СЕЛЕКЦИЯ РАСТЕНИЙ, ЖИВОТНЫХ

И МИКРООРГАНИЗМОВ

Говоря о селекции, следует иметь в виду два значения этого слова:

1) процесс создания сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов, полезных для человека;

2) наука, разрабатывающая теорию и методы создания сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов, полезных для человека.

Теоретическая база селекции – генетика. Итогом селекционного процесса является новый сорт, порода или штамм. Сортом, породой, штаммом называют популяцию организмов, искусственно созданную человеком и имеющую определенные наследственные особенности. Все особи внутри сорта, породы и штамма имеют сходные наследственные свойства и однотипную реакцию на факторы внешней среды. Как наука, селекция окончательно оформилась благодаря трудам Ч.Дарвина, который проанализировал огромный фактический материал по одомашниванию животных и введению в культуру растений и на этой основе создал учение об искусственном отборе.

Селекция как процесс представляет собой специфическую форму эволюции. Главная отличительная ее черта в том, что естественный отбор заменен на искусственный, проводимый человеком. Вавилов Н.И. писал, что селекция представляет собой «эволюцию, направляемую волей человека». Таким образом, селекция – есть важнейший род деятельности человека, итогом которой стали все имеющиеся сегодня сорта культурных растений, породы домашних животных и штаммы полезных микроорганизмов.

Основные разделы селекции как науки: 1) учение об исходном материале; 2) учение о типах и источниках наследственной изменчивости; 3) учение о роли среды в развитии признаков и свойств; 4) теория искусственного отбора.

Задачи селекции: 1) улучшение продуктивности пород животных, повышение урожайности сортов растений, имеющихся у человека; 2) выведение новых сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов, полезных для человека. Для выполнения этих задач у нас существует широкая сеть научных и научно-практических учреждений: институтов, селекционных станций, племенных хозяйств.

Селекция растений

Культурные растения произошли от диких предков. Этот процесс называют введением в культуру. Движущей и направляющей силой этого процесса служит искусственный отбор. Сначала бессознательный, случайный – отбор на способность размножаться в условиях искусственного возделывания. На этом этапе еще не ставится цель улучшить урожайность. Наиболее полно этот этап проанализировал Ч. Дарвин в своих работах «Происхождение видов» и «Изменение животных и растений в домашнем состоянии». Из 250 тысяч видов растений человек использует 3 тысячи видов, и только 150 видов он ввел в культуру. Первыми были введены в культуру хлебные злаки: рожь, просо, пшеница.

Следующим этапом введения в культуру растений было применение сознательных форм искусственного отбора с целью улучшения урожайности; качества продукции; устойчивости к экстремальным условиям среды, болезням и т. д.

В селекции выделяют два вида сознательного искусственного отбоpа: 1) массовый отбор; 2) индивидуальный отбор.

Массовый отбор проводится по внешним (фенотипическим) признакам в популяции. Например, в поле ржи из 1000 растений выбирают 50 с более полным колосом и крупными зернами, смешивают все зерна и высевают, ожидая более высокого урожая, но он будет выше не всегда, т. к. по внешним признакам не всегда можно определить лучший генотип (недостаток этой формы отбора).

Индивидуальный отбор ввел французский селекционер Ж. Вильморен. Суть его в том, что берутся семена от каждого растения и отдельно высеваются. Таким образом, оценивается индивидуально не только внешний вид, но и генотип. Индивидуальный отбор можно продолжить в последующих поколениях, добиваясь поставленной цели. Введение индивидуального отбора открыло эру комбинативной селекции, где основным элементом является скрещивание форм, отличающихся по отдельным признакам или их комплексам. Вслед за этим в расщепляющейся гибридной популяции в течение ряда поколений ведется отбор рекомбинативных гомозиготных форм с новыми сочетаниями генов.

Классические методы селекции: 1) гибридизация (близкородственная и отдаленная); 2) гетерозис; 3) полиплоидия; 4) искусственный мутагенез.

Близкородственная гибридизация основана у растений на самоопылении перекрестноопыляющихся сортов. При этом повышается гомозиготность особей по изучаемым признакам, что закрепляется в последующих поколениях. Потомство, полученное от самоопыляемой особи, называется чистой линией. При скрещивании чистых линий между собой (межлинейная гибридизация) в первом поколении наблюдается гетерозис (гибридная сила). Гетерозис повышает на 20-30% урожайность многих сортов растений (кукурузы, сахарной свеклы, огурцов, томатов). Эффект гетерозиса можно закрепить при вегетативном размножении либо за счет полиплоидии.

Отдаленная гибридизация позволяет сочетать в одном организме ценные признаки разных видов или даже родов. Как правило, она осуществляется с трудом, и уже первое поколение бесплодно.

Полиплоидия – увеличение набора хромосом, кратное гаплоидному. Играет большую роль при создании новых сортов растений: пшеницы, овса, картофеля, гречихи и др. Полиплоиды выгодны растению, так как более устойчивы к неблагоприятным условиям среды (на севере, в горах). Они более урожайны, что весьма выгодно человеку. Для их получения растения облучают или воздействуют различными химическими веществами (колхицином и дp).

Важнейший раздел селекции как науки – учение об исходном материале. Оно разработано выдающимся генетиком и селекционером Н. И. Вавиловым и подробно изложено в его работе «Центры происхождения культурных растений». Любая селекционная программа начинается с подбора селекционного матариала. Решая эту проблему, Н. И. Вавилов обследовал земной шар и выявил территории с наибольшим генетическим разнообразием растений. Их 8, и они являются центрами происхождения этих видов растений:

1) южно-азиатский (юг Индии, Китая, Индокитай) – родина риса, банана;

2) восточно-азиатский (южно-китайский) – родина проса, гречихи, яблони:

3) юго-западноазиатский (среднеазиатский) – родина гороха, винограда;

4) переднеазиатский – родина хлопчатника, тыквы;

5) средиземноморский – родина маслин, свеклы, капусты;

6) абиссинский – родина кофе, арбузов, твердой пшеницы;

7) центральноамериканский – родина кукурузы, фасоли, перца;

8) южноамериканский – родина картофеля, табака, арахиса и др.

Большой вклад в селекцию растений внес И. В. Мичурин. Для преодоления барьера нескрещиваемости и усиления доминантности он разработал несколько методов: метод ментора, метод вегетативного сближения тканей, метод посредника, метод опыления смесью пыльцы разных видов.

Достижения селекции: выведено много новых сортов растений, устойчивых к низким температурам, высокоурожайных, устойчивых к возбудителям болезней и т. д. У нас на Алтае в НИИ растениеводства и садоводства им. М. А. Лисавенко выведены многочисленные сорта яблони, сливы, облепихи, смородины и других плодовых и ягодных культур.

Селекция животных

Домашние животные произошли от диких предков. Этот процесс называют одомашниванием (приручением). Давно приручены коза, собака, овца, лошадь, свинья, а совсем недавно – лисицы, норки, соболи.

Общие принципы селекции животных те же, что и при селекции растений. И здесь движущей и направляющей силой служит искусственный отбор, т. е. в основе получения улучшенных и новых пород лежат отбор и наследственная изменчивость, протекающие на фоне условий среды, наиболее благоприятных фенотипическому проявлению желательных признаков. Однако селекция животных имеет отличия: 1) у домашних животных существует только половое размножение; 2) у животных невозможно провести массовый отбор; 3) важное значение имеет учет экстерьерных признаков (телосложение, соотношение частей тела, форма и др.), так как развитие многих хозяйственно важных признаков (молочной продуктивности, яйценосности у птиц) связано с этими признаками.

Первый этап селекции животных – приручение. Это ослабило действие стабилизирующего отбора и привело к резкому повышению изменчивости, а это на втоpом этапе использовал человек для искусственного отбора нужных (полезных) ему признаков.

Исследования показали, что географические области приручения животных в значительной мере совпадают с центрами многообразия и происхождения культурных растений.

В последние годы в селекцию животных введены новые методы: 1) искусственное осеменение; 2) гормональная суперовуляция и трансплантация (совокупность методов забора десятков зигот от лучших коров и выращивание их в организмах коров с более низкой племенной ценностью); 3) полиэмбриония (деление одной зиготы на ранних стадиях дробления на несколько частей и выращивание из каждой части целого организма).

Получены внушительные успехи в селекции животных: выведены высокопродуктивные степная белая украинская свинья, мясо-шерстной породы бараны, высокоудойные коровы, пушные звери с разной окраской меха (норки) и др.

Селекция микроорганизмов

Микроорганизмы играют важную роль в жизни человека. Многие из них создают вещества, необходимые для его жизнедеятельности. С древних времен человек использует уксуснокислые бактерии в производстве уксуса, молочнокислые бактерии для приготовления молочнокислых продуктов питания, пропионовокислые бактерии – в сыроделии и для получения витаминов. Актиномицеты используются как продуценты антибиотиков, дрожжи незаменимы в виноделии, пивоварении, хлебопечении; нитчатые грибы нужны для получения лимонной, глюконовой и итаковой кислот, а также в производстве пластмасс и т. д.

Использование микроорганизмов и их селекция стали возможны после разработки специальных микробиологических методов. Огромный вклад внес Луи Пастер. Он разработал научные методы селекции бактерий, базирующиеся на применении методического искусственного отбора и использовании естественного отбора, путем создания условий, в которых естественный отбор действует в желательном для человека направлении. Природные штаммы обычно низкопродуктивны. Поэтому основная задача селекции микроорганизмов – получение высокопродуктивных штаммов с помощью отбора и индуцированного мутагенеза. В качестве мутагенов применяют ультрафиолетовые и рентгеновы лучи, химические вещества. Например, удалось повысить в 10000 раз выход пенициллина из плесневого грибка; в 20000 раз – рибофлавина (витамина В2) из дрожжевого грибка; в 5000 pаз – витамина В12из бактерий.

Основные направления биотехнологии. Использование человеком биохимических и генетических свойств живых организмов в практических целях обусловило появление нового направления в биологии – биотехнологии. Биотехнология –совокупность промышленных методов, основанных на использовании живых организмов и биологических процессов для производства различных продуктов в целях улучшения свойств экономически ценных видов растений, животных и микроорганизмов. Согласно определению Европейской федерации по биотехнологии «биотехнология –интегрированное использование биохимии, микробиологии и инженерных наук в целях достижения технологического (промышленного) применения способностей микроорганизмов, культуры клеток тканей и их частей».

Выделяют три раздела биотехнологии: 1) микробиологическая промышленность; 2) генная инженерия; 3) клеточная инженерия.

Микробиологическая промышленность появилась в 60-е годы ХХ столетия и решает следующие задачи: обеспечивает животноводство полноценным кормовым белком; получает ферменты (амилазы, протеазы, целлюлазы), антибиотики, незаменимые аминокислоты, источники энергии в виде биогаза, этанола, водорода.

Генная инженерия – это конструирование функционально активных генетических структур и наследственно измененных микроорганизмов. Успехи этого направления базируются на работах Уотсона и Крика. Основной задачей генной инженерии является выделение генов, их клонирование и создание рекомбинативных ДНК (искусственных ДНК с новыми комбинациями генов, а следовательно, новыми признаками организма). На основе генной инженерии можно создать сверхпродуценты – микроорганизмы, с помощью которых наладить производство витаминов, антибиотиков, аминокислот быстрее, больше и дешевле, чем методами обычной селекции и генетики. Для медицины – производство инсулина, интерферона, ферментов, ряда противовирусных вакцин, гормона роста и др.

Клеточная инженерия – метод конструирования клеток нового типа путем культивирования, гибридизации и реконструкции. Значение клеточной инженерии: с ее помощью удалось соединить геномы весьма далеких видов и получить новые клетки с новыми признаками и свойствами. Изучая гибридные клетки, можно выяснить механизмы размножения и дифференцировки на молекулярном уровне. Клеточная инженерия применяется для получения узконаправленного действия антител, для создания новых форм растений с заданными свойствами.