Селекция - Организменный уровень организации жизни

Селекция — одна из важнейших областей практического применения генетики. Это наука о методах создания новых и улучшения существующих пород животных, сортов растений и штаммов микроорганизмов. Опирается на достижения генетики, молекулярной биологии. биохимии и других наук о животные растениях и микроорганизмах. Предмет исследования селекции — специфические закономерности эволюции культурных растений и сельскохозяйственных животных, которая осуществляется человеком.

Основными задачами современной селекции является повышение урожайности сортов культурных растений, увеличение продуктивности пород домашних животных и штаммов микроорганизмов, улучшение качества продукции (содержание белка и клейковины в зерне, жирность молока и т. д.), улучшение физиологических свойств (морозостойкость, скороспелость, устойчивость к заболеваниям и др.), повышение интенсивности развития.

Основными методами селекции являются гибридизация и искусственный отбор. Селекционная работа ведется поэтапно.

• На первом этапе проводится подбор исходного материала с использованием комбинативной изменчивости, спонтанных мутаций и индуцированного мутагенеза. Кроме того, как исходный материал могут применяться ранее выведенные сорта и породы, выращенные в разных условиях.

• На втором этапе селекционной работы применяются различные системы скрещивания — гибридизация. Выделяют два ее типа:

1) имбридинг (близкородственное скрещивание) — приводит гены в гомозиготное состояние, дает возможность проявления положительных рецессивных мутаций;

2) аутбридинг (неродственное скрещивание, отдаленная гибридизация) — позволяет объединить в одном генотипе полезные признаки различных родительских форм. Может быть внутривидовым (скрещивание особей одного вида) и удаленным (при скрещивании организмов разных видов или даже родов). Неадаптивные рецессивные мутации при этом переходят в гетерозиготное состояние и не проявляются. Осуществление отдаленной гибридизации часто затруднено, и межвидовые гибриды, как правило, стерильны, поскольку затруднена конъюгация хромосом в мейозе. Впервые преодолеть стерильность у межвидовых гибридов удалось Г. Д. Карпеченко в 1924 г.: он получил гибрид редьки и капусты (рафано-брассика), у которого было удвоено количество хромосом каждого вида. Полиплоидизация стала способом восстановления плодовитости у межвидовых гибридов растений. Межвидовые гибриды животных, как правило, стерильны (мул).

• Третий этап селекционной работы включает искусственный отбор — выбор человеком наиболее ценных в хозяйственном отношении растений, животных, микроорганизмов для получения от них потомства с необходимым состоянием признаков. Он может быть, как массовым, так и индивидуальным. Первый из них проводят по фенотипу, без проверки генотипа. Такие особи дают расщепление в потомстве, поэтому отбор приходится проводить в ряду поколений. При индивидуальном отборе оценивается потомство каждого организма. Такой отбор приводит к созданию сорта, породы, штамма.

Порода животных, сорт растений или штамм микроорганизмов являются совокупностью индивидов, искусственно созданных человеком и характеризующихся определенными наследственными особенностями и морфологическими качествами. Все особи внутри сорта, породы или штамма имеют сходную наследственную организацию, внешние признаки и однотипную реакцию на воздействие факторов окружающей среды. Например, молочные породы крупного рогатого скота отличаются величиной надоев, процентом жирности и содержанием белка в молоке.

Явление гетерозиса, его причины и биологическое значение

В селекции, в первую очередь, создают большое количество самоопыляющихся чистых линий с желаемыми качествами. После этого их скрещивают между собой, отбирая комбинации с наилучшим ожидаемым эффектом. Такие растения имеют повышенную жизнеспособность и плодовитость в первом поколении, но постепенно ослабевают в последующих поколениях.

Гетерозис можно объяснить устранением в гетерозиготном организме неадаптивного действия рецессивных генов, объединением благоприятных доминантных генов, присутствующих в родительских формах. Кроме того, некоторые гены благоприятно проявляются в гетерозиготном состоянии. Кукуруза стала первым растением, для которого получение гетерозисных гибридов было поставлено на промышленную основу.

Использование гетерозиса для повышения производительности широко практикуют в овощеводстве. Однако нередко сочетание различных признаков в чистых линиях оказывается неблагоприятным, поэтому применяют гибридизацию с последующим отбором. Например, один сорт пшеницы имеет крепкий стебель, но в то же время легко поражается ржавчиной. Другой сорт, обладая тонкой и слабой соломинкой, отличается устойчивостью к ржавчине. При скрещивании двух сортов в потомстве проявляются различные комбинации, в том числе в части растений сочетаются признаки устойчивости к ржавчине и прочности стебля. Такие гибриды отбирают и используют для посева. Гетерозисный эффект можно сохранить благодаря вегетативному размножению в ряду поколений.

Центры происхождения культурных растений

Для выведения новых сортов растений селекционеры должны обладать разнообразным исходным материалом. Глубокий анализ мировых растительных ресурсов был сделан советским генетиком Н. И. Вавиловым.

Центрами происхождения культурных растений он назвал области введения в культуру основных сельскохозяйственных растений. Это древние очаги мирового земледелия, где прошло первичное видообразование большинства важнейших культурных растений.

Эти очаги возникали автономно, развивались изолированно в областях с благоприятными почвенно-климатическими условиями и богатой естественной флорой — все это дало исходные формы для селекции.

Н. И. Вавилов установил центры происхождения культурных растений.

1. Восточноазиатский — родина сои, трех видов проса, гречихи, голозерновых и безостого ячменя, некоторых сортов лука, баклажана, нескольких видов груш, яблонь, слив, хурмы, опиумного мака.

2. Средиземноморский — маслина, большое количество овощных (свекла, капуста, петрушка, репа, лук репчатый и порей) и кормовых культур.

3. Южноамериканский — картофель, табак, арахис, ананас, маниок, подсолнечник.

4. Южноазиатский тропический центр — рис, сахарный тростник, цитрусовые, огурец, баклажан, черный перец.

5. Северозападный азиатский центр — многие виды пшеницы, ржи, зерновых, бобовых (горох, чечевица, конские бобы), лен, конопля и др.

6. Абиссинский центр — родина твердых пшениц, сорго, бананов, кофе.

7. Центральноамериканский центр — кукуруза, хлопок, табак, тыква, какао.

Трудами Н. И. Вавилова и его сотрудников во Всесоюзном институте растениеводства была собрана богатая (около 300 тыс. образцов) мировая коллекция культурных растений и их диких сородичей, которая все время пополняется и является ценнейшим исходным материалом для селекционеров.

Районы одомашнивания животных

Районы одомашнивания и происхождения пород домашних животных связаны с древними центрами земледелия, но определять места происхождения значительно труднее — это связано со способностью животных к передвижению и изменением области распространения в процессе исторического развития видов. Одомашнивание могло происходить в любом месте ареала, а дальнейшее распространение пород было связано с деятельностью человека.

Большинство домашних животных были приручены 8-10 тыс. лет назад. Их предки, как правило, вели стадный образ жизни, что способствовало их приручению. В процессе одомашнивания в строении и жизненных функциях, в поведении домашних животных произошли значительные изменения.

Одной из первых была приручена собака — около 15 тыс. лет назад. Считается, что это произошло в нескольких местах Евразии одновременно, а ее предками были некоторые виды волков. Значительно позже (около 5 тыс. лет назад) в Египте была приручена кошка. Ее предком была ливийская кошка.

Одним из первых объектов животноводства были овцы и козы, прирученные около 9-10 тыс. лет назад. Овцеводство возникло в горных районах Греции, Кавказа, Малой и Средней Азии. Предки домашней овцы — архары и муфлоны — живут и сегодня в районах их одомашнивания. Предком лошади считается тарпан, обитавший до XIX в. в лесостепной зоне Европы и Казахстана. Предком крупного рогатого скота был тур, который жил до XVII в. в лесостепной и степной зонах Евразии. Приручены эти животные около 4 тыс. лет назад в Древней Греции. Дикую свинью приручили около 5-9 тыс. лет назад. От своих диких сородичей она отличается большей плодовитостью, а новорожденные поросята утратили полосатую окраску.

Кроме млекопитающих, человек приручил и многие виды птиц. Так, домашние куры произошли от диких банкивских кур, прирученных 5-6 тыс. лет назад на территории Южной и Юго-Восточной Азии. На территории Центральной Америки были одомашнены около 2 тыс. лет назад индейки. Домашняя утка происходит от кряквы. Практически одновременно с уткой (около 4 тыс. лет назад) был приручен дикий гусь. В настоящее время человеком одомашниваются перепела, куропатки, фазаны, страусы и т. д. В Китае около 5 тыс. лет назад выведены разнообразные породы золотых рыбок. Предком карпа является сазан, обитающий в водоемах Евразии. Искусственно человеком разводятся осетры, сомы, форель и др. Более 5 тыс. лет назад в Китае возникло шелководство. Сейчас тутовый шелкопряд в диком состоянии не встречается. В то же время в тропических и субтропических регионах Евразии возникло пчеловодство.

Особенности селекции растений

Основная задача селекции растений — повышение урожаев в растениеводстве путем создания высокопродуктивных сортов. Такие биологические особенности растений, как способность к самоопылению, вегетативное размножение позволяют применять в селекционной работе с ними все методы селекции. В растениеводстве нередко применяют отбор и гибридизацию.

При принудительном самоопылении, используемом в работе с растениями, способными к перекрестному опылению, получают чистые линии с необходимыми признаками. Затем, проводя скрещивание между линиями, имеющими различные адаптивные признаки, и искусственный отбор, получают высокопродуктивные межлинейные гибриды. Сочетание ценных качеств родителей разных видов и родов получают благодаря отдаленной гибридизации. Так были получены гибриды пырея и пшеницы, редьки и капусты и т. д. Многие сорта культурных растений являются полиплоидами и обычно более продуктивны (много культурных сортов пшеницы, ржи, клевера, турнепса, картофеля, некоторые сорта свеклы и др.). Часто используют и соматические мутации. Новый сорт выводят из той вегетативной части растения, которая благоприятно меняется. Природные мутации с появлением полезных для человека признаков очень редки. Частота мутаций резко повышается при искусственном мутагенезе. Методом химического мутагенеза получено более 100 сортов пшеницы, риса, овса, кукурузы, подсолнечника. Методами отдаленной гибридизации, химического и радиационного мутагенеза создано множество сортов хлопчатника.

Особенности селекции животных

Сущность селекции животных заключается в сохранении, усилении и комбинировании у потомства ценных и в устранении нежелательных качеств. Работа по созданию, поддержке и совершенствованию пород включает ряд методов разведения и организационных мероприятий, которые в совокупности составляют племенное дело. Последнее имеет свои особенности, которые замедляют процесс селекции (домашние животные размножаются только половым путем, половозрелость наступает через несколько лет, самка рожает небольшое количество потомков т. д.).

Отбор родительских пар происходит в зависимости от цели, которую поставил селекционер (повышение молочности, жирности молока, качества мяса и др.). Животные оцениваются по фенотипу, происхождению и по качеству потомства. Поэтому необходимо хорошо знать их родословную.

Все сельскохозяйственные животные — раздельнополые. В то же время многие виды ценной животноводческой продукции создаются животными только одного пола (молоко, яйца). Поэтому оценить животных другого пола можно по их родословной и по качеству потомства. Так, племенные качества быка- производителя могут быть оценены по молочной продуктивности его предков по материнской линии, его сестер и особенно его дочерей.

Основной способ получения наследственного разнообразия при селекционной работе с животными — скрещивание. Оно может быть родственным или неродственным. Инбридинг (скрещивание между братьями и сестрами или между родителями и потомством) применяется, когда селекционер хочет большинство генов данной породы привести в гомозиготное состояние.

Инбридинг сопровождается строгим отбором необходимых хозяйственных качеств и часто приводит к ослаблению животных, уменьшению устойчивости к воздействию внешних факторов, заболеваний и т. п., но позволяет закрепить в породе полезные хозяйственные качества.

Для устранения неблагоприятных последствий используется скрещивание разных линий и пород. Неродственное скрещивание в пределах породы или между породами, сопровождаемое строгим отбором, ведет к поддержанию полезных качеств и к усилению их в последующих поколениях.

У животных наблюдается эффект гетерозиса. Его используют в овцеводстве, молочном скотоводстве, свиноводстве. Примером особенно эффективного использования служит вывод гетерозисных цыплят — бройлерное производство.

Также в селекции животных используется метод отдаленной гибридизации. Кроме того, зародышей ценных пород крупного рогатого скота и других животных получают в искусственных условиях, а затем для дальнейшего развития помещают в матку самки другой породы — это расширяет возможности селекционной работы и позволяет получить большее количество потомков с новыми или хозяйственно ценными признаками.

Особенности селекции микроорганизмов

Микроорганизмы (бактерии, грибы, микроскопические водоросли) представляют большой интерес для человека. Они находят широкое применение в промышленности, сельском хозяйстве и медицине. В последнее время быстрыми темпами развивается микробиологическая промышленность. Она связана с производством жизненно важных продуктов: белков, аминокислот, ферментных препаратов, антибиотиков, спиртов, полисахаридов, бактериальных удобрений, гормонов и др. При этом в качестве питательной среды часто используются непищевые продукты: жидкие парафины, нефть, синтетические спирты, отходы лесоперерабатывающей промышленности и т. п. Получение таким путем в больших масштабах белково-витаминных концентратов позволяет ускорить решение вопроса недостатка белков и повысить интенсивность производства кормов.

В микробиологическом производстве используют высокоактивные культуры - штаммы. Для их создания применяют индуцированный мутагенез, генную инженерию, различные типы скрещивания.

Микроорганизмы служат удобным объектом для селекции и имеют характерные особенности, очень важные в производстве:

1) содержат значительно меньшее число генов и имеют более простые генные взаимодействия по сравнению с более высокоорганизованными видами;

2) имеют очень короткий жизненный цикл, поэтому очень быстро размножаются и могут дать огромное количество поколений за сравнительно короткое время;

3) геном некоторых микроорганизмов гаплоидный, а это делает возможными фенотипические проявления любой мутации еще в первом поколении.