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.
Селекция микроорганизмов
Микроорганизмы: прокариоты, бактерии, сине-зеленые водоросли; эукариоты- грибы, микроскопические водоросли, простейшие. В селекции микроорганизмов наиболее широко используются такие методы селекции, как индуиированный мутагенез и последующий отбор групп генетически идентичных клеток (клонов), методы клеточной и генной инженерии.
Деятельность микроорганизмов используют в промышленности, сельском хозяйстве, медицине. Ферментативную активность микроорганизмов (грибов и бактерий) ийюльзуют в производстве молочных продуктов, хлебопечении, виноделии и др. С помощью микроорганизмов получают аминокислоты, белки, ферменты, спирты, полисахариды, антибиотики, витамины, гормоны, интерферон и пр.
Выведены штаммы бактерий, способные разрушать нефтепродукты, что позволит использовать их для очистки окружающей среды. Ведутся работы по перенесению генетического материала азотфиксирующих микроорганизмов в геном почвенных бактерий, которые этими генами не обладают, а также непосредственно в геном растений. Это позволит избавиться от необходимости производить огромное количество азотных удобрений.
Применение искусственного мутагенеза: основные причины и сферы применения
Основная цель искусственного мутагенеза – создание изменений в геноме, которые могут приводить к различным фенотипическим изменениям. Это позволяет исследовать роль конкретных генов в различных биологических процессах, выявлять функциональные свойства генов и понимать принципы работы генетических механизмов.
Искусственный мутагенез находит широкое применение в различных сферах научно-исследовательских и прикладных дисциплин. Одной из основных сфер применения является сельское хозяйство. Мутационные изменения в геноме позволяют создавать новые сорта растений с улучшенными качествами и свойствами, такими как повышенная урожайность, стойкость к вредителям и болезням, адаптация к различным климатическим условиям.
Другая сфера применения искусственного мутагенеза – фармацевтическая промышленность. Использование этого метода позволяет создавать новые лекарственные препараты и вакцины, исследовать различные патологические процессы и механизмы заболеваний, а также исследовать действие лекарственных препаратов на организм.
В медицине искусственный мутагенез находит применение в исследованиях генетических заболеваний, изучении механизмов развития рака и других патологических состояний. Он позволяет выявлять гены, ответственные за развитие заболеваний, а также разрабатывать новые методы диагностики и лечения.
Искусственный мутагенез также находит использование в экологической биологии и охране окружающей среды. Изучение геномных изменений в организмах, обитающих в условиях загрязнения и других неблагоприятных факторов, позволяет понять механизмы их адаптации и найти способы защиты и восстановления экосистем.
| Сфера применения | Примеры применения |
|---|---|
| Сельское хозяйство | Создание сортов растений с улучшенными свойствами |
| Фармацевтическая промышленность | Создание новых лекарственных препаратов |
| Медицина | Исследование генетических заболеваний, разработка новых методов лечения |
| Экологическая биология | Изучение адаптации организмов к неблагоприятным условиям |
В заключение, искусственный мутагенез является мощным методом для изучения и изменения генома живых организмов. Его применение в различных сферах науки и прикладных дисциплин позволяет расширить наши знания о генетических механизмах, создавать новые организмы с полезными свойствами и применять эти знания в медицине, сельском хозяйстве, фармацевтике и экологии.
Гибридизация
Межвидовая
Проводят неродственное скрещивание. Здесь используют особей разных видов или сортов, с целью получения необходимого набора морфологических характеристик. Так создается новая популяция, сочетающая в себе лучшие качества обеих сторон. На основе данного метода возможно выведение новых видов, с улучшенными свойствами.
Существует отдаленная гибридизация, здесь организмы принадлежат к различным видам или родам. Такое скрещивание в ряде случаев может привести к бесплодному потомству. Пример мул – гибрид зебры и лошади.
Внутривидовая
Для закрепления полезных свойств применяют инбридинг. Последний подразумевает скрещивание представителей близкородственных линий, с наилучшими генотипами (их выявляют индивидуально). Такие организмы обладают родственными набором аллелей.
Гомологичные аллели приводят к гетерозису — явлению гибридной силы, проявляющемуся в дочерних линиях. Скрещивание родственных видов направлено на сохранение генотипа популяции, что необходимо для закрепления полезных признаков.
Принцип гибридизации
Заключается в том, что при оплодотворении происходит слияние двух различных по генотипу половых клеток с образованием зиготы, из которой развивается новый организм, наследующий признаки обоих родителей. Естественная гибридизация происходит в природе, искусственная осуществляется человеком в селекции или с другими целями. При этом у покрытосеменных цветки материнского растения опыляются пыльцой другого вида или сорта.
В селекции растений гибридизация используется чрезвычайно широко. Если данный метод необходим с целью соединения желательных свойств исходных организмов, это «комбинационная селекция». В том случае, когда преследуется цель получения и отбора генотипов более лучшего качества, по сравнению с родительскими формами, говорят о «трансгрессивной селекции».
В растениеводстве распространена гибридизация форм в пределах одного вида, или внутривидовая. В результате использования этого метода было создана большая часть сортов культурных растений. Отдаленная гибридизация является более сложным и трудоемким методом развития гибридов. Основная проблема при получении отдаленных гибридов – несовместимость гамет скрещиваемых форм и стерильность полученных гибридов.
Технологические процессы гибридизации различных сельско-хозяйственных культур существенно различаются между собой. Для получения гибридных форм кукурузы растения двух сортов высевают рядами поочередно, а султаны на материнских растениях срезают за несколько дней до цветения. У культур с перекрестным опылением цветков, например, ржи, используют кастрацию цветков материнских растений. У плодовых деревьев кастрация выполняется за 1-2 дня до того, как распустятся бутоны, а женские цветки изолируют, накрывая марлей. После раскрывания бутонов на рыльца пестиков наносят заранее заготовленную пыльцу. Из гибридных семян выращивают новые растения, помещая семена в специальную питательную среду и обеспечивая благоприятные условия для роста.
Виды гибридизации
Цель использования отдаленной гибридизации (аутбридинга) – получение сортов растений, обладающих ценными урожайными свойствами, устойчивых к заболеваниям и вредителям. Удачными примерами скрещивания различных видов растения служат межвидовые гибриды подсолнечника, отличающиеся иммунитетом к паразитам и болезням и содержащие более 50% масла в семенах; пшеницы с высокой урожайностью и другими ценными качествами; табака высшего качества; картофеля; капусты; редиса, и т.д.
Похожие материалы:
Селекция растенийМетоды селекции растенийПолиплоидия
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.
Что такое межвидовая гибридизация?
Межвидовая гибридизация — это процесс скрещивания двух особей двух разных видов. Однако эти два вида должны происходить из одного и того же рода. Это тип внутригенной гибридизации, поскольку он включает родственных особей. Межвидовое скрещивание недопустимо и возможно на основе концепции биологического вида.Однако межвидовое скрещивание или межвидовая гибридизация проводится для того, чтобы использовать полезные гены из дикой природы и вывести неулучшенные виды в культивируемые и т. Д.
Некоторые распространенные гибриды, полученные в результате межвидовой гибридизации, — это мул (самец осла x самка лошади), лошак (самец лошади x самка осла) и лигр (самец-лев x самка тигра). Кроме того, в селекции подсолнечника полезна межвидовая гибридизация. Это расширяет генетическое разнообразие подсолнечника. Кроме того, использование межвидовой гибридизации возрастает при разработке видов плодовых культур с целью использования естественных источников устойчивости к вредителям и болезням, компонентов качества плодов и т. Д. Однако межвидовая гибридизация может быть затруднена из-за различных уровней плоидности и генетической несовместимости. Кроме того, межвидовые гибриды имеют шанс быть бесплодными.
Учение Н. И. Вавилова о центрах происхождения и многообразия культурных растений
|
Н.И.Вавилов |
Селекция — наука о создании новых и улучшении существующих пород животных, сортов растений, штаммов микроорганизмов. В основе селекции лежат такие методы, как гибридизация и отбор. Теоретической основой селекции является генетика.
Для успешного решения задач, стоящих перед селекцией, академик Н.И.Вавилов особо выделял значение:
-
Изучения сортового, видового и родового разнообразия интересующей нас культуры;
-
Влияния среды на развитие интересующих селекционера признаков;
-
Изучения наследственной изменчивости;
-
Знаний закономерностей наследования признаков при гибридизации;
-
Особенностей селекционного процесса для само- или перекрестноопылителей;
-
Стратегии искусственного отбора.
Породы, сорта, штаммы — искусственно созданные человеком популяции организмов с наследственно закрепленными особенностями: продуктивностью, морфологическими, физиологическими признаками.
Каждая порода животных, сорт растений, штамм микроорганизмов приспособлены к определенным условиям, поэтому в каждой зоне нашей страны имеются специализированные сортоиспытательные станции и племенные хозяйства для сравнения и проверки новых сортов и пород.
Для успешной работы селекционеру необходимо сортовое разнообразие исходного материала, с этой целью Н.И.Вавиловым была собрана коллекция сортов культурных растений и их диких предков со всего земного шара. К 1940 году во Всесоюзном институте растениеводства насчитывалось 300 тыс. образцов. Но с позиций лысенковщины, занявшей в то время руководящие позиции в биологической науке России и считавшей, что определяющую роль в создании новых форм играет окружающая среда, эта коллекция была не нужна. Работы по пополнению коллекции были прекращены. В настоящее время коллекция пополняется и является основой для работ по селекции любой культуры.
Н.И.Вавилов установил центры происхождения культурных растений, где находится наибольшее видовое и сортовое многообразие культурных растений.
Центры происхождения культурных растений (по Н.И.Вавилову).
|
Центры происхождения |
Местоположение |
Культивируемые растения |
|
1. Южноазиатский тропический 2. Восточноазиатский 3. Юго-Западноазиат-ский 4. Средиземноморский 5. Абиссинский 6. Центральноамериканский 7. Южноамериканский |
Тропическая Индия, Индокитай, о-ва Юго-Восточной Азии Центральный и Восточный Китай, Япония, Корея, Тайвань Малая Азия, Средняя Азия, Иран, Афганистан, Юго-Западная Индия Страны по берегам Средиземного моря Абиссинское нагорье Африки Южная Мексика Западное побережье Южной Америки |
Рис, сахарный тростник, цитрусовые, баклажаны и др. (50% культурных растений) Соя, просо, гречиха, плодовые и овощные культуры — слива, вишня и др. (20% культурных растений) Пшеница, рожь, бобовые культуры, лен, конопля, репа, чеснок, виноград и др. (14% культурных растений) Капуста, сахарная свекла, маслины, клевер (11% культурных растений) Твердая пшеница, ячмень, кофейное дерево, бананы, сорго Кукуруза, какао, тыква, табак, хлопчатник Картофель, ананас, хинное дерево. |
Наиболее богатыми по количеству культур являются древние центры цивилизации, именно там наиболее ранняя культура земледелия, более длительное время проводится искусственный отбор и селекция растений.
Полиплоидия
Явление полиплоидии в селекции характерно для растений. При этом происходит увеличение числа хромосом в два, три и более раз. Это количество или кратность носит название плоидности. Подвергаются последней как соматические, содержащие двойной набор хромосом, так и половые с одинарным. Причем гаплоидные клетки (одинарные) не имеют идентичной хромосомной пары по сравнению с соматическими (диплоидными).
Причины полиплоидии различны:
Изменение температурного режима.
Нарушение расхождения хромосом при митотическом и мейотическом делении. Например, вместо клетки, содержащей генетический материал от материнской и отцовской – диплоидной, формируется структура с тетраплоидным набором (содержащей хромосомы в удвоенном количестве).
Если число хромосом превышает исходное в три и более раз, говорят о геномных мутациях – эуплоидии. Участки, ответственные за передачу наследственной информации, могут кратно возрастать при скрещивании разных видов. Это аллополиплоидия. Последняя направлена на создание новых культур. Полиплоидные организмы обладают большей массой, объемом, но зачастую низкой плодовитостью.
Селекция животных
В селекции животных наиболее широко используются такие методы селекции, как индивидуальный отбор, внутривидовая гибридизация (родственное и неродственное скрещивание) и отдаленная (межвидовая) гибридизация.
Использование индивидуального отбора связано с половым размножением животных, когда получить сразу много потомков затруднительно
В связи с этим селекционеру важно определить наследственные признаки самцов, которые непосредственно у них не проявляются (жирномолочность, яйценоскость). Поэтому оценка животных может быть осуществлена по их родословной и по качеству их потомства
Имеет определенное значение также учет экстерьера, то есть совокупности внешних признаков животного.
Родственное скрещивание ведет к гомозиготности и чаще всего сопровождается уменьшением устойчивости животных к неблагоприятным факторам среды, снижением плодовитости и т.п. Для устранения неблагоприятных последствий используют неродственное скрещивание разных линий и пород. На основе межпородного скрещивания были созданы высокопродуктивные сельскохозяйственные животные (в частности М.Ф.Иванов создал высокопродуктивную породу свиней Белая украинская, породу овец Асканийская рамбулье). Неродственное скрещивание сопровождается гетерозисом. Примером эффективного использования гетерозиса служит выведение гибридных цыплят (бройлерное производство).
Отдаленная (межвидовая) гибридизация животных приводит к бесплодию гибридов. Среди достижений по отдаленной гибридизации животных следует отметить мула — гибрида кобылы с ослом, бестера- гибрида между белугой и стерлядью, продуктивного гибрида между карпом и карасем, гибриды крупного рогатого скота с яками и зебу, отдаленные гибриды свиней и т.д.
Отбор
Сравнительная характеристика естественного и искусственного отбора, их отличия и схожесть отражены в таблице.
Звено, осуществляющее отбор
Осуществляется под влиянием окружающей среды
Совершенствуются в процессе эволюции, наследственная передача
В роли материала выступает
Индивидуальный признак или признаки
Индивидуальный признак или признаки
Характеристики, не несущие ценности
Выбраковываются в процессе отбора
Выбраковываются в процессе борьбы за существование
Основные задачи, диктующие необходимость отбора
Сохранением свойств полезных человеку
Приспособлением растения, животного, микроорганизма к меняющимся условиям существования
Получение новых штаммов, сортов, пород
Проводимый индивидуально; проводимый массово;
При изменении внешних условий – движущий, при постоянных условиях направлен на сохранение и закрепление признака – стабилизирующий.
Массовый отбор сопровождается выделением организмов, интересующих человека по своим внешним фенотипическим параметрам. Генотип при этом не учитывается. Этот метод применяют издревле, что обусловлено сохранением генетической устойчивости пород и сортов на протяжении ряда лет. Это позволяет выводить сорта с высокой урожайностью.
Если отбор выполняют, учитывая влияние генотипа – совокупности генов одного организма, говорят об индивидуальном отборе
Фенотип здесь не учитывают, основное внимание здесь отводят проявлению признака в поколениях. Оценка по потомству – необходимый прием индивидуального отбора
Отбор
В селекции действует естественный и искусственный отбор. Искусственный отбор бывает бессознательный и методический. Бессознательный отбор проявляется в сохранении человеком лучших особей для разведения и употреблении в пищу худших без сознательного намерения вывести более совершенный сорт или породу. Методический отбор осознанно направлен на выведение нового сорта или породы с желаемыми качествами.
В процессе селекции наряду с искусственным отбором не прекращает своего действия и естественный отбор, который повышает приспособляемость организмов к условиям окружающей среды.
| Признак | Естественный отбор | Искусственный отбор |
|---|---|---|
| Исходный материал для отбора | Индивидуальные признаки организмов | Индивидуальные признаки организмов |
| Отбирающий фактор | Условия среды (живая и неживая природа) | Человек |
| Путь благоприятных изменений | Остаются, накапливаются, передаются по наследству | Отбираются, становятся производительными |
| Путь неблагоприятных изменений | Уничтожаются в борьбе за существование | Отбираются, бракуются, уничтожаются |
| Направленность действия | Отбор признаков, полезных особи, популяции, виду | Отбор признаков, полезных человеку |
| Результат отбора | Новые виды | Новые сорта растений, породы животных, штаммы микроорганизмов |
| Формы отбора | Движущий, стабилизирующий, дизруптивный | Массовый, индивидуальный, бессознательный (стихийный), методический (сознательный) |
Отбор бывает массовый и индивидуальный. Массовый отбор — выделение из исходного материала целой группы особей с желательными признаками и получение от них потомства. Индивидуальный отбор — выделение отдельных особей с желательными признаками и получение от них потомства. Массовый отбор чаще применяют в селекции растений, а индивидуальный — в селекции животных, что связано с особенностями размножения растений и животных.
Селекция растений
Для селекционера очень важно знать свойства исходного материала, используемого в селекции. В этом плане очень важны два достижения селекционера Н.И
Вавилова.
Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости: виды ироды, генетически близкие (связанные друг с другом единством происхождения), характеризуются сходными рядами в наследственной изменчивости. Так, например, и у мягкой, и у твердой пшеницы, и у ячменя существуют остистые, короткоостые и безостые колосья. Зная наследственные изменения у одного вида, можно предвидеть нахождение сходных изменений у родственных видов и родов, что используется в селекции. Чем ближе между собой виды и роды, тем больше сходство в изменчивости их признаков. Н.И. Вавиловым закон был сформулирован применительно к растениям, а позднее подтвержден для животных и микроорганизмов.
Учение о центрах происхождения культурных растений:
1) южноазиатский (рис, сахарный тростник, цитрусовые);
2) восточно-азиатский (соя, просо,гречиха);
3) юго-западноазиатский (пшеница, рожь, бобовые, виноград, плодовые культуры);
4) средиземноморский (маслины, капуста, другие овощные и кормовые культуры);
5) абиссинский (твердые пшеницы, ячмень, кофейное дерево);
6) центральноамериканский (кукуруза, хлопок, фасоль, табак);
7) южноамериканский (картофель, ананас, хинное дерево, кокаиновый куст).
Каждая сельскохозяйственная культура лучше развивается в тех условиях, которые в большей степени соответствуют экологическим условиям той местности, откуда произошло это растение.
В селекции растений наиболее широко используются массовый отбор, внутривидовая гибридизация и отдаленная гибридизация, полиплоидия.
Большой вклад в селекцию плодовых растений внес селекционер И.В. Мичурин. В основе его работ лежит сочетание гибридизации, в том числе и отдаленной, отбора и воздействия условиями среды на развивающиеся гибриды.
Многие сорта культурных растений являются полиплоидными. Таковы некоторые сорта пшеницы, ржи, клевера, картофеля, свеклы и т.д. Сочетание отдаленной гибридизации с последующим получением полиплоидных форм позволило преодолеть бесплодие отдаленных гибридов. В результате многолетних работ Н.В.Цицина и его сотрудников были получены гибриды пырея и пшеницы, пшеницы и ржи (тритикале).
К наиболее важным достижениям селекции растений следует отнести создание большого количества высокопродуктивных сортов сельскохозяйственных растений.
ТИПЫ СОРТОВ
Все сорта делятся на две базовые группы:
1. Местные сорта — сорта, созданные путем естественного и/или простейшего искусственного отбора в процессе возделывания культуры в конкретной местности. Такие сорта также назваются народными. Они обладают большой неоднородностью по морфологическим признакам и потребительским свойствам.
2. Селекционные сорта — сорта выведенные искусственно с помощью методов научной селекции. Они отличаются существенно большей однородностью по морфологическим признакам и свойствам.
Селекционные сорта в свою очередь по технологии селекции из исходного материала подразделяются на следующие субкатегории:
2.1. Сорт-популяция — сорт, полученный путем размножения большого числа растений, отобранных из исходного материала по заданным признакам. Эти сорта по схеме отбора эквивалентны местным, поэтому также обладают большой неоднородностью.
2.2. Линейный сорт — сорт, полученный путем размножения одного отобранного растения. Линейные сорта обладают существенно большей однородностью, чем сорта-популяции.
По технологии создания мутаций исходного материала селекционные сорта подразделяют на следующие категории:
2.A. Мутантный сорт — сорт, полученный путем отбора из популяций, полученных под воздействием мутагенных факторов. Данная технология имеет ограниченное применение в силу значительной сложности и трудоемкости.
2.B. Гибридный сорт — сорт, полученный путем гибридизации (скрещивания) двух или более сортов. Это наиболее востребованная технология селекции, поскольку она достаточно проста и эффективна, в т.ч. позволяет получать гетерозисные сорта, превосходящие по полезным свойствам родительские растения. На сегодня большинство сортов получают путем гибридизации.
2.C. Полиплоидный сорт — сорт, полученный путем кратного увеличения числа хромосом в ядре клетки, что позволяет резко улучшить качественные показатели сорта.
2.D. Генно-модифицированный сорт — сорт, полученный путем генной инженерии. В РФ сорта данного типа для культивирования не разрешены.
2.E. Сорт-клон — сорт, полученный путем размножения отобранного для сорта растения вегетативным способом — черенками, клубнями, луковицами, клубнелуковицами, корневищами и пр. При таком способе полностью сохраняется генетическая идентичность родителей и потомства, поэтому сорта — клоны в первых поколениях обладают очень высокой степенью однородности.
Внимание! Во многих популярных публикациях и даже в учебниках систематизация сортов по типам излагается недостаточно четко, в связи с чем часто допускаются ошибочные трактовки, в т.ч. противопоставление понятий сорт, селекционный сорт и сортовые культуры (семена) понятию гибрид, что неправомерно
Необходимо четко уяснить, что гибрид — это категория селекционного сорта, причем наиболее распространенная, а сорт — общее понятие, объединяющее все описанные выше типы сортов (см. определение в начале обзора). Понятие же сортовые культуры является некорректным, т.к. культуры — это культурные растения, и они обязательно характеризуются сортом, который в т.ч. подлежит обязательной регистрации в Государственном реестре селекционных достижений (см. обзор О Госсортреестре).
Сорт может быть районированным, т.е. ориентированным на определенные регионы допуска территории РФ на основании результатов проведенных сортоиспытаний. Большинство сортов, зарегистрированных в Госсортреестре, являются районированными.
Лучшие районированные сорта могут быть установлены в качестве стандартов качества для их регионов допуска. Такие сорта называются стандартными и часто указываются в характеристках близких сортов вида в качестве эталона сопоставления.
Более подробно о технологиях селекции и особенностях тех или иных категории сортов см. в специальных публикациях Библиотеки по тематике ФитоЦентра