Селекция. биотехнология

Преимущества скрещивания

Процесс гибридизации – скрещивания растений – направлен на получение сортов растений, обладающих выигрышными свойствами родительских сортов, таких как:

• Высокая урожайность
• Устойчивость к заболеваниям
• Морозоустойчивость
• Засухоустойчивость
• Короткие сроки созревания

К примеру, если у отцовского и материнского растения устойчивость к разным заболеваниям, то полученный гибрид унаследует стойкость к обоим болезням.

Гибридные сорта растений обладают лучшей жизнестойкостью, они меньше подвержены перепадам температуры, влажности, изменения климатических условий, чем их негибридные собратья.

Больше информации можно узнать из видео.

Основные методы селекции животных

Создание пород домашних животных началось вслед за их приручением и одомашниванием, которое началось 10-12 тыс. лет назад. Содержание в неволе снижает действие стабилизирующей формы естественного отбора. Различные формы искусственного отбора (сначала бессознательный, а затем методический) приводят к созданию всего многообразия пород домашних животных.

В селекции животных, по сравнению с селекцией растений, есть ряд особенностей. Во-первых, для животных характерно в основном половое размножение, поэтому любая порода является сложной гетерозиготной системой. Оценка качеств самцов, которые внешне у них не проявляются (яйценоскость, жирномолочность), оцениваются по потомству и родословной. Во-вторых, у них часто поздняя половозрелость, смена поколений происходит через несколько лет. В-третьих, потомство немногочисленное.

Основными методами селекции животных являются гибридизация и отбор. Различают те же методы скрещивания — близкородственное скрещивание, инбридинг, и неродственное — аутбридинг. Инбридинг, как и у растений, приводит к депрессии. Отбор у животных проводится по экстерьеру (определенным параметрам внешнего строения), т.к. именно он является критерием породы.

1. Внутрипородное разведение направлено на сохранение и улучшение породы. Практически выражается в отборе лучших производителей, выбраковке особей, не отвечающих требованиям породы. В племенных хозяйствах ведутся племенные книги, отражающие родословную, экстерьер и продуктивность животных за много поколений.

2. Межпородное скрещивание используют для создания новой породы. При этом часто проводят близкородственное скрещивание, родителей скрещивают с потомством, братьев с сестрами, это помогает получить большее число особей, обладающих нужными свойствами. Инбридинг сопровождается жестким постоянным отбором, обычно получают несколько линий, затем производят скрещивание разных линий.

Хорошим примером может служить выведенная академиком М.Ф.Ивановым порода свиней — украинская белая степная. При создании этой породы использовались свиноматки местных украинских свиней с небольшой массой и невысоким качеством мяса и сала, но хорошо приспособленных к местным условиям. Самцами-производителями были хряки белой английской породы. Гибридное потомство вновь было скрещено с английскими хряками, в нескольких поколениях применялся инбридинг, были получены чистые линии, при скрещивании которых получены родоначальники новой породы, которые по качеству мяса и массе не отличались от английской породы, по выносливости — от украинских свиней.

3. Использование эффекта гетерозиса. Часто при межпородном скрещивании в первом поколении проявляется эффект гетерозиса, гетерозисные животные отличаются скороспелостью и повышенной мясной продуктивностью. Например, при скрещивании двух мясных пород кур получают гетерозисных бройлерных кур, при скрещивании беркширской и дюрокджерсейской пород свиней получают скороспелых свиней с большой массой и хорошим качеством мяса и сала.

4. Испытание по потомству проводят для подбора самцов, у которых не проявляются некоторые качества (молочность и жирномолочность быков, яйценоскость петухов). Для этого производителей-самцов скрещивают с несколькими самками, оценивают продуктивность и другие качества дочерей, сравнивая их с материнскими и со среднепородными.

5. Искусственное осеменение используют для получения потомства от лучших самцов производителей, тем более что половые клетки можно хранить при температуре жидкого азота любое время.

6. С помощью гормональной суперовуляции и трансплантации у выдающихся коров можно забирать десятки эмбрионов в год, а затем имплантировать их в других коров, эмбрионы так же хранятся при температуре жидкого азота. Это дает возможность увеличить в несколько раз число потомков от выдающихся производителей.

7. Отдаленная гибридизация, межвидовое скрещивание, известно с древних времен. Чаще всего межвидовые гибриды стерильны, у них нарушается мейоз, что приводит к нарушению гаметогенеза. С глубокой древности человек использует гибрид кобылицы с ослом — мула, который отличается выносливостью и долгожительством. Но иногда гаметогенез у отдаленных гибридов протекает нормально, что позволило получить новые ценные породы животных. Примером являются архаромериносы, которые, как и архары, могут пастись высоко в горах, а, как мериносы, дают хорошую шерсть. Получены плодовитые гибриды от скрещивания местного крупного рогатого скота с яками и зебу. При скрещивании белуги и стерляди получен плодовитый гибрид — бестер, хорька и норки — хонорик, продуктивен гибрид между карпом и карасем.

Список и описание различных методов селекции животных

Методы селекции животных:

• инбридинг;
• аутбридинг;
• гетерозис.

Инбридинг — скрещивание, происходящее только внутри одной породы между близкими родственниками, применяется для накопления в генотипе определенных аллелей гена, несущих необходимый признак. В качестве исходного материала используют особей, являющихся братьями и сестрами (или родителями и потомством). Данный метод используется для сохранения породы в чистом виде.

Последствия:

• потеря жизнеспособности животных;
• снижается оплодотворяемость;
• увеличение эмбриональной смертности.

Примеры:

• Буденновская порода лошадей;
• чистые линии породистых собак.

Аутбридинг — неродственное скрещивание. 
Является наиболее распространенным способом разведения у всех видов животных для всех пород.            

Итог: 

• поддерживание полезных признаков;
• усиление следующих поколений.

Рецессивные мутации из гомозиготного состояния переходят в гетерозиготное, негативное влияние на жизнеспособность организма не оказывается.

Примеры:

• мул;
• гибрид волка и собаки (часто их называют «собаковолк» либо «волкособ»);
• немецкая овчарка;
• шотландская овчарка.

Гетерозис — явление, при котором гибридные особи значительно превосходят родительские формы. Эффект быстро ослабевает, начиная со второго поколения. В качестве последствия часто наблюдается бесплодие.

Примеры:

• бройлерные цыплята;
• беркширская порода свиней;
• дюрок-джерсейская порода свиней.

Список и описание методов селекции растений

Методы селекции растений:

• гибридизация;
• отбор.

Гибридизация — это процесс скрещивания двух различных по генотипу организмов, размножающихся половым путем. Возникшие в результате данных скрещиваний особи называются гибридами.

Гибридизация подразделяется на:

• инцухт;
• аутбридинг.

Отбор бывает:

• индивидуальный;
• массовый.

Инбридинг — близкородственное скрещивание, приводящее к повышению гомозиготности. Основное применение — для получения чистых линий. Является единственным методом, использование которого направлено на сохранение сорта в чистом виде.

Инбридинг происходит при самоопылении перекрестноопыляемых растений. Растения подбирают такие, гибриды которых дают максимальный эффект гетерозиса.

Эффект гетерозиса заключается в свойстве гибридов превосходить по отдельным признакам лучшего из родителей. Данный эффект быстро угасает, часто наблюдается бесплодие.

Последствия инбридинга:

• ослабление организмов, снижение их устойчивости к воздействиям среды;
• повышение заболеваемости;
• накопление вредных рецессивных аллелей.

Примеры:

• семена большинства овощных культур;
• сорт яблок «Бужбон».

Аутбридинг — скрещивание растений, относящихся к разным сортам, видам, родам. 
Аутбридинг приводит к повышению гетерозиготности у потомства, соответственно — к повышению гетерозиготности популяции. 
Аутбридинг соответствует перекрестному опылению.

Последствия аутбридинга:

• явление гетерозиса;
• повышение наследственной изменчивости;
• разрушение адаптивных комплексов генов;
• повышение уровня мутационных процессов.

Примеры:

• кукуруза;
• капуста;
• слива;
• рожь;
• свекла.

Индивидуальный отбор                    

Применяется для самоопыляемых растений. Итог: получение чистой линии — потомства одной самоопыляющейся особи. Происходит отбор некоторых растений с необходимыми признаками, затем от них получают генетически однородное потомство. 
Примеры:

• овес;
• пшеница;
• горох;
• ячмень.

Массовый отбор — выделение группы особей, которые сходны по одному или нескольким признакам, без проверки их генотипа. 
Массовый отбор проводится по фенотипу. Применяется для перекрестноопыляемых растений. Все потомки гетерозиготны.

Примеры:

•  подсолнечник;
• рожь;
• кукуруза.

Поддержка методов отбора, скрещивания и мутации пакетом DEAP

В пакете DEAP уже реализованы
многие из представленных методов отбора, скрещивания и мутации. Подробно о них
можно посмотреть в официальной документации:

Ниже в таблицы
перечислены все эти встроенные методы:

Кроме того, вы
всегда самостоятельно можете реализовать свои собственные методы и встроить в
ГА, реализуемый с помощью DEAP.

Видео по теме

Генетический алгоритм история и возможности

#1. Основные этапы работы генетического алгоритма

#2. Делаем генетический алгоритм для задачи OneMax

#3. DEAP — пакет для создания генетических алгоритмов

#4. Как генетический алгоритм находит решения. Преимущества и недостатки

#5. Обзор методов отбора, скрещивания и мутации

#6. Поиск минимальных маршрутов в графе

#7. Делаем элитизм. Жесткие и мягкие ограничения

#8. Расставляем корабли в игре Морской бой

#9. Пример поиска минимума функции

#10. Обучение с подкреплением или как загнать машину на гору

#11. Не дай шесту упасть или как нейросеть держит баланс

Мутагенез

Метод, сопровождающийся изменением структуры генов организма в ходе мутагенного воздействия. Различают спонтанный и индуцированный, оба действуют, повреждая ДНК. Факторы, вносящие дефекты в генетический аппарат, носят определение мутагенов и ведут к мутациям (генным перестройкам).

Механизмы индукции: апуринизация, дезаминирование, образование тиминовых димеров.

Мутантов выбирают на основе мониторинга и фенотипических параметров. В первом случае селекционеры выполняют количественное исследование нового параметра среди организмов, оказавшихся влиянием мутагенного воздействия. При втором учитывают фенотип, развившийся вследствие воздействия мутагена: ауксотрофность, резистентность и др.

Технология скрещивания

Технология скрещивания заключается в искусственном или естественном переносе пыльцы с растения одного сорта или вида на другое, проводимое под тщательным контролем.

Алгоритм скрещивания:

1. Выбрать два растения разных сортов или видов.
2. На материнском растении подобрать наиболее удобно расположеные цветки.
3. Нераспустившиеся (за один день до распускания) бутоны аккуратно вскрыть.
4. Пинцетом тщательно удалить все тычинки с пыльцой.
5. Цветки с удаленными тычинками обернуть белой тонкой материей во избежание незапланированного опыления.
6. За день до удаления тычинок с одного растения со второго (отцовского) с бутонов, собирающихся распускаться, собрать пыльцу в стеклянную баночку.
7. Баночку прикрывают марлей или светлой прозрачной тканью и ставят в сухое место.

На следующий день после удаления тычинок с материнского растения проводят оплодотворение:

• Лучшее время – первая половина дня до двенадцать часов.
• Встряхнуть баночку с пыльцой.
• Осевшую на стенки банки пыльцу ватной палочкой или другим подручным средством (можно, даже пальцем) аккуратно наносят на рыльце пестика материнского растения.
• Оплодотворенный цветок снова накрыть светлой тонкой тканью или марлей.
• Оплодотворение повторять 3 дня.

Оплодотворенные цветки должны быть укрыты на весь период роста вплоть до созревания плодов. Лишние цветки рекомендуется удалить. После сбора созревших плодов они должны вылежаться от нескольких недель до нескольких месяцев в зависимости от времени созревания и срока хранения культуры.

Семена косточковых растений высеваются сразу на гряды, семечковые летнего созревания после трехдневной просушки высеваются в песке на грядки осенью. Семена растений, которые созревают осенью, собирают, когда плоды уже начинают портиться, но не позже апреля. После сбора и просушки их высевают в подготовленные емкости.

Пространственная и временная изоляция при скрещивании

При скрещивании перекрестноопыляющихся культур можно применять пространственную изоляцию: растения выращиваются на разных, удаленных от растений данного сорта, участках. К таким культурам относятся морковь, капуста, свекла и др.

Скрещивание перекрестноопыляющихся культур на изолированных участках намного минимизирует трудозатраты: опыление происходит естественным путем – ветром или насекомыми. Кроме того, на одном изолированном участке возможно размесить несколько растений одного сорта, таким образом, увеличив число полученных гибридных семян. Существенный недостаток такого метода состоит в невозможности полностью исключить попадание посторонней пыльцы. Кроме того, при естественном перекрестном опылении примерно половина растений оказывается оплодотворена пыльцой своего сорта.

В регионах с теплым климатом, где период вегетации достаточно продолжителен, для растений с быстро отцветающими цветками можно использовать изоляцию во временных интервалах: на одном и том же участке проводятся разные комбинации скрещивания. Разные сроки цветения исключают незапланированное переопыление.

В селекционной практике при отсутствии достаточного пространства для организации отдельных участков применяются изоляционные сооружения:

• Конструкция выполняется в виде каркаса, который обтягивается легкой прозрачной тканью.
• Для изоляции отдельных побегов или соцветий изготавливаются небольшие «домики» из пергаментной бумаги или марли, которыми обтягивают каркас из проволоки.

Для растений, опыляемых насекомыми, при сооружении изоляторов лучше использовать такие материалы, как батист или марля, для ветроопыляемых культур – пергаментную бумагу.

Метод простых скрещиваний — АxВ

Этот метод предусматривает скрещивание только между двумя родительскими формами, например:

При тщательном подборе обоих родительских форм, имеющих больше положительных и меньше отрицательных признаков, и при условии, что каждый из родителей несет больше полезных генов, ответственных за тот или иной признак, который для другого родителя является отрицательным, растения с положительными признаками обоих родителей появятся в F2 с достаточно высокой частотой. Поэтому успех селекции будет довольно быстрым и относительно надежным.

Методом простого скрещивания получены сорта Libellula от С. I. 1482-52-3 X San Pastore, югославские сорта Partizanka от Безостая 1 X NS-116, Sutjeska от Sava X Aurora и многие другие. Сорт винограда Neoplanta возник от скрещивания между сортами Smederevka X Traminac (проф. Д. Милосавлевич, Сремски Карловцы, 1971).

Если в качестве одной родительской формы взят сорт интенсивного типа, а в качестве другой — сорт экстенсивного типа, то нельзя ожидать получения лучших линий от лучшего родителя с большой вероятностью, хотя экстенсивный сорт содержит признаки, которые должны быть объединены с признаками родительской формы интенсивного сорта. Например, при подборе родителя с хорошим качеством зерна вместо сорта Безостая 1 можно взять Bankut-1205. Однако Bankut отличается высокорослостью, неустойчивостью к полеганию, слабой устойчивостью к ржавчине, более низкой продуктивностью колоса. Поэтому в F2 и последующих поколениях наибольшее число растений имело бы промежуточный характер наследования по своим признакам, и возможно, что особи, несущие полезные гены обоих родителей, появлялись бы с низкой частотой.

Селекционер, в распоряжении которого находится недостаточное число сортов с желательными признаками, при работе над новым сортом, бесспорно, должен объединять в скрещиваниях интенсивные сорта с экстенсивными. В таких случаях следует проводить однократное возвратное скрещивание с интенсивным сортом; в результате в потомство гибрида вносится 75 % генофонда, или наследственного материала, интенсивного сорта, и таким образом возрастает частота проявления полезных генов, что обеспечивает больший успех отбора:

Примером использования однократного возвратного скрещивания служит родословная сорта Sava, полученного от скрещивания итальянского сорта интенсивного типа Fortunato с американским сортом экстенсивного типа Redcoat, т.е. (Fortunato X Redcoat) X Fortunato.

Кроме того, метод простого скрещивания — А Х В оказывается наиболее успешным в тех случаях, когда можно использовать простые гибриды, т.е. потомство F1. Оно несет наибольшее число полезных генов обоих родителей, что часто сопровождается увеличением жизнеспособности или мощным развитием гибридов. Такие простые, или парные, гибриды (single cross — SC) получают при работе с кукурузой, сорго, огурцом, томатами, луком и др.