Підручник з Біології і екології (рівень стандарту). 11 клас. Андерсон - Нова програма

Тема 9. ЗАСТОСУВАННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ БІОЛОГІЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ У МЕДИЦИНІ, СЕЛЕКЦІЇ ТА БІОТЕХНОЛОГІЇ

З історії відкриттів

Наукові основи селекції заклав іще англійський природодослідник Чарлз Роберт Дарвін. У 1883 р. швейцарський ботанік Альфонс Декандоль опублікував працю, у якій установив географічні області початкового походження найголовніших культурних рослин. Найдетальніше цю проблему розробляв біолог Микола Вавилов, визначивши сім основних географічних центрів походження культурних рослин.

Завдяки працям французького мікробіолога й хіміка Луї Пастера, що довели зв'язок процесів бродіння з діяльністю мікроорганізмів, традиційна біотехнологія набула наукової основи. У 40-50-ті роки ХХ ст., коли було здійснено біосинтез пеніцилінів методами ферментації, почалась ера антибіотиків, спричинивши розвиток мікробіологічного синтезу та створення мікробіологічної промисловості.

У 60-70-ті роки ХХ ст. розпочався бурхливий розвиток клітинної інженерії. Лауреатами Нобелівської премії 2012 року в області фізіології або медицини став британський учений Джон Гердон та японський дослідник Сін’я Яманака. Ще 1962 року Дж. Гердон провів експеримент, що поклав початок розробленню методів клонування. Через понад 40 років С. Яманака вперше у світі отримав індуковані плюрипотентні стовбурові клітини, які можуть розвиватися в клітини будь-якого типу. Унаслідок цих досліджень учені світу отримали нові методи вивчення хвороб, розробки способів їх діагностування та лікування.

Із винаходом методу визначення нуклеотидної послідовності ДНК, за який американський учений Вільям Гілберт й англієць Фредерік Сенгер 1980 року отримали Нобелівську премію з хімії, пов'язані дослідження будови й функціонування генів. Зі створенням 1972 року групою американського біохіміка Пола Берга першої гібридної молекули ДНК in vitro формально пов'язане народження генетичної інженерії, що відкрила шлях до свідомої зміни генетичної структури організмів.

Розв'язання проблем репродукції й онкологічних захворювань людини, становлення та розвиток трансплантологи годі уявити без успіхів молекулярної біології та біології розвитку. У ХХ ст. Нобелівською премією відзначили кількох видатних науковців: Ганс Шпеман розкрив механізм індукції розвитку одних частин ембріона іншими (1935 р.), Стенлі Коен та Рита Леві-Монтальчіні виявили ростові чинники - речовини, що регулюють ріст і розвиток різних частин організму (1986 р.), Едвард Льюїс, Крістіана Нюсляйн-Фольхард та Ерік Вішаус розкрили механізми генетичної регуляції ембріогенезу (1995 р.). Лауреатами Нобелівської премії 2018 року в галузі фізіології або медицини стали двоє вчених - американець Джеймс П. Еллісон і японець Тасуку Хондзьо, які запропонували терапію онкологічних захворювань людини специфічними антитілами.

Луї Пастер (1822-1895)

Рита Леві-Монтальчіні (1909-2012)

Крістіана Нюсляйн-Фольхард (1942)

§ 42. Завдання та методи сучасної селекції рослин, тварин і мікроорганізмів

Що таке вид, популяція?

Що таке генотип, фенотип, спадкова мінливість, природний добір?

У попередніх класах ви вже ознайомилися із закономірностями успадкування ознак та еволюційних змін, що відбуваються в живій природі. Це стане підґрунтям для опанування знань про селекцію організмів.

Селекція. Англійський науковець Чарлз Роберт Дарвін у своїй праці «Зміни свійських тварин і культурних рослин під впливом одомашнення» наголошував на тому, що утворення порід і сортів почалося з приручення людиною диких видів тварин і вирощування диких видів рослин.

Селекція - це наука, завдання якої - вивчення методів створення нових і поліпшення існуючих сортів рослин, порід тварин і штамів мікроорганізмів із цінними для людини ознаками та властивостями. Сортом і породою називають стійку популяцію організмів одного виду, що штучно створені та мають подібні морфологічні, фізіологічні, біохімічні й господарські ознаки. Штам - це чиста культура певного виду мікроорганізмів, у яких вивчені морфологічні та фізіологічні особливості.

Основними методами селекції є штучний добір і гібридизація. Людина, розвиваючи в різних напрямах ознаки диких предків, створила багато порід і сортів. Наприклад, нині у світі відомо понад 400 порід собак, що походять, імовірно, від одного дикого виду - Вовк звичайний (Пес дикий) (рис. 202).

Рис. 202. Предкова форма та різноманітність порід підвиду Пес свійський

Вовк звичайний

Німецька вівчарка

Пудель

Афганський хорт

Французький бульдог

Підготуйте повідомлення про створення порід домашніх улюбленців - котів, кролів, папуг або інших на власний вибір, використовуючи додаткові джерела та інтернет-ресурси.

Поміж багатьох організмів певного виду людина вибирає особини, які вирізняються ознаками, що найбільшою мірою її цікавлять. Після проведення схрещування залишають для розмноження саме ті особини, які успадкували ці ознаки. На початкових етапах розвитку людства діяв несвідомий добір. Надалі почали застосовувати добір цілеспрямовано за певними ознаками.

Штучний добір - це процес створення порід, сортів, штамів шляхом систематичного збереження особин з певними, цінними для людини, ознаками і сприяння їх розмноженню. Важливою умовою ефективності штучного добору є різноманіття вихідного матеріалу. Для цього використовують плідників з різних географічних областей. Існує масова й індивідуальна форми штучного добору. Масовий добір, за якого добирають особин з особливостями фенотипу, простий у застосуванні. Але особини, подібні за фенотипом, можуть виявитися різнорідними за генотипом, тож ефективність добору буде незначною. За індивідуального добору плідників добирають за результатами вивчення як фенотипу, так і генотипу. Метод, який уможливлює різноманітність селекційного матеріалу, - гібридизація.

Гібридизація - процес отримання гібридів, в основі якого лежить об'єднання в одній клітині генетичного матеріалу різних клітин. Інколи застосовують міжвидову, або віддалену гібридизацію, коли плідники належать до різних видів і родів (поєднання в гібридів цінних спадкових ознак). Цей тип гібридизації застосовують у плодівництві. У такий спосіб отримано гібриди ожини й малини, сливи й терну, пшениці й жита (тритикале) тощо (рис. 203).

Частіше застосовують внутрішньовидову гібридизацію, що її проводять між організмами одного виду. Схрещувані особини можуть мати різний ступінь спорідненості, тому розрізняють споріднене й неспоріднене внутрішньовидове схрещування.

Рис. 203. Утворення міжвидових гібридів

Малина звичайна

Ожина звичайна

Кумберленд - міжвидовий гібрид

Створіть просвітницький проект для учнів та учениць основної школи «Досягнення селекціонерів України в рослинництві».

Споріднене схрещування (інбридинг) - це гібридизація організмів, що мають спільних предків. Такий вид схрещування використовують для отримання чистих ліній організмів. Це призводить до гомозиготності, і в результаті виявляються рецесивні ознаки. Прикладом можуть слугувати самозапильні рослини та гермафродитні тварини, здатні до самозапліднення.

Неспоріднене схрещування (аутбридинг) - це гібридизація між організмами різних ліній. У гібридів шкідливі алелі переходять у гетерозиготний стан - спостерігається явище гетерозису.

Гетерозис (гібридна сила) - явище, за якого перше покоління гібридів, отриманих у результаті неспорідненого схрещування, має підвищені життєздатність, продуктивність, ріст і стійкість проти захворювань. Гетерозис у природі властивий багатьом групам організмів (рис. 204). Він виник водночас зі статевим розмноженням і може бути зумовлений генетичними причинами: у гетерозигот гаситься шкідлива дія рецесивних алелей; спостерігається дія сприятливих домінантних алелей, які наявні в батьківських формах і поєднуються в нащадків; спостерігається більш повне вираження деяких генів у гетерозигот, ніж у гомозигот.

Особливості селекції рослин. Рослини як об'єкти селекції мають низку особливостей. Вони вирізняються високою плідністю, тому селекціонери часто застосовують масовий добір. Для рослин характерне вегетативне розмноження, завдяки якому можна тривалий час зберігати гетерозиготність генотипу. Наявність видів, що самозапилюються, уможливлює виведення чистої лінії шляхом індивідуального добору.

Рис. 204. Гетерозис у тварин

Кінь свійський

Віслюк

Мул - гібрид кобили й віслюка, що характеризується витривалістю та працездатністю, але при цьому безплідний.

Підготуйте повідомлення про вияви явища гетерозису в рослин.

Рослинам властиве явище поліплоїдії - кратне збільшення числа хромосом у клітинах. Це один зі шляхів поліпшення сортів культурних рослин. Застосовуючи хімічні сполуки й певні види випромінювання під час проростання насіння, досягають поліплоїдії та отримують матеріал для добору.

Для селекції рослин застосовують спосіб штучного об'єднання частин різних особин - щеплення. Частину рослини, яку прищеплюють, називають прищепою, а рослину, до якої прищеплюють, - підщепою.

Історія розвитку світової селекції має чимало українських сторінок. В Україні, на Миронівській селекційній станції, було створено багато сортів рослин, зокрема високоврожайні сорти озимої пшениці з підвищеною стійкістю в екстремальних умовах (рис. 205).

Особливості селекції тварин. Для багатьох тварин характерні невелика кількість потомства та значна тривалість життя. Тому в тваринництві зазвичай застосовують індивідуальний добір. Свійські тварини - роздільностатеві організми, для них характерне лише статеве розмноження. У селекції тварин застосовують споріднене та неспоріднене схрещування (часто виявляється явище гетерозису), а також віддалену гібридизацію для виведення нових порід. Крім того, користуються методом визначення якостей плідників за показниками потомства.

Особливості селекції мікроорганізмів. Прокаріотів та одноклітинних еукаріотів використовують у харчовій, кормовій, виноробній промисловостях, а також для біологічної боротьби зі шкідниками. Гібридизація для мікроорганізмів майже не можлива через відсутність у більшості статевого процесу. У селекції мікроорганізмів, як і в рослин, широко застосовують штучний мутагенез - спричинений людиною процес виникнення мутацій, викликаних за допомогою мутагенних чинників (розглянуті в підручнику для 10-го класу).

Рис. 205. Український селекціонер В. Ремесло

(1907-1983)

Видатним українським селекціонером є Василь Ремесло. Він був директором Миронівського інституту селекції і насінництва пшениці. Шедевром світової селекції вважають сорт «Миронівська-808», а загалом В. Ремесло створив і районував 20 сортів озимої пшениці.

Наразі провідними установами України в галузі селекції є Інститут фізіології рослин та генетики (м. Київ) та Інститут рослинництва ім. В. Я. Юр'єва (м. Харків).

За останні 30 років у світі та в Україні створено високогетерозисні гібриди жита озимого. В Україні за останні роки створено 32 сорти ячменю ярого.

  • 1. Дайте означення понять селекція, сорт, порода, штам.
  • 2. Схарактеризуйте методи селекції.
  • 3. Порівняйте особливості застосування методів селекції рослин, тварин і мікроорганізмів.
  • 4. Наведіть приклади досягнень у галузі селекції.