Біологія. Комплексна підготовка до ЗНО і ДПА

Особливості селекції рослин, тварин, мікроорганізмів

Основні методи селекції взагалі і селекції рослин зокрема — добір і гібридизація.

Для перехреснозапильних рослин застосовують масовий добір особин з бажаними властивостями. Інакше неможливо одержати матеріал для подальшого схрещування. Таким чином одержують, наприклад, нові сорти жита. Ці сорти не є генетично однорідними.

Якщо ж бажане отримання чистої лінії, тобто генетично однорідного сорту, то застосовують індивідуальний добір, при якому шляхом самозапилення одержують потомство від однієї особини з бажаними ознаками. Таким методом було одержано багато сортів пшениці, капусти та ін.

Для закріплення корисних спадкових властивостей необхідно підвищити гомозиготність нового сорту. Іноді для цього застосовують самозапилення перехреснозапильних рослин. При цьому можуть фенотипно виявитись несприятливі дії рецесивних генів.

Основна причина цього явища — перехід багатьох генів у гомозиготний стан. У будь-якого організму в генотипі поступово накопичуються несприятливі мутантні гени. Вони найчастіше рецесивні і фенотипно не проявляються. Але при самозапиленні вони переходять в гомозиготний стан і виникає несприятлива спадкова зміна. У природі в самозапильних рослин несприятливі рецесивні гени мутантів швидко переходять у гомозиготний стан і такі рослини гинуть, вибраковуючись природним добором.

Незважаючи на несприятливі наслідки самозапилення, його часто застосовують у перехреснозапильних рослин для отримання гомозиготних («чистих») ліній з потрібними ознаками. Це призводить до зниження врожайності. Проте потім проводять перехресне запилення між різними «чистими» лініями і в результаті в ряді випадків одержують високоврожайні гібриди з потрібними селекціонерові властивостями. Цей метод міжлінійної гібридизації часто приводить до ефекту гетерозису: гібриди першого покоління відзначаються високою врожайністю і стійкістю до несприятливих умов. Гетерозис характерний для гібридів першого покоління, отриманих при схрещуванні не тільки різних ліній, але і різних сортів, і навіть видів. На жаль, ефект гетерозисної потужності буває сильним тільки в першому гібридному поколінні, а в наступних поколіннях поступово знижується.

Основна причина гетерозису полягає в усуненні в гібридах шкідливого прояву рецесивних генів, що накопичились. Інша причина — об’єднання в гібридах домінантних генів батьківських особин і взаємне посилення їх ефектів.

У селекції рослин широко застосовують експериментальну поліплоїдію, оскільки поліплоїди відзначаються швидким ростом, значними розмірами та високою врожайністю.

Шляхом штучного мутагенезу і подальшого відбору мутантів були одержані нові високоврожайні сорти ячменю та пшениці. Цими ж методами вдалось одержати нові штами грибів, що виділяють у десятки разів більше антибіотиків, ніж вихідні форми.

Зараз у світі культивують більше 250 сортів сільськогосподарських рослин, створених за допомогою фізичного та хімічного мутагенезу. Це сорти кукурудзи, ячменю, сої, рису, томатів, соняшнику, бавовнику, декоративних рослин.

При створенні нових сортів за допомогою штучного мутагенезу дослідники використовують закон гомологічних рядів М. І. Вавилова. Організм, що одержав у результаті мутації нові властивості, називають мутантом. Більшість мутантів має знижену життєздатність і відсівається в процесі природного добору. Для селекції нових порід і сортів необхідні ті рідкісні особини, які мають сприятливі або нейтральні мутації.

Віддалена гібридизація — це метод, при якому проводять схрещування рослин різних видів одного роду або навіть різних родів. Існують гібриди жита і пшениці, пшениці і дикого злаку егілопс. Проте віддалені гібриди, як правило, безплідні, оскільки в них неможливий нормальний процес дозрівання гамет через нездатність хромосом кон’югувати в профазі І мейозу.

Одним з досягнень сучасної генетики і селекції є подолання безпліддя міжвидових гібридів. Вперше це вдалося зробити Г. Д. Карпеченку при отриманні капустяно-редькового гібриду. У результаті віддаленої гібридизації було одержано нову культурну рослину тритікале — гібрид пшениці з житом (лат. Triticum — пшениця і Secale — жито). Віддалену гібридизацію широко застосовують у плодівництві.

Так само як у селекції рослин, у селекції тварин використовують добір і гібридизацію. Проте селекція тварин ускладнюється тим, що у них існує тільки статеве розмноження, потомство у більшості нечисленне і розвивається повільно. Одержати масовий матеріал для добору від незначної кількості тварин, які мають потрібні людині ознаки, дуже важко. Тому широко застосовують штучне запліднення, що дає змогу одержати від одного самця багато нащадків.

Через труднощі в отриманні масового потомства від пари батьків з потрібною людині ознакою в селекції тварин застосовують близькоспоріднене схрещування, або інбридинг, при якому між собою схрещуються особини з одного посліду або батьківські особини — з власним потомством. Проте при інбридингу велика вірогідність переведення несприятливих рецесивних алелей в гомозиготний стан. Як відомо, мутації, зокрема несприятливі, зазвичай рецесивні і рідко виявляються у фенотипі, але при близькоспорідненому схрещуванні такі гени перейдуть у гомозиготний стан і несприятлива ознака виявиться. Для усунення несприятливих наслідків інбридингу використовують аутбридинг (англ. out — зовні; breeding — розведення) — схрещування неспоріднених форм одного виду. При цьому не повинно бути спільних предків у найближчих 6 поколіннях.

В усіх випадках гібридизації проводять ретельний індивідуальний добір плідників для наступних етапів селекції. Для обліку характеру наслідування ознак у селекційних господарствах ведуть спеціальні племінні книги. Процес отримання нових порід тварин повільний; вважається, що для отримання нової породи, наприклад корів, потрібно не менше 30-40 років.

Проводячи селекцію тварин, важливо наперед визначити спадкові якості тварин-плідників — самців — за тими ознаками, які фенотипно у них не виявляються. Такими ознаками можуть бути: для биків — молочність і жирномолочність, для півнів — несучість їхнього потомства. З цією метою застосовують метод визначення певної якості тварини-плідника за потомством: спочатку одержують нечисленне потомство і порівнюють його продуктивність з материнською і з середньою продуктивністю даної породи тварин. Якщо продуктивність самок у потомстві виявиться підвищеною порівняно з цими показниками у породи, то роблять висновок про цінність плідника. Такий метод застосовують у племінній селекційній роботі.

При віддаленій гібридизації тварин, що належать до різних видів, одержують міжвидові гібриди з потрібними людині властивостями. Найчастіше міжвидові гібриди безплідні, оскільки в їх клітинах містяться батьківські набори хромосом, що відрізняються як за числом, так і за формою. Різні хромосоми не можуть правильно кон’югувати в профазі І мейозу, а тому статеві клітини міжвидових гібридів мають спотворений хромосомний набір і не можуть дати початок наступному поколінню. Проте такі гібриди можуть мати цінні для людини властивості. Багато століть, наприклад, люди розводять мулів — гібрид кобили й осла. Створено також гібриди коропа й карася, білуги та стерляді (бістер), корови і яка, вівці й архара та ін.

До досягнень селекції тварин можна віднести також отримання нової породи свиней: шляхом схрещування кнурів англійської породи (йоркширська біла) з льохами безпородних українських свиней була одержана порода біла степова. У цьому процесі широко використовували схрещування особин віддалених ліній і близькоспоріднене схрещування. Одержано численні породи овець, великої рогатої худоби, коней і тощо.

Селекція мікроорганізмів (на відміну від селекції рослин і тварин) має ряд особливостей:

• селекціонер має необмежену кількість матеріалу для роботи: за лічені дні в чашках Петрі або пробірках на поживних середовищах можна виростити мільярди клітин;
• більш ефективне використання мутаційного процесу, оскільки геном мікроорганізмів гаплоїдний, що дає змогу виявити будь-які мутації вже в першому поколінні;
• організація генома бактерій простіша: менше генів у геномі, менш складна й генетична регуляція взаємодії генів.

Ці особливості накладають свій відбиток на методи селекції мікроорганізмів, які багато в чому істотно відрізняються від методів селекції рослин і тварин. Наприклад, у селекції мікроорганізмів зазвичай використовують їх природну властивість синтезувати корисні для людини сполуки (амінокислоти, вітаміни, ферменти та ін.). У разі використання методів генної інженерії можна змусити бактерії та інші мікроорганізми продукувати ті сполуки, синтез яких у природних умовах їм ніколи не був властивий (наприклад, гормони людини і тварин, біологічно активні сполуки).

Природні мікроорганізми, як правило, мають низьку продуктивність щодо речовин, які цікавлять селекціонера. Для використання в мікробіологічній промисловості потрібні високопродуктивні штами, які створюють різними методами селекції, у тому числі відбором серед природних мікроорганізмів.

Відбору високопродуктивних штамів передує цілеспрямована робота селекціонера з генетичним матеріалом вихідних мікроорганізмів. Зокрема, широко використовують різні способи рекомбінації генів: кон’югацію, трансдукцію, трансформацію та інші генетичні процеси. Наприклад, кон’югація (обмін генетичним матеріалом між бактеріями) дала змогу створити штам, здатний утилізувати вуглеводні нафти. Часто вдаються до трансдукції (перенос гена з однієї бактерії до іншої за допомогою бактеріофагів), трансформації (перенесення ДНК з одних клітин в інші) та ампліфікації (збільшення числа копій потрібного гена).

Найважливішим етапом у селекційній роботі є індукування мутацій. Експериментальне отримання мутацій відкриває майже необмежені перспективи для створення вихідного матеріалу в селекції. Імовірність (частота) виникнення мутацій у мікроорганізмів (10^-10-10^-6) нижча, ніж в усіх інших організмів (10^-6-10^-4). Але ймовірність виділення мутантів у бактерій значно вища, ніж у рослин і тварин, оскільки отримати багатомільйонне потомство доволі просто.

Для виділення мутацій служать селективні середовища, на яких здатні рости мутанти, але гинуть вихідні особини дикого типу. Проводять так само відбір за забарвленням і формою колоній, швидкості росту мутантів і диких форм тощо.

Відбір за продуктивністю (наприклад, продуцентів антибіотиків) здійснюється за ступенем антагонізму та пригнічення росту чутливого штаму. Для цього штам-продуцент висівають на «газон» чутливої культури. За розміром плями, де відсутній ріст чутливого штаму навколо колонії штаму-продуцента, судять про ступінь активності (у даному випадку антибіотичної). У результаті селекції продуктивність продуцентів вдається збільшити в сотні й тисячі разів. Наприклад, комбінуючи мутагенез і відбір у роботі з грибом Penicillium, вихід антибіотика пеніциліну збільшили приблизно в 10 тис. разів порівняно з вихідним диким штамом.