ОСНОВЫ СЕЛЕКЦИИ И БИОТЕХНОЛОГИИ - ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ

Селекция — науки и методах создании новых и улучшения уже существующих сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов. Селекция разрабатывает способы воздействия на растения и животных с целью изменения их наследственных качеств в нужном для человека направлении. Селекция играет большую роль в обеспечении населения земного шара продовольствием. В последние годы селекция обогатилась результатами генной и клеточной инженерии, биотехнологии. Породы животных, сорта растений, штаммы микроорганизмов представляют собой совокупности особей, созданных человеком с помощью методов селекции, и характеризуются определенными наследственными особенностями, морфологическими и физиологическими хозяйственно ценными качествами. Поскольку свойства живых организмов обусловлены их нормой реакции на основе определенной генетической информации и подвержены модификационной и наследственной изменчивости, развитие селекции основано на закономерностях генетики.

Основные методы селекции включают гибридизацию и отбор, полиплоидию, мутагенез. За последние 10—15 лет были созданы принципиально новые методы экспериментальной биологии, клеточной и генной инженерии. Эти направления легли в основу новой области прикладной биологии — биотехнологии — промышленного использования биологических процессов и систем с целью получения необходимых человеку веществ (ферментов, витаминов, гормональных препаратов, лекарственных средств и др.) Необходима разработка методов борьбы с загрязнением окружающей среды и для зашиты растений от вредителей и болезней, создание новых штаммов микроорганизмов, сортов растений, пород животных. У биотехнологии, генетической и клеточной инженерии многообещающие перспективы. Со временем человек будет внедрять нужные гены в клетки растений, животных и человека, что постепенно избавит от многих наследственных болезней, позволит клеткам синтезировать необходимые лекарства и биологически активные соединения, белки и незаменимые аминокислоты, употребляемые в пищу.

Отбор и гибридизация

В основе селекции как науки лежит разработанная Ч. Дарвином концепция отбора. Он выделял три формы отбора, имеющие место у культурных растений и домашних животных: бессознательный, методический и естественный. В процессе естественного отбора в природе возникли те виды животных и растений, которые затем были подвергнуты человеком одомашниванию. Действие естественного отбора продолжается и после одомашнивания, вызывая изменения, связанные с приспособлением к условиям, которые созданы человеком. Основой селекции является искусственный отбор. На ранних этапах социальной эволюции человека искусственный отбор носил характер бессознательного и выражался в сохранении на племя лучших представителей и уничтожении (употреблении в пищу) худших без осознанного намерения вывести более совершенную породу или сорт. При методическом отборе человек осознанно занимается выведением сортов и пород с желаемыми качествами

Различают два вида искусственного отбора: массовый и индивидуальный. При массовом отборе выделяют группу особей с желаемыми признаками и получают потомство. Сорт, полученный этим способом, генетически неоднороден, и отбор время от времени повторяют. При индивидуальном отборе выделяют единичные особи с желаемыми признаками и отдельно выращивают их потомство. При последующем самоопылении у растений или близкородственных скрещиваниях у животных выводят чистые линии (группы генетически однородных (гомозиготных) организмов.

Отбор сочетают с гибридизацией, что позволяет увеличить разнообразие материала для селекции. Различают близкородственную и отдаленную гибридизацию, в ходе которых создаются генотипы, новые по составу генов

При близкородственной гибридизации — инбридинге (у растений — самоопылении) повышается степень гомозиготности организмов. Многократный инбридинг приводит к резкому ослаблению или вырождению потомков (проявляются рецессивные аллели, до инбридинга входившие в состав гетерозигот). При скрещивании особей разных линий — аутбридинге удается получить гетерозисные гибриды, превосходящие по своим качествам родительские формы. В этом случае проявляется эффект гетерозиса. Основной причиной гетерозиса является отсутствие проявления вредных рецессивных аллелей в гетерозиготном состоянии. Гетерозис широко применяется для создания высокопродуктивных гибридов, однако уже со второго поколения эффект гетерозиса значительно ослабляется.

Отдаленная гибридизация заключается в скрещивании особей разных видов. В силу генетических, морфологических, физиологических и иных различий организмов разных видов отдаленная гибридизация, как правило, осуществляется с большим трудом и требует применения специальных методов преодоления нескрешиваемости. Межвидовые гибриды часто оказываются бесплодными вследствие нарушения процессов гаметогенеза. Вместе с тем межвидовая гибридизация может привести к возникновению форм, сочетающих в себе ценные свойства разных видов.

Искусственные мутации и полиплоидные формы

Повышения количества мутаций достигают воздействием на организм различными мутагенами (ультрафиолетовые лучи, ионизирующее излучение, некоторые химические вещества). Селекционеры отбирают и культивируют организмы с интересующими признаками. Значительное место в селекции растений отводят получению полиплоидных форм у растений, так как они характеризуются большей урожайностью. В основе возникновения полиплоидии лежат три причины: удвоение хромосом в неделящихся клетках; слияние соматических клеток или их ядер; нарушение процесса мейоза, приводящее к образованию гамет с нередуцированным числом хромосом. Искусственно полиплоидию можно вызвать путем обработки семян или проростков растений, яйцеклеток или эмбрионов животных колхицином. Он разрушает нити митотического веретена и тем самым препятствует расхождению гомологичных хромосом в процессе мейоза. Полиплоиды могут также образовываться от скрещивания организмов, принадлежащих к разным видам. Так, отечественным генетиком Г.Д. Карпетченко был выведен плодовитый гибрид капусты и редьки. Число хромосом у этих растений одинаково (18). Однако они принадлежат к разным родам и межвидовой гибрид был бесплодным, так как родительские хромосомы негомологичны друг другу, не коньюгируют при мейозе и затем нормально не расходятся в гаметы. При искусственном удвоении хромосомного набора гибрида (36 — по 18 от каждого исходного вида) плодовитость восстанавливалась

Клеточная и генная инженерия

Методы клеточной и генной инженерии дают возможность создавать организмы с новыми, в том числе и не встречающимися в природе комбинациями наследственных свойств.

Клеточная инженерия основана на культивировании отдельных клеток или тканей на искусственных питательных средах. Клеточные культуры используют для получения пенных веществ (культура клеток женьшеня продуцирует лекарственное вещество). Метод вегетативного размножения в пробирке (in vitro) позволяет бесконечно размножать одно растение из кусочков его стебля, почки и т.д. Этот метод применим дли овощных культур, плодовых деревьев, декоративных растений и т.д.

Метод гибридизации клеток приобрел большое значение в селекции. Он позволяет гибридизировать соматические клетки, культивируемые на искусственных средах вне организма, не только между собой, но и с клетками животных другого вида. Широко применяют методику слияния протопластов (клеток, лишенных своих оболочек при ферментативной обработке) у растений.

Для изучения закономерностей функционирования дифференцированных клеток пересаживают ядра из соматических клеток в яйцеклетки с предварительно удаленными ядрами. В 1977 году проведены успешные эксперименты по клонированию овцы. Этот эксперимент показал, что соматические клетки млекопитающих содержат полную генетическую информацию взрослого организма.

Генная инженерия — совокупность методов и технологий получения рекомбинантных нуклеиновых кислот (ДНК, РНК), выделения генов и введения их в другие организмы. Задача этих методов состоит в получении индивидуальных генов или генетических структур и введении их в новое генетическое окружение с целью создания организма с новыми, заранее предопределенными признаками. Методами генной инженерии осуществлен синтез биологически активных веществ и препаратов в трансформированных клетках, а также культивирование генов больных и здоровых людей в клетках других организмов с целью изучения молекулярных основ наследственных заболеваний человека и разработки новых методов их лечения.

Селекция растений

Успех селекционной работы в значительной степени зависит от генетического разнообразия исходной группы организмов. С целью изучения многообразия и географического распространения культурных растений выдающийся генетик и селекционер академик Н.И. Вавилов организовывал многочисленные экспедиции в разные регионы Земли для сбора образцов культурных растений, их диких предков и сородичей. В результате был собран огромный семенной материал, который использовался для селекционной работы. Н.И. Вавилов сформулировал представления о центрах происхождения культурных растений (табл. 10.1).

Таблица 10.1

Центры происхождения культурных растении (по Н. И. Вавилову)

Центр	Географическое положение	Родина культурных растений
Южноазиатский тропический	Тропическая Индия, Индокитай, Южный Китай, о-ва Юго- Восточной Азии	Рис, сахарный тростник, огурец, баклажан, черный перец, цитрусовые и др. (50% культурных растений)
Восточноазиатский	Центральный и Восточный Китай, Япония, Корея, Тайвань	Соя, просо, гречиха, плодовые и овощные культуры — слива, вишня, редька и др. (20% культурных растений)
Юго-Западноазиатский	Малая Азия, Средняя Азия, Иран, Афганистан, Юго-Западная Индия	Пшеница, рожь, бобовые культуры, лен, конопля, виноград, абрикос, груша и др. (14% культурных растений)
Средиземноморский	Страны по берегам Средиземного моря	Капуста, сахарная свекла, маслины, клевер, чечевица и другие кормовые травы. (11% культурных растений)
Абиссинский	Абиссинское нагорье Африки	Твердая пшеница, ячмень, кофе, сорго, бананы
Центральноамериканский	Южная Мексика	Кукуруза, длинноволокнистый хлопчатник, какао, тыква, табак
Андийский (Южноамериканский)	Южная Америка вдоль западного побережья	Картофель, ананас, кокаиновый куст, хинное дерево

Именно эти районы стали впоследствии источником ценного исходного материала для селекции новых сортов растений.

Изучение наследственной изменчивости растений позволило Н.И. Вавилову сформулировать закон гомологических рядов в наследственной изменчивости, согласно которому близкие по эволюционному происхождению роды и виды растений имеют сходные ряды наследственной изменчивости. Более поздними исследованиями закон гомологических рядов был подтвержден у животных и микроорганизмов. Так, черная окраска семян встречается у многих злаковых; у животных также наблюдаются сходные мутации: у млекопитающих — альбинизм, отсутствие волосяного покрова, гемофилия и т.п. Это позволяет при знании ряда вариантов признаков в пределах одного вида предвидеть наличие аналогичных вариантов у представителей родственных видов и родов.

В селекции плодово-ягодных культур особое место занимают работы И.В. Мичурина. В основе их лежит сочетание гибридизации, в том числе и отдаленной, отбора и воздействия условиями среды на развивающиеся гибриды. Ученый скрещивал растения из разных отдаленных географических областей. Так, были выведены сорта яблони Бельфлер-китайка (от скрещивания американского Бельфлера желтого с крупноплодной китайкой) и груши Бере зимняя (от скрещивания дикой уссурийской груши с французским сортом Бере Рояль).

Важное место в селекционной работе Мичурина занимало управление доминированием. В конкретных условиях среды у гибридов преимущественно доминируют те признаки, которые получают наиболее благоприятные условия для своего развития. Если один из родительских сортов был морозостойким, а другой обладал хорошими вкусовыми качествами плодов, то развития этих качеств в гибриде И.В. Мичурин достигал специальными приемами выращивания такого гибрида. К их числу относится метод ментора. Воспитание в гибриде желательных качеств достигается путем специальных прививок между гибридом и одним из родительских сортов. Дальнейшее развитие гибрида идет под влиянием растения-воспитателя (ментора).

Селекция растений имеет огромное народнохозяйственное значение. Комплексное использование разнообразных методов селекции позволило ученым активно участвовать в процессе создания новых сортов растений и улучшения уже существующих. Многие сорта культурных растений являются полиплоидными. Таковы некоторые сорта пшеницы, ржи, клевера, картофеля, свеклы и т.д. В настоящее время проводятся работы по получению полиплоидных форм гречихи и ряда других растений.

Сочетание отдаленной гибридизации с последующим получением полиплоидных форм позволило преодолеть бесплодие отдаленных гибридов. В результате многолетних работ Н.В. Цицина и его сотрудников были получены гибриды пырея и пшеницы, пшеницы и ржи (тритикале). Методами отдаленной гибридизации и радиационного мутагенеза созданы перспективные сорта хлопчатника. Химический мутагенез лежал в основе получения многих новых сортов кукурузы, пшеницы, риса, овса, подсолнечника.

Селекция животных

Селекция животных имеет ряд особенностей. Так, животные размножаются только половым путем, смена поколений происходит довольно редко, количество особей в потомстве невелико.

Одомашнивание животных началось более 10 тыс. лет назад. Создание искусственной среды обитания ослабило действие стабилизирующей формы естественного отбора, что привело к относительному увеличению изменчивости и благоприятно сказалось на отборе, производимом человеком Влияние приручения на изменчивость пушных зверей (норки, лисицы, писца, соболя) изучено Д.К. Беляевым.

Для животных характерно в основном половое размножение. В связи с этим селекционеру важно определить наследственные признаки самцов, которые непосредственно у них не проявляются (жирномолочность, яйценоскость). В связи с оценка животных может быть осуществлена по их родословной и по качеству их потомства. Имеет определенное значение также учет экстерьера, т.е. совокупности внешних признаков животного. Подбор производителей в животноводстве особенно актуален в связи с применением в настоящее время искусственного осеменения, позволяющего получить от одного организма значительное число потомков.

В селекции животных широко применяют два вида скрещивания — родственное (инбридинг) и неродственное (аутбридинг). Инбридинг ведет к гомозиготности и чаще всего сопровождается уменьшением устойчивости животных к средовым факторам, снижением плодовитости и т.п. Для устранения неблагоприятных последствий используют неродственное скрещивание разных линий и пород. Скрещивание внутри породы или между породами сопровождается строгим отбором, что позволяет поддерживать полезные качества и усиливать их в последующих поколениях. На основе межпородного скрещивания были созданы высокопродуктивные сельскохозяйственные животные. В частности, М.Ф. Иванов создал высокопродуктивную породу свиней белая украинская, породу овец асканийская рамбулье.

Важнейшим направлением в селекции животных является применение гетерозиса, сущность которого состоит в том, что гибриды первого поколения имеют повышенную жизнеспособность и усиленное развитие. Примером эффективного использования гетерозиса служит выведение гибридных цыплят (бройлерное производство).

В нашей стране широко проводят работы по отдаленной гибридизации животных. Однако межвидовое скрещивание часто приводит к бесплодию гибридов. С глубокой древности человек использует гибрид кобылы с ослом. Мулы обнаруживают гетерозис, и хотя они не дают потомства, их широко используют в хозяйстве во многих странах. Среди достижений по отдаленной гибридизации животных следует отметить создание бестера — гибрида между белугой и стерлядью, продуктивного гибрида между карпом и карасем, гибриды крупного рогатого скота с яками и зебу, отдаленные гибриды свиней, гибриды тонкорунных овец с горным бараном архаром и т.д.

Селекция микроорганизмов

Микроорганизмы (бактерии, микроскопические грибы, простейшие и др.) играют исключительно важную роль в биосфере и хозяйственной деятельности человека. Многие из них продуцируют десятки видов органических веществ — аминокислот, белков, антибиотиков, витаминов, липидов, нуклеиновых кислот, ферментов, пигментов, сахаров и т.п., широко используемых в разных областях промышленности и медицины. Такие отрасли пищевой промышленности, как хлебопечение, производство спирта, молочных продуктов, виноделие и многие другие, основаны на деятельности микроорганизмов. Селекция микроорганизмов имеет ряд особенностей:

• селекционер имеет неограниченное количество материала для работы: за считанные дни в чашках Петри или пробирках на питательных средах можно вырастить миллиарды клеток;

• более эффективное использование мутационного процесса, поскольку геном микроорганизмов гаплоидный, что позволяет выявить любые мутации уже в первом поколении,

• простота генетической организации бактерий: значительно меньшее количество генов, их генетическая регуляция более простая.

До недавнего времени основными методами повышения продукции промышленных штаммов микроорганизмов были индуцированный мутагенез и последующий отбор групп генетически идентичных клеток (клонов). Промышленно ценный штамм должен содержать мутации, обеспечивающие повышенный синтез необходимого соединения. Основываясь на этом методе, С. И. Алиханян с сотрудниками получили штаммы микроорганизмов со значительно повышенной продукцией антибиотиков.

С развитием микробиологии, биохимии, генетики, молекулярной биологии большое значение в биотехнологии приобретают методы клеточной и генной инженерии, открывающие широкие перспективы управления основными жизненными процессами путем перестройки генома. Ярким примером служит успешное включение в геном кишечной палочки гена, ответственного за образование у человека гормона поджелудочной железы — инсулина. Последующий отбор наиболее продуктивных штаммов создает возможность осуществить промышленное производство этого гормона. Выращены также штаммы бактерий, продуцирующих в больших количествах аминокислоты, витамины, гормоны, интерферон. В настоящее время сконструированы штаммы бактерий, способные разрушать нефтепродукты, что позволит использовать их для очистки окружающей среды. Большой эффект ожидается от перенесения генетического материала азотфиксирующих микроорганизмов в геном почвенных бактерий, которые этими генами не обладают, а также непосредственно в геном растений. Решение этих задач будет иметь первостепенное значение для растениеводства и избавит человечество от необходимости производить огромное количество азотных удобрений.