Гибридизация как метод селекции

Мы выяснили, что большое разнообразие организмов, в том числе и древесных пород, обусловлено рядом причин, среди которых существенная роль принадлежит комбинационной изменчивости. Напомним, что комбинационная изменчивость реализуется в процессе полового размножения и связана, в частности со случайным сочетанием при оплодотворении различных в наследственном отношении мужской и женской половых клеток.

Скрещивание организмов, имеющих разную наследственность хотя бы по одному или нескольким признакам, называется гибридизацией, а особи, возникшие в результате такого скрещивания - гибридами.

Целью гибридизации является:

- повышение декоративных качеств и комбинирование их с устойчивостью к газам, задымлению и т.п.:

- повышение устойчивости растений против различных заболеваний, повреждений и вредителе, повышение зимостойкости и засухоустойчивости, а также увеличение жизнестойкости и долговечности растений;

- повышение мощности и быстроты роста;

- повышение урожайности, качества плодов, содержанию ценных веществ.

Одним из наиболее важных результатов гибридизации является гетерозис, проявляющийся у гибридного потомства.

Для объяснения причин гетерозиса разработано несколько гипотез. Наиболее распространена гипотеза доминирования, которая основана на представлении о том, что в процессе эволюции гены, благоприятно действующие на организм, становятся доминантными или полудоминантными, в то время как гены, действующие неблагоприятно, становятся рецессивными. Согласно этой гипотезе гетерозис объясняется тремя эффектами действия благоприятных доминантных генов: 1) подавление вредного действия рецессивных аллелей: Аа > аа; 2) аддитивный (суммарный) эффект неаллельных доминантных генов, одновременно действующих на определенные количественные признаки: А+В+С > А+В; 3) комплементарное взаимодействие ряда неаллельных доминантных генов :А « В > А+В.

Гипотеза сверхдоминирования объясняет гетерозис аллельным взаимодействием генов в гетерозиготном состоянии, вследствие чего АА< Аа>аа. Предполагается, что одинарная доза гена А благоприятнее действует на организм, чем его двойная доза в гомозиготе АА.

Гипотеза генетического баланса объясняет явление гетерозиса суммарным эффектом разнородных генетических процессов, изменяющих генетический баланс у гетерозиготы в сторону проявления той или иной формы гетерозиса.

Под гетерозисом обычно понимают повышенную мощность роста и продуктивности первого поколения гибридов в сравнении с родительскими формами. Однако гетерозисный эффект проявляется не только в повышенной мощности роста гибридов, но может наблюдаться при развитии физиологических, биохимических и морфологических признаков. Различают гетерозис: соматический, выражающийся в более мощном развитии вегетативных частей у гибридных организмов; репродуктивный - в более мощном развитии репродуктивных органов, в повышении плодовитости и урожайности и адаптивный - в повышении жизнеспособности и приспособленности растений к условиям среды. Гетерозис проявляется только в первом гибридном поколении. Во втором и последующих поколениях он постепенно затухает вследствие расхождения генов.

Чаще всего показатель гибрида (высота, масса и др) сравнивают с показателем родителя - это гетерозис называют истинным, или со средним показателем двух родителей – гетерозис гипотетический, или со стандартом – гетерозис конкурсный.

Для объяснения причин гетерозиса разработано несколько гипотез. Наиболее распространена гипотеза доминирования, которая основана на представлении о том, что в процессе эволюции гены благоприятно действующие на организм, становятся доминантными или полудоминантными, в то время как гены, действующие неблагоприятно, становятся рецессивными. Согласно этой гипотезе гетерозис объясняется тремя эффектами действия благоприятных доминантных генов: ) подавление вредного действия рецессивных аллелей: Аа > аа; 2) 1 аддитивный (суммарный) эффект неаллельных доминантных генов, одновременно действующих на определенные количественные признаки: А+В+С > А+В; 3) комплементарное взаимодействие ряда неаллельных доминантных генов :А « В > А+В.

Гипотеза сверхдоминирования объясняет гетерозис аллельным взаимодействием генов в гетерозиготном состоянии, вследствие чего АА< Аа>аа. Предполагается, что одинарная доза гена А благоприятнее действует на организм, чем его двойная доза в гомозиготе АА.

Гипотеза генетического баланса объясняет явление гетерозиса суммарным эффектом разнородных генетических процессов, изменяющих генетический баланс у гетерозиготы в сторону проявления той или иной формы гетерозиса.

Но не всякая гибридизация ведет к гетерозисному эффекту. Требуется подобрать для скрещивания такие родительские пары, которые бы несли нужные гены, т.е. пары с высокой комбинационной способностью.

О комбинационной способности двух скрещиваемых растений судят по продуктивности их потомства в сравнении с другими скрещиваниями или свободным опылением. Чем выше гетерозисный эффект, тем выше считается комбинационная способность пар.

Отбор форм с высокой комбинационной способностью проводится путем контролируемых скрещиваний с последующим испытанием гибридного потомства.

Скрещивая одно какое-нибудь растение со многими другими, мы будем получать потомства, у которых гетерозисный эффект варьирует по отдельным гибридным комбинациям. Средняя величина гетерозиса по всем этим комбинациям определяет общую комбинационную способность (ОКС) исходного растения. Отклонения же от среднего значения гетерозисного эффекта у той или иной конкретной комбинации определяет специфическую комбинационную способность (СКС).

Общую комбинационную способность у растений можно проверить через свободное естественное опыление испытываемого растения пыльцой неизвестного происхождения, а также методом топкросса (скрещивания нескольких испытываемых растений с одним общим тестером) и поликросса (свободного опыления испытываемых растений, высаженных на один участок, между собой)

Оценка растения на общую комбинационную способность является первым этапом. После этого, как будут отобраны формы с высокой общей комбинационной способностью, производится оценка их на специфическую комбинационную способность. Каждая форма оценивается по отношению к другой форме.

Общая комбинационная способность ОКС – представляет среднюю оценку отклонения потомков данного генотипа от средних всех полученных гибридов всех генотипов, включенных в опыт.

Специфическая комбинационная способность СКС – отклонение от средней величины гетерозиса в результате скрещивания отдельных родительских пар.

Проанализируем результаты скрещивания между восемью отобранными деревьями с целью установления их генетической ценности. Четыре из них выбраны в качестве отцовских родителей и четыре – в качестве материнских. Каждое мужское дерево скрещивалось с каждым материнским, а потомство было высажено в испытательных культурах. Через несколько лет после полевых испытаний потомство было оценено. Средние величины каждого кросса были измерены с единицах объема и представлены в виде таблицы 1. В ней указаны также средние величины потомства каждого родителя и средняя величина потомства по опыту в целом

Можно заметить, что средняя величина потомства отдельно взятого скрещивания деревьев 5х1 равна 9 объемным единицам, в то время как средняя величина потомства от всех скрещиваний дерева № 5 равна 13 объемным единицам. Средняя величина по опыту для всех потомств деревьев равна также 13.

Общая комбинационная способность ОКС определяется как средняя величина потомства отдельного дерева, когда она скрещивается со множеством других деревьев. Хотя показатели ОКС могут быть выражены в абсолютных величинах, обычно считается более удобным выражать их как отклонения от общей средней. То есть ОКС дерева – это способность давать при скрещивании с другими деревьями определенный средний уровень развития признака. ОКС будет выше у того дерева, у которого среднее значение признака потомства выше, чем у других. Таким образом, родитель с ОКС равной нулю, имеет среднюю ОКС. Положительная ОКС указывает на родителя, который производит потомство выше среднего, в то время как отрицательная ОКС – на родителя, производящего потомство, которое является ниже среднего для популяции.

Например, ОКС отцовского дерева 2 рассчитана как:

ОКС₂ =средняя величина дерева 2 – средняя по опыту = 17-13 = 4

Следовательно, дерево 2 имеет ОКС равную 4 единицам. Другие ОКС могут быть рассчитаны таким же образом. Например, ОКС для дерева 4 равна +1, в то время как ОКС дерева 3 равна -3 единицы.

Специфическая комбинационная способность СКС – это термин, относящийся к средней величине потомства, полученного от скрещивания двух отдельных родителей. Ее величина отличается от величины ОКС. Она может быть отрицательной или положительной. СКС всегда относится к специфическому кроссу и никогда к отдельному родителю самому по себе.

СКС для кросса между деревом 3 и деревом 6 (кроссовое значение равно 12) может быть рассчитана следующим образом.

1. Рассчитывается ОКС для обоих родителей: ОКС₃=-3; ОКС₆=1

2.Значения ОКС прибавляются к популяционной средней, образуя ожидаемую ценность кросса 3 х 6, базирующуюся на общих комбинационных способностях:

Ожидаемая ценность равна: средняя опыта+ОКС₃+ОКС₆=13+(-3)+(-1)=9

2. Вычитаем рассчитанную ожидаемую ценность от наблюдений ценность кросса 3х6. Результат и есть СКС.

СКС_3х6= наблюдаемое значение – ожидаемое значение 12=9=3

В зависимости от систематической принадлежности скрещиваемых пар различают внутривидовую и отдаленную (межвидовую и межродовую) гибридизацию.

Скрещивание особей, принадлежащих к одному виду, но различающиеся своей наследственностью, называется внутривидовой гибридизацией.

Задачи скрещиваний при этом могут быть различны. В связи с этим существуют следующие способы скрещиваний: комбинационное, трансгрессивное, межлинейное и отдаленное внутривидовое скрещивание.

Комбинационное скрещивание.

Целью комбинационного скрещивания является комбинирование двух или нескольких признаков, имеющихся у различных особей. Например, селекция может вестись на сочетание таких признаков как мощность роста и высокое качество древесины, или качество древесины и устойчивость против гнили и т.д.

Трансгрессивное скрещивание.

Цель трансгрессивного скрещивания - усиление в потомстве какого-то одного количественного признака. Например, предполагается, что рост дерева контролируется многими генами. Следовательно, продуктивность деревьев будет выше там, где будет наибольшее количество генов контролирующих этот признак. Сущность трансгенного скрещивания состоит в максимальном накоплении генов, обуславливающих развитие данного признака, через последовательно проводимые скрещивания в ряду поколений.

Межлинейное скрещивание

Это скрещивание двух чистых или инбедных линий с цель получения гетерозисного эффекта. Чистые линии - это совокупность генетически однородных организмов, возникающих в результате самоопыления у растений или длительного близкородственного скрещивания у животных. Чем больше поколений подвергается самоопылению, тем более однообразными становятся потомки. При этом сильно снижаются жизнестойкость растений, их рост и продуктивность. Чистые линии сами по себе значения не имеют. Они используются для скрещивания между собой. У межлинейных гибридов первоначальная жизненность восстанавливается, и при этом очень часто возникают гибриды, значительно превосходящие исходные растения.

Все три вышеуказанные способа для древесных растений пока еще не нашли широкого применения, так как требую много времени. Они широко применяются в сельскохозяйственной селекции.

Наиболее перспективным для использования в лесной селекции является отдаленная внутривидовая гибридизация путем скрещивания представителей различных климатипов. В случае удачного подбора родительских пар, т.е. с высокой специфической комбинационной способностью можно получить гибридное потомство с четко выраженным гетерозисным эффектом.

Например А.Я. Любавская выявила гетерозисный эффект в росте гибридного потомства от скрещивания березы бородавчатой из-под Москвы и березы бородавчатой из Орловской области. Установлен гетерозисный эффект от скрещивания шведских елей с елями из центральной Европы. В Беларуси получен гибрид сосны обыкновенной обладающий репродуктивным гетерозисом (сосна гроздешишечная) от скрещивания сосен различного географического происхождения Установлены также многочисленные гетерозисные эффекты от скрещивания осин различных климатипов. Это говорит о том, что внутривидовая гибридизация между различными климатипами является целесообразной.

Для достижения поставленных целей селекции и в зависимости от применяемого способы скрещивания в селекции применяются различные типы скрещиваний.

Все типы скрещиваний подразделяются на простые и сложные.

Простыми называют однократные скрещивания между двумя родительскими формами. При простых скрещиваниях гибриды получаются на основе комбинации материнской и отцовской форм. Простые подразделяются на:

парные (А´Б) или (В´Г);

диаллельные, когда каждая испытываемая линия или форма скрещивается со всеми другими линиями или формами (А´В, А´В, А´Д, А´Е);

реципрокные, при которых каждый из двух сортов или форм в одном случае является материнской формой , а в другом отцовской (А´В и В´А).

Множественные скрещивания или поликроссы - это такиескрещивания, когда материнское растение опыляется смесью пыльцы нескольких видов и сортов. Этот вид скрещивания схематически можно изобразить так: А´(Б+В+Г+Д и т.д.), где буквой А обозначено материнское растение, а буквами Б,В,Г,Д - отцовские растения, от которых берется пыльца для составления смеси пыльцы.

Сложными скрещиваниями называют скрещивания, когда в гибридизацию вовлекается более двух родительских форм или когда гибридное потомство повторно скрещивается с одним из родителей Они подразделяются на возвратные, ступенчатые, конвергентные, межгибридные.

Возвратные скрещивания или беккроссы - скрещивания при которых гибрид повторно скрещивается с одной из родительских форм. Их еще называют возвратными скрещиваниями и схематически записываются следующим способом: 1-й год А´В, 2-й год (А´В)´А или (А´В)´В.

Конвергентные или насыщающие скрещивания - это возвратные повторные скрещивания. Схематически это выражается так: 1-й год А´В, 2-й год (А´В)´А, 3-й год ((А´В)´А)´А. Этот метод часто применяются при выведении сортов устойчивых к болезням. При насыщающих скрещиваниях признаки и свойства одного из родителей почти полностью за исключением немногих генов.

Ступенчатые скрещивания - это скрещивание гибрида от простого скрещивания двух растений или двух сортов с третьим новым сортом или новым растением, затем с четвертым и т.д. Формула А´В, (А´В)´С, ...., ((А´В)´С)´Д, .....

Межгибридными скрещиваниями называют такие, при которых объединение наследственности нескольких родителей осуществляются не последовательно, как при ступенчатом, а параллельно после предварительного получения простых гибридов и последующего их скрещивания. Схема А´В и С´Д ,а затем (А´В)´(С´Д).

Все виды скрещивания применяются в лесной селекции.

Отдаленная гибридизация. Это скрещивание растений, принадлежащих к разным видам или родам. Основной трудностью при межродовой гибридизации является нарушение генетического баланса, когда даже при одинаковом числе хромосом у скрещиваемых пар отдельные гены качественно различны и не соответствуют друг другу. Это ведет к тому, что гибридные семена вообще могут не завязываться. Даже в случае завязывания небольшого количества семян, выращенное из них потомство будет, как правило, стерильным вследствие отсутствия в половых клетках гомологичных хромосом и нарушения нормального хода мейоза. В этом случае размножать ценный гибрид можно только вегетативным путем.

В естественной природе межродовые гибриды распространены очень редко. Имеется опыт получения межродовых гибридов: И.В.Мичурин - гибрид рябины и груши; А.С.Яблоков - гибрид разных видов ореха. Все полученные гибриды обладали гетерозисныем эффектом.

Межвидовые гибриды встречаются в живой природе чаще. Выявлены естественные межвидовые гибриды лиственницы, ели, тополя, ивы, некоторых сосен, березы. Получены также интересные опыты по получению искусственных межвидовых гибридов. Так, гибрид лиственниц европейской и японской отличается повышенной жизнестойкостью и лучшим ростом по сравнению с исходными видами. Многочисленные гибриды тополей, ив, березы и дуба отличаются также хорошим ростом и более высокой устойчивостью.

Главной задачей при межвидовых скрещиваниях является получение гибрида, обладающего мощным гетерозисным эффектом. Однако при этом, несомненно, преследуется и цель сочетания ценных признаков и свойств в гибридном потомстве

Одной из основных трудностей в экспериментах по межвидовой гибридизации является не всегда хорошая скрещиваемость видов. Могут быть такие случаи, когда: а) скрещивание между видами вообще не удается; б) скрещивание удается, но завязывается очень мало семян (этот случай может иметь практическое значение только если гибриды первого поколения легко размножаются вегетативно); в) скрещивание удается или, во всяком случае, образуется достаточно семян для практического их использования.

Успех гибридизации в значительной степени определяется правильным подбором для скрещивания родительских пар. Общим показателем при подборе родительских пар для гибридизации является высокая выраженность у них интересующих селекционера признаков и свойств. Родительские пары должны обладать экономически выгодной комбинацией признаков, экологической и возрастной стабильностью их проявления. Родительские пары подбираются по экологическому признаку, по продолжительности фаз вегетации (гибридизация на скороспелость), по продуктивности, по устойчивости.

Основные принципы подбора родительских пар:

эколого-географический метод;

подбор пар по элементам продуктивности растений;

подбор пар по продолжительности отдельных фаз вегетации;

подбор пар на основе различия по устойчивости сортов к заболеваниям.

Эколого-географический метод подбора родительских пар заключается в том, что признаки и свойства, разобщенные между географически и экологически отдаленными сортами и формами, объединяются в одном новом сорте в нужном их сочетании.

Подбор пар по элементам продуктивности растений производится с учетом различных составляющих продуктивности. Так, например количество семян и вес 1000 штук семян.

Подбор пар по продолжительности отдельных фаз вегетации.Это сочетание в гибридном сорте наиболее коротких отдельных фаз. Для этого нужно, чтобы исходные формы отличались по данному признаку: у одного сорта короткими должны быть одни фазы, у другого другие. Для выявления этих сортов проводят фенологические наблюдения, отмечая продолжительность каждой фазы.

Подбор пар на основе различий устойчивости сортов к заболеваниям. При этом необходимо создавать сорта, способные противостоять, возможно, большему числу физиологических рас паразитов при самых разнообразных экологических условиях.

При планировании скрещиваний всех категорий (внутривидовых, межвидовых и межродовых) нужно иметь в виду следующее:

а) в качестве материнского растения нужно брать здоровые, неистощенные экземпляры намеченного вида, иначе может получиться слабое потомство. Материнские растения передают потомству свои особенности обычно более полно, чем отцовские растения.;

б) для того, чтобы обеспечить успешное скрещивание надо брать молодые, только что вступившие в пору плодоношения растения, лучше всего впервые цветущие. При этом обеспечивается наилучший выход гибридных плодов и семян. Однако надо иметь в виду, что молодые растения обладают меньшей степенью передачи своих свойств гибридному поколению по сравнению со старшими по возрасту. Поэтому если те или иные свойства материнского растения должны быть ослаблены надо брать молодые растения в качестве материнских. В случае, когда в гибридных растениях нужно получить преобладание материнских свойств, это растение подбирается из числа более старших возрастов;

в) местные виды и формы, наиболее устойчивые и приспособленные к местным условиям существования и отличаются большей способностью передавать свои свойства потомству. Полученные гибриды всегда уклоняются в сторону местных форм и сортов;

г) дикие формы обладают обычно более сильной способностью к передаче своих свойств и признаков, культурные сорта имеют более слабую склонность к передаче своих свойств;

д) скрещиваемые растения должны выбираться из географически отдаленных мест или из экологически неоднородных местообитаний;

е) кроме географической и экологической отдаленности скрещиваемые растения должны быть по возможности систематически отдаленными друг от друга.

Причины нескрещиваемости или плохой скрещиваемости те же что и для межродовых скрещиваний, т.е. генетическая несовместимость между видами. И.В.Мичурин разработал следующие методы преодоления нескрещиваемости при отдаленной гибридизации: опыление смесью пыльцы, метод посредника, метод предварительного вегетативного сближения и подбор материнского растения с расшатанной наследственностью. Для преодоления бесплодия применяется метод полиплоидии, когда у полученных бесплодных форм искусственно увеличивают число наборов хромосом.

Подбор материнского растения с расшатанной наследственностью.

Отдаленное скрещивание лучше удается, если в качестве материнского подбираются растения с неустойчивой наследственностью. Наиболее успешно оно проходит на первом году цветения материнского многолетнего растения и в том случае, когда материнским служит гибрид с расшатанной наследственностью, полученный от скрещивания родителей, отдаленных по месту своего происхождения.

Метод посредника.

Если две исходные формы не скрещиваются между собой, то подбирают третью, которая скрещивается с каждой из них, этот метод скрещивания с одним из подобранных родителей. Полученный гибрид скрещивают со вторым. Таким методом получены гибриды смородины, крыжовника, абрикоса.

Метод предварительного вегетативного сближения.

Он состоит в том, что перед скрещиванием один из родителей прививается на другом. Таким путем выведен гибрид рябины и груши. К груше прививается гибридный сеянец рябины (рябина обыкновенная и рябина черноплодная) и через 3-4 года они скрещивались.

Метод смеси пыльцы с добавлением материнской

Данный метод основан на избирательной способности и оплодотворении, на сложном физиологическом влиянии разновидной пыльцы на процесс оплодотворения. Так получены гибридные семена у антоновки при опылении смесью пыльцы вишни, груши, сливы, ирги, смородины и крыжовника.