Сучасні методи селекції тварин, рослин і мікроорганізмів. Явище гетерозису та його генетичні основи.

СУЧАСНІ МЕТОДИ СЕЛЕКЦІЇ ТВАРИН, РОСЛИН І МІКРООРГАНІЗМІВ

Основні поняття й ключові терміни:

Добір. Гібридизація. Індукований мутаганез. Поліплоїдизація. Гетерозис.

Пригадайте! Що таке селекція?

Новини науки

Соняшник однорічний (Helianthus annuus) є однією з основних культур України. Вітчизняні селекціонери працюють над створенням високоолійних, промислових і кондитерських сортів, стійких до паразитів (наприклад, вовчка соняшникового) й гербіцидів із застосуванням класичних і нових методів селекції. А якими є ці методи селекції?

ЗМІСТ

Які сучасні методи селекції тварин, рослин і мікроорганізмів?

Основними методами селекції є добір, гібридизація, штучний мутагенез і поліплоїдизація.

• Добір - метод відбору й збереження особин з певними, цінними для людини ознаками і сприяння їхньому розмноженню. У селекції застосовують масовий (за фенотипом) та індивідуальний (за генотипом) форми добору.

• Гібридизація - це метод одержання нащадків внаслідок поєднання генетичного матеріалу різних клітин або організмів. Схрещування можливе як у межах одного виду (внутрішньовидова гібридизація, що буває спорідненою й неспорідненою), так і між особинами різних видів (міжвидова гібридизація).

• Індукований мутагенез - метод штучного одержання мутацій, зумовлений спрямованою дією різних мутагенів. У контрольованих умовах цим шляхом можна отримати мутації, що трапляються в природі зрідка або взагалі не виявляються.

• Поліплоїдизація - метод отримання організмів зі збільшеною кількістю хромосом, що кратна гаплоїдному набору. Метод застосовують у селекції рослин для підвищення врожайності, подолання стерильності гібридів та ін.

  А якими є нові пріоритети в селекції?

І. Розширення спектра генетичної мінливості. Однією з умов успішної селекційної роботи є різноманітність вихідного матеріалу. З цією метою в сучасній селекції застосовують методи генетичної інженерії (трансгенез, рекомбіногенез, цисгенез), створюють генетичні банки. Генетичні банки - це сховище насіння, меристем, статевих і соматичних клітин, придатних для відтворення представників видів, сортів і порід. Найбільший генетичний банк у світі - Свалбардський глобальний банк насіння рослин на о. Шпіцберген (Норвегія). В Україні існує Національний центр генетичних ресурсів рослин, в якому на тривале збереження закладено насіння 27 000 зразків 203 видів рослин.

II. Підвищення ефективності відбору. Застосування результатів досліджень молекулярної біології, молекулярної генетики, біохімії дають змогу селекціонерам підвищувати ефективність основних методів селекції. Так, у селекції тварин науковці вже здійснюють індивідуальний добір одразу після народження, не очікуючи на прояви ознак чи появу нащадків, що значно прискорює селекційний процес. Перспективним виявився молекулярний підхід, а саме добір за допомогою молекулярних маркерів, що став основою маркерної й геномної селекції. Метод гібридизації застосовується на молекулярному (метод гібридизації ДНК) і клітинному (метод гібридизації соматичних клітин) рівнях. Виник новий напрям селекційних досліджень - клітинна селекція. Для екологічної організації селекційного процесу формується адаптивна селекція, методи якої спрямовані передусім на створення високопродуктивних гетерозисних гібридів.

III. Підвищення інформативності селекційного процесу досягається завдяки інформаційним технологіям, комп'ютеризації, впровадженню методів моделювання. Наприклад, ефективним є використання в селекції рослин фітотронів (камер штучного клімату), в яких моделюють умови вегетації рослин для експериментальних досліджень, отримують кілька врожаїв за рік і тим самим значно прискорюють селекційний процес.

IV. Скорочення термінів створення сортів, порід і штамів. Для прискорення процесів селекції було розроблено нові методи, що підвищують результативність. Так, у селекції все ширше використовують методи генної та клітинної інженерії. Набувають поширення новітні біотехнологічні методи (метод соматичного ембріогенезу, метод активації пазушних меристем), що стали основою технологій клонального мікророзмноження рідкісних і цінних сортів культурних рослин, відтворення й реакліматизації рідкісних порід і видів тварин, отримання нових штамів мікроорганізмів для розщеплення забруднювачів та ін.

Отже, в сучасній селекції використовують потужний арсенал класичних і новітніх методів для створення й поліпшення вже існуючих порід, сортів й штамів.

Які генетичні основи гетерозису?

Одним із шляхів підвищення продуктивності сільськогосподарських рослин і тварин, розв'язування проблеми продовольчої безпеки є застосування явища гетерозису (іл. 93).

Гетерозис, «гібридна сила» - це явище, за якого перше покоління гібридів, одержаних унаслідок неспорідненого схрещування, має підвищені життєздат-ність і продуктивність порівняно з вихідними батьківськими формами. Генетичними основами гетерозису є різні типи взаємодії алельних і неалель-них генів. В одних випадках це може бути домінування (домінантні алелі пригнічують шкідливу дію рецесивних алелів у гетерозиготних гібридів), в інших - наддомінування (у генотипі гібридних нащадків можуть поєднуватися сприятливі домінантні алелі обох батьків), у третіх - комплементарність (поєд-нання в генотипі сприятливих неалельних домінантних генів). Окрім того, прояв гетерозису залежить від умов середовища, значну роль в його появі відіграють взаємодії ядра й цитоплазми. За даними біохімії, у гетерозисних форм часто спостерігається ширший набір ферментів порівняно з батьківськими.

Іл. 93. Ефект гетерозису (найкращий прояв у першому поколінні, а потім - згасання)

Практичне використання гетерозису ґрунтується на міжпородному (міжсортовому) і міжлінійному схрещуванні. У рослинництві гетерозис широко використовують під час вирощування соняшнику, кукурудзи, цукрового буряку, сорго, у тваринництві - для розведення свиней й бройлерних порід курей. Проблема закріплення гетерозису в рослин розв'язується на основі вегетативного розмноження гібридів, подвоєння наборів хромосом, використання гаплоїдії та методів генетичної інженерії.

Отже, генетичними основами гетерозису є різні типи взаємодії генів.

Які переваги застосування методів генетичної інженерії у сучасній селекції?

У створенні нових порід, сортів або штамів селекція стикається з такими проблемами, як несхрещуваність видів, некерованість ззовні процесами рекомбінації ДНК, непередбачуваність комбінацій ознак серед нащадків та ін. На селекційний процес з використанням класичних методів затрачається дуже багато часу, вплив мутагенів чинить шкідливу дію на генетичний матеріал, результати не завжди відповідають очікуваним сподіванням та ін. Через те в сучасній селекції широко застосовують методи генетичної інженерії.

Генетична інженерія - напрям науки, метою якого є створення генетичних структур та організмів з новими комбінаціями спадкових ознак. Основними її методами, що мають найширше використання, є: методи генної (метод молекулярних маркерів, методи секвенування) та клітинної (метод культур, метод гаплоїдів, метод клонування) інженерії.

Перевагою методів генетичної інженерії є забезпечення цілеспрямованої й контрольованої зміни ознак. У селекції ці методи застосовують для генетичного рекомбінування й перенесення генетичного матеріалу:

• рекомбіногенез - процес отримання нових поєднань генів, що здійснюється під час статевого розмноження шляхом кросинговеру, незалежного розходження гомологічних хромосом та поєднання гамет під час запліднення;

• трансгенез - отримання вихідного матеріалу внаслідок перенесення генів неспоріднених видів організмів (завдяки цьому методу отримано трансгенні сорти картоплі, стійкі проти колорадського жука, сорти цукрового буряку, стійкі проти гліфосату);

• цисгенез - отримання вихідного матеріалу внаслідок перенесення генів того самого або близькоспорідненого виду організмів, з яким можливе потенційне схрещування в природі (так, сучасні цисгенні фітофторостійкі сорти картоплі отримано шляхом перенесення генів стійкості від дикого виду картоплі до елітного сорту).

Методи генетичної інженерії значно прискорюють селекційні процеси: термін отримання нових форм організмів скоротився до 3-4 років замість 10-12 років, необхідних із застосуванням методів селекції. У цьому велике значення мають методи маркерної й геномної селекції з використанням молекулярних маркерів. Це фрагменти ДНК, що їх використовують для виявлення поліморфізму. Вони перебувають у тісному генетичному зв'язку з геном, відповідальним за аналізовану ознаку (найширше застосування в сучасній селекції мають ДНК-маркери).

І ще одна перевага полягає в тому, що генетична інженерія досліджує рекомбінації й методи отримання нових генетичних структур поза організмом, оскільки молекулярна біологія довела, що природні механізми збереження стабільності геному змінити неможливо і небезпечно.

Отже, застосування методів генетичної інженерії забезпечує розширення спектра генетичної мінливості, підвищення ефективності добору та скорочення термінів створення сортів, порід і штамів.

До основних методів селекції належать: добір, гібридизація, поліплоїдія, експериментальний мутагенез, методи генетичної інженерії.

За останні 70 років методом фізичного та хімічного мутагенезу створено 2250 сортів с/г рослин. Це сорти рису, пшениці, ячменю, бавовника, грейпфруту, яблук, бананів та багатьох інших рослин. з них 70% - безпосередньо мутанти та 30% - результат схрещування мутантів.

1) Масовий добір – застосовується в селекції перехреснозапильних рослин: жита, кукурудзи, соняшника тощо. При цьому виокремлюють групу рослин з цінними ознаками. В цьому випадку сортом є популяція, яка складається з гетерозиготних особин, і кожна насінина, навіть від материнської рослини, має унікальний генотип. За допомогою цього типу добору зберігаються та поліпшуються якості сорту, але результати добору є нестійкими через випадковість перехресного запилення.

2) Індивідуальний добір – є ефективним для самозапильних рослин: пшениці, ячменю, гороху тощо. За цього випадку нащадки зберігають ознаки батьківської форми, гомозиготні і є чистою лінією.

3) Інбридинг – застосовується при самозапиленні перехреснозапильних рослин, наприклад, для отримання чистих ліній. При цьому підбираються такі рослини, гібриди яких виявляють максимальний ефект гетерозису. Чисті лінії при цьому отримують протягом декількох років, зберігаючи суцвіття від потрапляння стороннього пилку.

4) Перехресне запилення самозапильних рослин – надає можливість поєднувати властивості різних сортів. У квіток рослин одного сорту видаляються пильники, поруч розміщують рослину іншого сорту і рослини двох сортів вкривають спільним ізолятом.

5) Отримання поліплоїдів. У рослин поліпоїди мають більшу масу та розміри. Багато культур є природними поліпоїдами: пшениця, картопля. Виведені сорти поліплоїдної гречки, цукрового буряку. Класичним методом отримання поліплоїдів є обробка проростків колхіцином – речовиною, що блокує утворення мікротрубочок веретена поділу під час мітозу. В клітинах подвоюється набір хромосом, клітини стають тетраплоїдними.

6) Віддалена гібридизація – схрещування рослин, що належать до різних видів. Однак віддвлені гібриди зазвичай стерильні, оскільки у них порушується мейоз і не утворюються статеві клітини. Втім, це можна подолати, застосовуючи поліплоїдні форми.

7) Використання соматичних мутацій – використовується до рослин, що розмножуються вегетативно. За допомогою такого типу розмноження можливо зберегти корисну соматичну мутацію. Властивості багатьох плодово-ягідних сортів рослин зберігаються тільки завдяки вегетативному розмноженню (суниця, малина, смородина тощо).

8) Експериментальний мутагенез – заснований на відкритті впливу різних видів опромінень для отримання мутацій, а також на використанні хімічних мутагенів. Мутагени дозволяють отримати широкий спектр різноманітних мутацій. На цей час у світі створено більше 1000 сортів, що походять від окремих мутантних рослин.

- Висока плодючість та чисельність нащадків

- Наявність самозапильних видів

- Здатність розмножуватися вегетативно

- Можливість штучно отримувати мутантні форми.

1) Внутрішньопорідне розведення – спрямоване на збереження та поліпшення породи. Для цього обирають найкращих плідників та відбраковують особини, що не відповідають вимогам (бонітування) породи. При цьому фіксують родоводи, екстер’єр та продуктивність тварин протягом багатьох поколінь.

2) Міжпородне схрещування – застосовують для створення нової породи.При цьому часто проводять близькоспоріднені схрещування, батьків схрещують з нащадками. Братів з сестрами – це допомагає отримати більшу кількість особин, які мають потрібні властивості. Інбридинг супроводжується постійним жорстким вибракування, зазвичай отримують одразу кілька ліній. Саме таким чином була виведена українська біла степова порода свиней – від самок місцевих порід і самців білої англійської породи.

3) Викоистання ефекту гетерозису (коли перше покоління нащадків перевершує за якісними ознаками батьків). Часто при міжпорідному схрещуванні гетерозисні тварини скоріше дозрівають та продукують більше м’яса або молока. Так, при схрещуванні двох порід м’ясних курей отримують гетерозисних бройлерів, при схрещуванні беркширської та дюрокджерської породи свиней отримують швидкостиглих особин з великою масою тіла та гарною якістю м’яса та сала.

4) Випробування за потомством – проводять для відбору самців, в яких протягом життя не виявляються деякі властивості (молочність та вміст жиру у биків, яйценосність у півнів тощо). Для цього плідників схрещують з кількома самками, оцінюють продуктивність та інші якості дочок, порівнюють їх з материнськими і з середніми за породою.

5) Штучне запліднення – використовують для отримання нащадків від кращих самців, статеві клітини можуть довго зберігатися за температури рідкого азоту і перевозитися на великі відстані.

6) За допомогою гормональної суперовуляції та трансплантації у корів можна збирати десятки ембріонів на рік, а потім імплантувати їх у матку інших корів. Ембріони також зберігаються за температури рідкого азоту. Це надає можливість у кілька разів збільшити кількість нащадків від видатних плідників.

7) Віддалена гібридизація, міжвидове схрещування – відоме здавна. Міжвидові гібриди тварин зазвичай стерильні внаслідок порушення мейозу. Найбільш відомим віддаленим гібридом є мул (гібрид кобили з віслюком). Іншим прикладом є архаромеринос (можуть пастися в горах як архари та мають гарну вовну як мериноси), гібриди ВРХ з дикими яками в Тибеті або зебу в Індії. За схрещування риби білуги та стерляді отримано високо плодючий гібрид бестер, при схрещування норки та тхора – тхонорик. Плодючим є гібрид карася та коропа.

- Для тварин властиве статеве розмноження , тому будь-яка порода є складною гетерозиготною системою

- Часто пізнє статеве дозрівання, зміна поколінь відбувається через декілька років

- Нащадки нечисленні

За допомогою мікроорганізмів отримують антибіотики, амінокислоти, білки, гормони, різноманітні ферменти, вітаміни тощо. Штами певних мікроорганізмів та їхні продукти застосовуються у випікання хлібу, приготуванні сирів, йогуртів, пива, вина.

Селекція мікроорганізмів (переважно бактерій та грибів) ґрунтується на експериментальному мутагенезі та доборі найбільш продуктивних штамів і має деякі особливості.

1) Оскільки геном бактерій є гаплоїдним, всі мутації виявляються вже у першому поколінні, а висока кількість нащадків дає можливість знайти корисну мутацію.

2) Проста генетична організація бактерій

3) Набагато більший ніж у рослин і тварин матеріал для селекційної роботи

Збільшення продуктивності мікроорганізмів та синтез ними речовин, які не виробляються даним організмом за звичайних умов, стало можливим завдяки використанню генної інженерії.

1) Масовий добір для відбору вихідного матеріалу

2) Штучний мутагенез для збільшення різноманітності вихідного матеріалу

3) Штучне схрещування різних штамів бактерій за допомогою вірусів-бактеріофагів (трансдукція)

4) Методи генної та клітинної інженерії для перенесення та видозміни спадкової інформації (трансформація та ампліфікація – збільшення кількості копій потрібного гену).

5) Метод злиття протопластів бактерій (гібридизація) з різних штамів для отримання мікроорганізмів з такою комбінацією генів, що не трапляються у природі.

Самостійна робота з таблицею. Пріоритети й методи селекції

Заповніть таблицю та сформулюйте висновок про необхідність поєднання класичних новітніх методів селекції.

Біологія + Селекція рослин. Цукровий буряк і гетерозис

Цукровий буряк (Beta vulgaris saccharifera) є різновидом буряку звичайного. Це найважливіша технічна рослина в Україні. Для її вирощування в буряківництві використовують лише насіння гетерозисних гібридів. Які переваги мають гетерозисні гібриди цукрового буряку порівняно із сортами-популяціями?

СТАВЛЕННЯ

Біологія + Селекція тварин. Голландська порода і селекція

Голландська порода ВРХ - найдавніша й найбільш поширена порода корів молочного напряму, що її розводять у 33 країнах п'яти континентів. Виведена вона в Голландії внаслідок довготривалого поліпшення місцевої голландської породи в умовах доброї годівлі та належного утримання. Нині діяльність селекціонерів спрямована на підвищення жирності молока. А які методи використовують науковці для селекційного поліпшення породи?

РЕЗУЛЬТАТ