Генетика - теоретическая основа селекции. Этапы развития генетики.

Современный период развития селекции начинается с формирования новой науки – генетики. Генетика – это наука, изучающая наследственность и изменчивость организмов. Очень важный вклад в выяснение сущности наследственности внес Г. Мендель (1822-1884), опыты которого по скрещиванию растений лежат в основе большинства современных исследований по наследственности. Чех по национальности, монах францисканского монастыря в Брюнне (ныне г. Брно), Г. Мендель вместе с тем преподавал естественные науки в реальном училище и очень интересовался садоводством. В течение многих лет он все свободное время посвящал опытам по скрещиванию различных культурных растений. В результате были открыты закономерности передачи признаков потомству. Свои результаты Г. Мендель доложил на заседании «Общества естествоиспытателей» в г. Брно, а потом опубликовал их в 1866 г. в научных работах этого Общества. Однако эти положения противоречили существующим в то время представлениям о наследственности и поэтому получили признание спустя 34 года после их переоткрытия.

В 1900 году одновременно появились три работы, выполненные тремя генетиками: Гуго де Фризом из Голландии, К. Корренсом из Германии и Э. Чермаком из Австрии. Они подтвердили законы наследственности, открытые Г. Менделем.

Опубликованные работа де Фриза, Корренса и Чермака обычно зовут повторным открытием законов Менделя и 1900 г. считается официальной датой начала существования экспериментальной генетики как самостоятельной науки.

Генетика как самостоятельная наука была выделена из биологии по предложению английского ученого Бэтсона в 1907 году. Он предложил и название науки – генетика.

С момента переоткрытия законов Менделя Н. П. Дубинин (1986) выделяет три этапа в развитии генетики.

Первый этап— это эпоха классической генетики, длившаяся с 1900 по 1930 годы. Это было время создания теории гена и хромосомной теории наследственности. Важнейшее значение имели также разработки учения о фенотипе и генотипе, о взаимодействии генов, генетических принципах индивидуального отбора в селекции, учения о мобилизации генетических резервов планеты для целей селекции. Некоторые из открытий этого периода заслуживают особого упоминания.

Немецкий биолог Август Вейсман (1834—1914) создал теорию, которая во многом предвосхитила хромосомную теориюнаследственности.

Гипотезы Вейсмана о смысле редукционного деления. Кроме того, он разграничил признаки, которые наследуются, и признаки, которые приобретаются под влиянием внешних условий или упражнения

А. Вейсман пытался экспериментально доказать ненаследуемость механических повреждений (в течение поколений он обрубал ей хвосты, но не получал в потомстве бесхвостых).

В дальнейшем общая концепция А. Вейсмана была уточнена с учетом данных цитологии и сведений о роли ядра в наследовании признаков. В целом он первым доказал невозможность наследования признаков, приобретенных в онтогенезе, и подчеркнул автономию зародышевых клеток, а также показал биологическое значение редукции числа хромосом в мейозе как механизма поддержания постоянства диплоидного хромосомного набора вида и основы комбинативной изменчивости.

В 1901 году Г. Де Фриз сформулировал мутационную теорию, во многом совпадающую с теорией гетерогенеза (1899) русского ботаника С. И. Коржинского (1861–1900). Согласно мутационной теории Коржинского – Де Фриза, наследственные признаки не являются абсолютно константными, а могут скачкообразно изменяться вследствие изменения –мутирования их задатков.

Важнейшая веха в развитии генетики – создание хромосомной теории наследственности –связана с именем американского эмбриолога и генетика Томаса Гента Моргана (1866–1945) и его школы. На основе экспериментов с плодовой мушкой – Drosophila melanogaster Морган к середине 20-х годов нашего века сформировал представление о линейном расположении генов в хромосомах и создал первый вариант теории гена – элементарного носителя наследственной информации. Проблема гена стала центральной проблемой генетики. Она разрабатывается и в настоящее время.

Свое продолжение учение о наследственной изменчивости получило в трудах советского ученого Николая Ивановича Вавилова (1887–1943), сформулировавшего в 1920 закон гомологических рядов наследственной изменчивости. Этот закон обобщил огромный материал о параллелизме изменчивости близких родов и видов, таким образом, связав воедино систематику и генетику. Закон явился крупным шагом на пути последующего синтеза генетики и эволюционного учения. Н. И. Вавилов создал также теорию генетических центров культурных растений, которая в значительной степени облегчила поиск и интродукцию необходимых генотипов растений.

В этот же период стали быстро развиваться и некоторые другие направления генетики, важные для сельского хозяйства. К ним относятся работы по изучению закономерностей наследования количественных признаков (в частности, исследования шведского генетика Г. Нильсона-Эле), по выяснению гибридной мощности – гетерозиса (работы американских генетиков Э. Иста и Д. Джонса), по межвидовой гибридизации плодовых растений (И. В. Мичурин в России и Л. Бэрбанк в США), многочисленные исследования, посвященные частной генетике разных видов возделываемых растений и домашних животных.

К этому же этапу относится и становление генетики в СССР. В послеоктябрьские годы сложились три генетические школы, возглавляемые крупными учеными – Н. К. Кольцовым (1872–1940) в Москве, Ю. А. Филипченко (1882–1930) и Н. И. Вавиловым (1887–1943) в Ленинграде, сыгравшие важную роль в развитии исследований по генетике.

Второй этап, – это этап неоклассицизма в генетике, длившийся с 1930 по 1953 гг. Начало второго этапа можно связать с открытием О. Эйвери в 1944 году вещества наследственности - дизоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

Это открытие символизировало начало нового этапа в генетике – рождение молекулярной генетики, которая легла в основу целого ряда открытий биологии XX века.

В эти годы была открыта возможность искусственного вызывания изменений в генах и хромосомах (экспериментальный мутагенез); обнаружено, что ген –это сложная система, дробимая на части; обоснованы принципы генетики популяций и эволюционной генетики; создана биохимическая генетика, показавшая роль генов для всех основных биосинтезов в клетке и организме;

К достижениям этого периода в первую очередь относится искусственный мутагенез. Первые данные о том, что мутации можно вызвать искусственно, были получены в 1925 году в СССР Г. А. Надсоном и Г. С. Филипповым в опытах по облучению низших грибов (дрожжей) радием, а решающие доказательства возможности экспериментального получения мутаций дали в 1927 г. опыты американца Меллера по воздействию рентгеновских лучей.

Другой американский биолог Дж. Стадлер (1927) открыл аналогичные эффекты у растений. Затем было обнаружено, что ультрафиолетовые лучи тоже могут вызывать мутации и что этой же способностью, хотя и в слабой степени, обладает высокая температура. Вскоре появились также сведения о том, что мутации можно вызвать химическими веществами. Это направление приобрело широкий размах благодаря исследованиям И. А. Рапопорта в СССР и Ш. Ауэрбах в Великобритании. Используя метод индуцированного мутагенеза, советские ученые во главе с А. С. Серебровским (1892–1948) приступили к изучению строения гена у Drosophila Mеlanogaster. В своих исследованиях (1929–1937) они впервые показали его сложную структуру.

На этом же этапе истории генетики возникло и развилось направление, ставящее целью изучение генетических процессов в эволюции. Основополагающие работы в этой области принадлежали советскому ученому С. С. Четверикову (1880–1959), английским генетикам Р.Фишеру И Дж. Холдэйну и американскому генетику С. Райту. С. С. Четвериков и его сотрудники осуществили на нескольких видах дрозофил первые экспериментальные исследования генетического строения природных популяций. Они подтвердили значение мутационного процесса в природных популяциях. Затем эти работы были продолжены Н. П. Дубининым в СССР и Ф. Добжанским в США.

На рубеже 40-х годов Дж. Билл (род. в 1903 г.) и Э. Тейтум (1909–1975) заложили основы биохимической генетики.

Приоритет в расшифровке структуры молекулы ДНК принадлежит американскому вирусологу Джеймсу Дью Уотсону (род. в 1928 г.) и английскому физику Френсису Крику (род. в 1916 г.), опубликовавшим в 1953 году структурную модель этого полимера.

С этого момента, а именно с 1953 года, начинается третий этап развития генетики – эпоха синтетической генетики. Обычно это время называют периодом молекулярной генетики.

Третий этап, который начался с построения модели ДНК, продолжился открытием генетического кода в 1964 году. Этот период характеризуется многочисленными работами по расшифровке структуры геномов. Так в конце 20-го века появились сведения о полной расшифровке генома мухи дрозофилы, ученые составили полную карту арабидопсиса или горчицы малой, расшифрован геном человека.

Расшифровка только отдельных участков ДНК уже позволяет ученым получать трансгенные растения, т.е. растения с внедренными генами от других организмов. Такими растениями, по некоторым данным, засеяна площадь, равная Великобритании. Это в основном кукуруза, картофель, соя. В наши дни генетика, разбившись на множество комплексных направлений. Достаточно отметить достижения генетической инженерии по получению соматических и трансгенных гибридов, создание первой карты генома человека (Франция, 1992; США, 2000), получение клонированной овцы (Шотландия, 1997), клонированных поросят (США, 2000) и др.

Начало 21 века названо постгеномным периодом и, видимо, будет ознаменован новыми открытиями в области генетики, связанными с клонированием живых существ, созданием новых организмов на основании механизмов генной инженерии.

Накопленные до настоящего времени методы позволяют намного быстрее расшифровывать геномы сложных организмов, а также внедрять в них новых гены.

Основные открытия в области генетики:

1864 – Основные законы генетики (Г.Мендель)

1900 – Переоткрыты законы Г. Менделя (Г.де Фриз, К. Корренс, Э. Чермак)

1900–1903 – Мутационная теория (Г.де Фриз)

1910 – Хромосомная теория наследственности (Т. Морган, Т. Бовери, У. Сэттон)

1925–1938 – «один ген – один белок» (Дж. Билл, Э.. Тэйтум)

1929 – делимость гена (А.С. Серебров, Н.П. Дубинин)

1925 – искусственные мутации (Г.А. Надсон, Г.С. Филиппов)

1944 – ДНК – носитель наследственной информации (О. Эйвери, К. МакЛеод)

1953 – структурная модель ДНК ( Дж. Уотсон, Ф. Крик)

1961 – генетический код (М. Ниренберг, Р. Холли, Г. Хорана)

1961 – оперонный принцип организации гена и регуляция генной активности у бактерий (Ф.Жакоба, Ж.Моно)

1959 – синтез гена (Г. Хорана)

1974–1975 – методы генной инженерии (К. Маррей, Н. Маррей, У. Бентон, Р. Дэйвис,Е. Саузен, М. Гранштэйн, Д. Хогнес)

1978–2000 – расшифровка геномов (Ф. Блатнер, Р. Клейтон, М. Адамс и др)

Методы генетики

ГИБРИДОЛОГИЧЕСКИЙ – производится анализ закономерностей наследования отдельных признаков и свойств организмов при половом размножении, а также анализ изменчивости генов и их комбинаторики (разработан Г. Менделем).

ЦИТОЛОГИЧЕСКИЙ - с помощью оптического и электронного микроскопов изучаются материальные основы наследственности на клеточном и субклеточном уровнях (хромосомы, ДНК).

ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКИЙ – синтез гибридологического и цитологического методов обеспечивает изучение кариотипа, изменений в строении и количестве хромосом.

ПОПУЛЯЦИОННО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ – основывается на определении частоты встречаемости различных генов в популяции, что позволяет вычислить количество гетерозиготных организмов и прогнозировать, таким образом, количество особей с патологическим (мутантным) проявлением действия гена.

БИОХИМИЧЕСКИЙ– изучаются нарушения обмена веществ (белков, жиров, углеводов, минеральных веществ), возникающих в результате генных мутаций.

МАТЕМАТИЧЕСКИЙ – производится количественный учет наследования признаков.

ГЕНЕАЛОГИЧЕСКИЙ – Выражается в составлении родословных. Позволяет установить тип и характер наследования признаков.

ОНТОГЕНЕТИЧЕСКИЙ – Позволяет проследить действие генов в процессе индивидуального развития; в сочетании с биохимическим методом позволяет установить присутствие рецессивных генов в гетерозиготном состоянии по фенотипу.