаос, Таиланд, Восточный Китай	Свинья, куры, утка, тутовый шелкопряд
Индостанский	Индия, Северный Пакистан, Бирма, Непал	Буйвол, собака, павлин, куры, сиамская кошка, пчела
Юго-западноазиатский	Северная и Восточная Турция, Сирия, Иран, Ирак, Кавказ, Афганистан	Крупный рогатый скот, лошадь, овца, коза, одногорбый верблюд, свинья, голубь
Средиземноморский	Страны Средиземноморья	Крупный рогатый скот, лошадь, овца, свинья, утка, нильский гусь, кролик
Южно-американский	Южная Америка вдоль западного побережья	Лама, альпака, индейка, морская свинка
Африканский	Страны Северной и Восточной Африки	Страус, цесарки, кошка, собака, осел, свинья

Особенности селекции грибов и микроорганизмов. Биотехнология. Многие грибы, и не только шляпочные, широко используются и культивируются человеком. Все нешляпочные грибы, используемые людьми, можно поделить на две большие группы:

1) плесневые грибы, используемые для получения антибиотиков, в частности пенициллина;

2) дрожжи.

Из одноклеточных микроорганизмов широко используются бактерии. С их помощью можно получать различные витамины, ферменты и многое другое.

Главной особенностью селекции микроорганизмов является именно то, что в короткий срок удается получить большое количество особей и поколений. Ведь бактериальная клетка при благоприятных условиях размножается каждые 20 мин. В течение одного рабочего дня в лаборатории удается поставить эксперименты и отследить их результаты на многих поколениях. Для проведения такого же рода исследований на однолетних растениях понадобились бы многие годы и большие финансовые вложения. Именно поэтому одним из основных методов селекции этих групп организмов является искусственный мутагенез и последующий отбор. Таким методом удалось получить новые штаммы плесневых грибов, продуцирующих в 1 000 раз больше антибиотика пенициллина, чем их дикие предки. Следует оценить и относительную дешевизну подобных исследований, так как грибы и микроорганизмы хорошо размножаются в пробирках, в лабораторных условиях, на недорогих питательных средах и относительно доступных ферментах. Главным условием удачной постановки экспериментов являются стерильность, аккуратность и выверенность. Необходимо также и соответствующее оборудование, позволяющее работать с клеточными культурами.

Еще одной особенностью селекции грибов и микроорганизмов является метод подбора питательных сред. Он используется, когда необходимо получить штаммы, устойчивые к тому или иному фактору среды. Так, если необходимо получить штаммы, устойчивые к засолению, в питательной среде повышают концентрацию поваренной соли и отбирают особей, проявляющих к ней толерантность (терпимость). Так были созданы штаммы винных бактерий, выдерживающие концентрацию спирта до 16%, что позволило производить крепкие ликерные вина в промышленных масштабах, используя только чистый фруктовый или виноградный сок, без добавления спирта. В домашних условиях получить вино крепостью выше 12% не удается, так как используемые дикие штаммы бактерий, содержащиеся на поверхности немытых плодов, погибают именно при такой концентрации, и брожение прекращается.

Часто штаммы микроорганизмов, полученные в одной стране, плохо проявляют себя в другой. Подобное возможно из-за незначительных, на наш взгляд, изменений условий окружающей среды, на которые реагируют чувствительные микроорганизмы. Так, завезенные в Костанайскую область из Германии штаммы железобактерий, осуществляющие одну из ступеней переработки железной руды, оказались малоэффективными.

Сейчас созданы многие уникальные штаммы бактерий и грибов, используемые в производстве кисломолочных продуктов высочайшего качества, способные не терять своих свойств на протяжении многих месяцев, подавляя жизнедеятельность гнилостных микроорганизмов.

Большие успехи были достигнуты казахстанскими учеными. Академик НАН РК профессор А. Н. Илялетдинов возглавляет и развивает в Казахстане два научных направления: роль микроорганизмов в круговороте органических и минеральных веществ в природе и использование деятельности микроорганизмов в кормопроизводстве. Профессор Д. Л. Шамис (1902-1972) развил в Казахстане ряд направлений, связанных с использованием микроорганизмов и физиологически активных веществ микробного происхождения в медицине, легкой и пищевой промышленности и в сельском хозяйстве.

Академик НАН РК профессор М. X. Шигаева создала в Казахстане научное направление по генетике и селекции микроорганизмов, используемых для получения антибиотических и кормовых препаратов, а также в хлебопекарной и молочной промышленности.

В Казахстане создано одно из крупнейших в мире микробиологических производств - завод «Прогресс» (г. Степногорск Акмолинской области), который выпускает в год десятки тысяч тонн аминокислот, витаминов, белковых и инсектицидных микробных препаратов для сельского хозяйства.

Биотехнология — использование биологических процессов и живых организмов в промышленном производстве. Это относительно молодая отрасль человеческих знаний. Сам термин введен в 70-е гг. XX в., хотя использование дрожжей и бактерий в пивоварении, сыроварении, виноделии и хлебопечении практиковалось с древних времен.

Наряду с отраслями биотехнологии, которые имеют солидную историю, в настоящее время получили сильнейшее развитие ее новые отрасли, такие как генная инженерия, клеточная инженерия и ферментная инженерия. Генная инженерия была создана лишь в последней четверти XX в., но тем не менее успехи ее очень велики. В настоящее время созданы штаммы микроорганизмов, благодаря которым ежегодно выпускаются сотни тонн интерферона, инсулина, соматотропина и других человеческих гормонов. Методами генной инженерии созданы растения картофеля, которые не повреждаются колорадским жуком. Имеются успешные опыты по лечению наследственных болезней человека.

Благодаря методам клеточной инженерии был достигнут прогресс в клонировании млекопитающих. После овечки Долли получены клоны различных домашних животных (рис 91). В Америке существует фирма, которая берет заказы на клонирование умерших домашних Животных. Путем слияния клеток растений получены межвидовые и межродовые гибриды. Слиянием раковой клетки, способной к неограниченному размножению, и клетки лимфоцита получают моноклональные антитела. Благодаря этому новому методу иммунные белки получают в промышленном масштабе. Особенно большое будущее предсказывают стволовым клеткам, применение которых, возможно, позволит заново создавать пораженный у человека орган.

Наибольший доход от производства получают в области ферментной инженерии. Это крупнотоннажное производство биопрепаратов, ферментов, используемых для производства спирта, соков и т. д.

Современные биотехнологические методы используют и при решении экологических проблем. В природе существует огромное количество видов грибов и микроорганизмов, способных уничтожать вредные отходы. Так, в состав почвенной биоты входят деструкторы (разрушители) нефти и нефтепродуктов. Часто подобные организмы используются для очистки сточных вод. Возможно, селекция в этом направлении преуспеет в создании новых штаммов, которые смогут эффективно разрушать техногенные загрязнители.

Текущий контроль, закрепление материала (работа в рабочей тетради).

Итоговый анализ урока. Д/3 п. 47, 48. Р. Т. № 165-167, 169-171.