Основы селекции растений, животных и микроорганизмов. Биотехнология

Селекция — наука о методах создания новых и улучшения существующих сортов культурных растений, пород домашних животных и штаммов полезных микроорганизмов с хозяйственно ценными признаками:

• Сорт (у растений), Порода (у животных), Штамм (у микроорганизмов) — искусственно созданные человеком популяции особей, характеризующиеся определенным генофондом, стабильными морфологическими и продуктивными свойствами и требующие для поддержания определенных условий среды;

• Академик Н.И. Вавилов в результате кругосветных экспедиций (собрал более 250 тыс. образцов семян) открыл центры происхождения культурных растений:

1. Южноазиатский тропический (рис, сахарный тростник, огурец);

2. Восточноазиатский (соя, просо, гречиха, слива, яблоня);

3. Юго-Западноазиатский (мягкая пшеница, рожь, горох, виноград);

4. Средиземноморский (оливы, капуста, свекла);

5. Абиссинский / Эфиопский (твердая пшеница, ячмень, кофе);

6. Центральноамериканский (кукуруза / маис, фасоль, тыква, какао, хлопчатник);

7. Южноамериканский / Андийский (картофель, томат, табак, ананас).

В 1920 г. Н.И. Вавилов сформулировал фундаментальный закон биологии:

«Генетически близкие виды и роды характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов».

Примеры:

• Если у пшеницы известны остистые и безостые, черные, красные и белые колосья, то аналогичные формы закономерно обнаружены у ржи, ячменя и овса;

• Альбинизм и бесшерстность встречаются параллельно у всех классов млекопитающих.

Практическое значение: закон позволяет селекционерам целенаправленно прогнозировать и отыскивать в дикой природе редкие мутации с ценными свойствами.

В селекции растений применяют специализированные методы:

• Искусственный отбор: массовый (отбор группы лучших особей по фенотипу у перекрестноопыляемых культур) и индивидуальный (отбор потомства одной самоопыляющейся особи с проверкой чистоты линии);

• Гибридизация: близкородственное скрещивание (инбридинг / инцухт у растений) — перевод генов в гомозиготное состояние для закрепления признака; неродственное (аутбридинг);

• Искусственный полиплоидизация: обработка проростков алкалоидом колхицином, который разрушает микротрубочки веретена деления в митозе, предотвращая расхождение хромосом. В результате образуются полиплоиды (триплоиды, тетраплоиды) с крупными плодами и высокой урожайностью;

• Преодоление бесплодия отдаленных гибридов: метод Г.Д. Карпеченко (1924 г.) — создание капустно-редечного гибрида (Raphanobrassica). У межвидового стерильного гибрида (9 хромосом редьки + 9 капусты = 18) полиплоидизацией удвоили набор до 36 (18R + 18B), восстановив конъюгацию в мейозе и плодовитость.

Селекция животных имеет фундаментальные ограничения (невозможность самооплодотворения, малочисленное потомство, длительный репродуктивный цикл):

• Применяется исключительно индивидуальный отбор с учетом родословной и оценкой экстерьера (статей телосложения);

• Оценка производителей по потомству — качество быков-производителей оценивают по молочности и жирномолочности их дочерей;

• Гетерозис («гибридная сила»): явление превосходства гибридов первого поколения F₁ над обоими родительскими формами по жизнеспособности, росту и продуктивности. Возникает при скрещивании контрастных чистых линий за счет перехода большинства полулетальных генов в гетерозиготное состояние (AaBbCc) и благоприятного межгенного взаимодействия. Во втором поколении F₂ эффект гетерозиса затухает из-за расщепления признаков.

Биотехнология — использование биологических систем, живых организмов и их метаболитов в промышленности и медицине:

• Клеточная инженерия основана на тотипотентности растительных клеток (способности любой соматической клетки дать начало целому организму). Метод культуры тканей in vitro: клетки каллуса выращивают на питательной среде с гормонами (ауксинами и цитокининами), получая миллионы безвирусных клонов (микроклональное размножение картофеля, орхидей);

• Селекция микроорганизмов: использование искусственного мутагенеза (облучение рентгеном и УФ) и последующего отбора высокопродуктивных штаммов грибов пеницилла, продуцирующих в тысячи раз больше антибиотика, чем дикие штаммы;

• Выдающиеся сорта и породы Казахстана: тонкорунная порода овец (Архаромеринос — гибрид дикого архара и тонкорунного мериноса), казахская белоголовая порода скота, засухоустойчивые сорта пшеницы академика Н.Л. Удольской.