Выведение новых сортов растений

Селе́кция (лат. seligere «выбирать») — наука о методах создания новых и улучшения существующих пород животных, сортов растений, штаммов микроорганизмов. Селекция разрабатывает способы воздействия на растения и животных с целью изменения их наследственных качеств в нужном для человека направлении [1] . Селекцией называют также отрасль сельского хозяйства, занимающуюся выведением новых сортов и гибридов сельскохозяйственных культур и пород животных.

Содержание

История [ править | править код ]

Первоначально в основе селекции лежал искусственный отбор, когда человек отбирает растения или животных с интересующими его признаками. До XVI—XVII веков отбор происходил нерегулярно и неметодично: для посева отбирали лучшие плоды (на посадку) или особи (для воспроизводства) просто рассчитывая на повторение результата.

Только в последние столетия, ещё не зная законов генетики, стали использовать отбор сознательно и целенаправленно, скрещивая экземпляры с ярко выраженными полезными свойствами.

Однако методом отбора человек не может получить принципиально новых свойств у разводимых организмов, так как при отборе можно выделить только те генотипы, которые уже существуют в популяции. Поэтому для получения новых пород и сортов животных и растений применяют гибридизацию, скрещивая растения с желательными признаками и в дальнейшем отбирая из потомства те особи, у которых полезные свойства выражены наиболее сильно. Например, один сорт пшеницы отличается прочным стволом и устойчив к полеганию, а сорт с тонкой соломиной не заражается стеблевой ржавчиной. При скрещивании растений из двух сортов в потомстве возникают различные комбинации признаков. Но отбирают именно те растения, которые одновременно имеют прочную соломину и не болеют стеблевой ржавчиной. Так создаётся новый сорт.

Селекция и генетика [ править | править код ]

В связи с развитием генетики, селекция получила новый импульс к развитию. Генная инженерия позволяет подвергать организмы целенаправленной модификации. Окончательно производится уже отбор лучших, но среди искусственно созданных генотипов.

Селекция как наука оформилась лишь в последние десятилетия. В прошлом она была больше искусством, чем наукой. Навыки, знания и конкретный опыт, нередко засекреченный, были достоянием отдельных хозяйств, переходя от поколения к поколению. Только гению Дарвина удалось обобщить весь этот огромный и разрозненный опыт прошлого, выдвинув идею естественного и искусственного отбора как основного фактора эволюции наряду с наследственностью и изменчивостью.

Общие сведения [ править | править код ]

Теоретической основой селекции является генетика, так как именно знание законов генетики позволяет целенаправленно управлять закреплением мутаций, предсказывать результаты скрещивания, правильно проводить отбор гибридов. В результате применения знаний по генетике удалось создать более 10 тысяч сортов пшеницы на основе нескольких исходных диких сортов, получить новые штаммы микроорганизмов, выделяющих пищевые белки, лекарственные вещества, витамины и т. п.

К задачам современной селекции относится создание новых и улучшение уже существующих сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов.

Многолетняя селекционная работа позволила вывести много десятков пород домашних кур, отличающихся высокой яйценоскостью, большим весом, яркой окраской и т. п. А их единый предок — банкивская курица из Юго-Восточной Азии. На территории России не растут дикие представители рода крыжовник. Однако на основе вида крыжовник отклонённый, встречающийся на Западной Украине и Кавказе, получено более 300 сортов, многие из которых прекрасно плодоносят в России.

Выдающийся генетик и селекционер академик Н. И. Вавилов писал, что селекционеры должны изучать и учитывать в своей работе следующие основные факторы: исходное сортовое и видовое разнообразие растений и животных; наследственную изменчивость; роль среды в развитии и проявлении нужных селекционеру признаков; закономерности наследования при гибридизации; формы искусственного отбора, направленные на выделение и закрепление необходимых признаков.

Селекция растений [ править | править код ]

Основные методы селекции вообще и селекции растений в частности — отбор и гибридизация. Для перекрёстноопыляемых растений применяют массовый отбор особей с желаемыми свойствами. В противном случае невозможно получить материал для дальнейшего скрещивания. Таким образом получают, например, новые сорта ржи. Эти сорта не являются генетически однородными. Если же желательно получение чистой линии — то есть генетически однородного сорта, то применяют индивидуальный отбор, при котором путём самоопыления получают потомство от одной единственной особи с желаемыми признаками. Таким методом были получены многие сорта пшеницы, капусты, и т. п.

Для закрепления полезных наследственных свойств необходимо повысить гомозиготность нового сорта. Иногда для этого применяют самоопыление перекрёстноопыляемых растений. При этом могут фенотипически проявиться неблагоприятные воздействия рецессивных генов. Основная причина этого — переход многих генов в гомозиготное состояние. У любого организма в генотипе постепенно накапливаются неблагоприятные мутантные гены. Они чаще всего рецессивны, и фенотипически не проявляются. Но при самоопылении они переходят в гомозиготное состояние, и возникает неблагоприятное наследственное изменение. В природе у самоопыляемых растений рецессивные мутантные гены быстро переходят в гомозиготное состояние, и такие растения погибают, выбраковываясь естественным отбором.

Несмотря на неблагоприятные последствия самоопыления, его часто применяют у перекрёстноопыляемых растений для получения гомозиготных («чистых») линий с нужными признаками. Это приводит к снижению урожайности. Однако затем проводят перекрёстное опыление между разными самоопыляющимися линиями и в результате в ряде случаев получают высокоурожайные гибриды, обладающие нужными селекционеру свойствами. Это метод межлинейной гибридизации, при котором часто наблюдается эффект гетерозиса: гибриды первого поколения обладают высокой урожайностью и устойчивостью к неблагоприятным воздействиям. Гетерозис характерен для гибридов первого поколения, которые получаются при скрещивании не только разных линий, но и разных сортов и даже видов. Эффект гетерозиготной (или гибридной) мощности бывает сильным только в первом гибридном поколении, а в следующих поколениях постепенно снижается. Основная причина гетерозиса заключается в устранении в гибридах вредного проявления накопившихся рецессивных генов. Другая причина — объединение в гибридах доминантных генов родительских особей и взаимное усиление их эффектов.

В селекции растений широко применяется экспериментальная полиплоидия, так как полиплоиды отличаются быстрым ростом, крупными размерами и высокой урожайностью. В сельскохозяйственной практике широко используются триплоидная сахарная свёкла, четырёхплоидный клевер, рожь и твёрдая пшеница, а также шестиплоидная мягкая пшеница. Получают искусственные полиплоиды при помощи химических веществ, которые разрушают веретено деления, в результате чего удвоившиеся хромосомы не могут разойтись, оставаясь в одном ядре. Одно из таких веществ — колхицин. Применение колхицина для получения искусственных полиплоидов является одним из примеров искусственного мутагенеза, применяемого при селекции растений.

Путём искусственного мутагенеза и последующего отбора мутантов были получены новые высокоурожайные сорта ячменя и пшеницы. Этими же методами удалось получить новые штаммы грибов, выделяющие в 20 раз больше антибиотиков, чем исходные формы. За последние 70 лет выведено более 2250 сортов сельскохозяйственных растений, созданных при помощи физического и химического мутагенеза. Это сорта риса, пшеницы, ячменя, хлопка, рапса, подсолнечника, грейпфрута, яблок, бананов, и многих других растений. Из них 70 % — непосредственно мутанты и 30 % — результат скрещивания мутантов. Химический мутагенез используется сравнительно редко, чаще всего используются гамма излучение (64 %) и рентгеновское излучение (22 %) [3] .

При создании новых сортов при помощи искусственного мутагенеза исследователи используют закон гомологических рядов Н. И. Вавилова. Организм, получивший в результате мутации новые свойства, называют мутантом. Большинство мутантов имеет сниженную жизнеспособность и отсеивается в процессе естественного отбора. Для эволюции или селекции новых пород и сортов необходимы те редкие особи, которые имеют благоприятные или нейтральные мутации.

К одному из достижений современной генетики и селекции относится преодоление бесплодия межвидовых гибридов. Впервые это удалось сделать Г. Д. Карпеченко при получении капустно-редечного гибрида. В результате отдалённой гибридизации было получено новое культурное растение — тритикале — гибрид пшеницы с рожью. Отдалённая гибридизация широко применяется в плодоводстве.

Селекция животных [ править | править код ]

Особенности [ править | править код ]

Основные принципы селекции животных не отличаются от принципов селекции растений. Однако селекция животных имеет некоторые особенности: для них характерно только половое размножение; в основном очень редкая смена поколений (у большинства животных через несколько лет); количество особей в потомстве невелико. Поэтому в селекционной работе с животными важное значение приобретает анализ родословной, качества потомства и совокупности внешних признаков, или экстерьера, характерного для той или иной породы.

Одомашнивание [ править | править код ]

Одним из важнейших достижений человека на заре его становления и развития (10—12 тыс. лет назад) было создание постоянного и достаточно надёжного источника продуктов питания путём одомашнивания диких животных. Главным фактором одомашнивания служит искусственный отбор организмов, отвечающих требованиям человека. У домашних животных весьма развиты отдельные признаки, часто бесполезные или даже вредные для их существования в естественных условиях, но полезные для человека. Например, способность некоторых пород кур давать более 300 яиц в год лишена биологического смысла, поскольку такое количество яиц курица не сможет высиживать. Поэтому в естественных условиях одомашненные формы существовать не могут.

Одомашнивание привело к ослаблению действия стабилизирующего отбора, что резко повысило уровень изменчивости и расширило его спектр. При этом одомашнивание сопровождалось отбором, вначале бессознательным (отбор тех особей, которые лучше выглядели, имели более спокойный нрав, обладали другими ценными для человека качествами), затем осознанным, или методическим. Широкое использование методического отбора направлено на формирование у животных определённых качеств, удовлетворяющих человека.

Процесс одомашнивания новых животных для удовлетворения потребностей человека продолжается и в наше время. Например, для получения модной и высококачественной пушнины создана новая отрасль животноводства — пушное звероводство.

Отбор и типы скрещивания [ править | править код ]

Отбор родительских форм и типы скрещивания животных проводятся с учётом цели, поставленной селекционером. Это может быть целенаправленное получение определённого экстерьера, повышение молочности, жирности молока, качества мяса и т. д. Разводимые животные оцениваются не только по внешним признакам, но и по происхождению и качеству потомства. Поэтому необходимо хорошо знать их родословную. В племенных хозяйствах при подборе производителей всегда ведётся учёт родословных, в которых оцениваются экстерьерные особенности и продуктивность родительских форм в течение ряда поколений. По признакам предков, особенно по материнской линии, можно судить с известной вероятностью о генотипе производителей.

В селекционной работе с животными применяют в основном два способа скрещивания: аутбридинг и инбридинг.

Аутбридинг, или неродственное скрещивание между особями одной породы или разных пород животных, при дальнейшем строгом отборе приводит к поддержанию полезных качеств и к усилению их в ряду следующих поколений.

При инбридинге в качестве исходных форм используются братья и сестры или родители и потомство (отец—дочь, мать—сын, двоюродные братья—сестры и т. д.). Такое скрещивание в определённой степени аналогично самоопылению у растений, которое также приводит к повышению гомозиготности и, как следствие, к закреплению хозяйственно ценных признаков у потомков. При этом гомозиготизация по генам, контролирующим изучаемый признак, происходит тем быстрее, чем более близкородственное скрещивание используют при инбридинге. Однако гомозиготизация при инбридинге, как и в случае растений, ведёт к ослаблению животных, снижает их устойчивость к воздействию среды, повышает заболеваемость. Во избежание этого необходимо проводить строгий отбор особей, обладающих ценными хозяйственными признаками.

В селекции инбридинг обычно является лишь одним из этапов улучшения породы. За ним следует скрещивание разных межлинейных гибридов, в результате которого нежелательные рецессивные аллели переводятся в гетерозиготное состояние и вредные последствия близкородственного скрещивания заметно снижаются.

У домашних животных, как и у растений, наблюдается явление гетерозиса: при межпородных или межвидовых скрещиваниях у гибридов первого поколения происходит особенно мощное развитие и повышение жизнеспособности. Классическим примером проявления гетерозиса является мул — гибрид кобылы и осла. Это сильное, выносливое животное, которое может использоваться в значительно более трудных условиях, чем родительские формы.

Гетерозис широко применяют в промышленном птицеводстве (пример — бройлерные цыплята) и свиноводстве, так как первое поколение гибридов непосредственно используют в хозяйственных целях.

Отдалённая гибридизация. Отдалённая гибридизация домашних животных менее эффективна, чем растений. Межвидовые гибриды животных часто бывают бесплодными. При этом восстановление плодовитости у животных представляет более сложную задачу, поскольку получение полиплоидов на основе умножения числа хромосом у них невозможно. Правда, в некоторых случаях отдалённая гибридизация сопровождается нормальным слиянием гамет, обычным мейозом и дальнейшим развитием зародыша, что позволило получить некоторые породы, сочетающие ценные признаки обоих использованных в гибридизации видов. Например, в Казахстане на основе гибридизации тонкорунных овец с диким горным бараном архаром создана новая порода тонкорунных архаромериносов, которые, как и архары, пасутся на высокогорных пастбищах, недоступных для тонкорунных мериносов. Улучшены породы местного крупного рогатого скота.

Достижения российских и белорусских селекционеров-животноводов [ править | править код ]

Селекционерами России достигнуты значимые успехи в создании новых и улучшении существующих пород животных. Так, костромская порода крупного рогатого скота отличается высокой молочной продуктивностью — более 10 тыс. кг молока в год. Сибирский тип российской мясо-шерстной породы овец характеризуется высокой мясной и шёрстной продуктивностью. Средняя масса племенных баранов составляет 110—130 кг, а средний настриг шерсти в чистом волокне — 6—8 кг. Большие достижения имеются также в селекции свиней, лошадей, кур и многих других животных.

В результате длительной и целенаправленной селекционно-племенной работы учёными и практиками Беларуси выведен чёрно-пёстрый тип крупного рогатого скота. Коровы этой породы в хороших условиях кормления и содержания обеспечивают удои по 4—5 тыс. кг молока жирностью 3,6— 3,8 % в год. Генетический же потенциал молочной продуктивности чёрно-пёстрой породы составляет 6,0—7,5 тыс. кг молока за лактацию. В хозяйствах Беларуси насчитывается около 300 тыс. голов скота такого типа.

Породы белорусских чёрно-пёстрых и крупных белых свиней созданы специалистами селекционного центра БелНИИ животноводства. Такие породы свиней отличаются тем, что животные достигают живой массы 100 кг за 178—182 дня на контрольном откорме при среднесуточном приросте свыше 700 г, а приплод составляет 9—12 поросят за опорос.

Различные кроссы кур (например, Беларусь-9) характеризуются высокой яйценоскостью: за 72 недели жизни — 239—269 яиц при средней массе каждого 60 г, что соответствует показателям высокопродуктивных кроссов на международных конкурсах.

Продолжается селекционная работа по укрупнению, повышению скороспелости и работоспособности лошадей белорусской упряжной группы, улучшению продуктивного потенциала овец по настригу шерсти, живой массе и плодовитости, по созданию линий и кроссов мясных уток, гусей, высокопродуктивной породы карпа и других.

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.

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.

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.

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.

Дата добавления: 2016-02-20 ; просмотров: 6062 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

В нескольких номерах журнала "Амурский садовод" мною было не мало рассказано о различных сортах плодовых и ягодных культур, подробно описаны их основные хозяйственные характеристики, отличия и потенциальные возможности. Описывая их, я старался рассказать об особенностях амурских и инорайонных сортов, объяснить причины, по которым невозможно возделывать множество сортов фруктовых деревьев и ягодных кустарников в открытозимующей форме в условиях Приамурья.

Читая эту информацию, наверняка у множества садоводов возникает вопрос – почему в Амурской области нет сортов плодовых и ягодных культур, которые были бы схожи по крупноплодности к примеру с алтайскими сортами? Или почему нельзя вывести сорт груши или яблони с размерами плодов, не уступающим привозным китайским или аргентинским? И, наконец, как вообще выводятся сорта плодовых?

Вывести такие сорта можно, но для этого требуется очень много времени и больших затрат труда. А вот каким образом происходит выведение новых сортов я и постараюсь ответить в этом номере.

Для начала расскажу, что представляет собой сорт плодового растения.

Все сорта плодовых и ягодных культур в генетическом отношении являются клонами. В селекции существует даже такое понятие «сорт-клон» — совокупность растений, обладающих комплексом хозяйственно-полезных качеств, передающихся при вегетативном размножении. Вегетативное размножение это размножение усами (у земляники), корневыми отпрысками (малина), черенками и отводками (смородина, крыжовник, жимолость), делением куста (безусая земляника, смородина), прививкой (груша, яблоня, абрикос, слива). Если вы попытаетесь размножить какой-либо сорт при помощи семян, то он либо не воспроизведет себя полностью, либо потеряет какие-то отдельные качества (вкус, размер плодов или ягод, зимостойкость), да и назвать сортом полученное растение уже будет нельзя. С чем же это связано?

Чтобы ответить на этот вопрос необходимо разобраться, как выводятся сорта плодовых культур, из каких основных этапов состоит селекционная работа.

Создание модели будущего сорта

Прежде чем приступить к выведению нового сорта необходимо определить его параметры, создать модель.

Модель сорта – это тот идеал, который представляет каждый любитель фруктов и ягод, то есть, что именно хотел бы видеть обычный потребитель. Обычно это желание видеть в своем саду или на полке в магазине красивые, долго не портящиеся фрукты, богатые витаминами и очень приятные на вкус. Однако, для селекционера, ориентирующегося на потребителя, добавляется еще несколько показателей: сроки созревания — для увеличения продолжительности снабжения рынка; продуктивность – для повышения эффективности производства; зимостойкость, засухоустойчивость, устойчивость к болезням и вредителям и другие показатели.

Создавая модель сорта, селекционер определяет его основные параметры и уж затем приступает к следующему этапу.

Подбор родительских форм

Чтобы создать сорт, необходимо подобрать родительские формы, которые послужат генетической основой для будущего сорта. Подбор родительских форм это очень трудоемкий процесс, который иногда занимает не один год. В основном это связано с тем, что необходимо время на то, чтобы найти нужную форму, размножить ее вегетативно, высадить в коллекцию, дождаться плодоношения, а не редко и изучить в течение двух-трех лет.

В качестве родительских форм могут привлекаться уже существующие сорта (как местные, так и инорайонные), обладающие комплексом хозяйственно-полезных качеств. Чаще всего инорайонные сорта используются для улучшения каких-либо отдельных признаков (например, крупноплодности).

Не редко в селекции используются в качестве родительских форм те гибридные формы, которые были поучены ранее в селекционном процессе, но по разным причинам не смогли стать сортами (низкая зимостойкость, высокая осыпаемость плодов, резкая периодичность плодоношения и др.). У таких форм могут быть отдельные признаки, которые они смогут передать своему потомству и уже в нем проявиться в сочетании с другими показателями.

В качестве исходного материала также могут использоваться дикорастущие представители местной флоры (сибирская ягодная яблоня, уссурийская груша, маньчжурский абрикос, дикорастущие виды черной смородины и др.). Достоинством диких форм является их высокая способность противостоять комплексу неблагоприятных условий, высокая устойчивость к грибным, бактериальным и вирусным заболеваниям, высокое содержание органических кислот и витаминов в плодах.

После того, как определены родительские формы, селекционер приступает к следующему этапу селекционного процесса – гибридизации.

Гибридизация

Гибридизация, или скрещивание – это процесс объединения наследственности двух родительских форм, а также форм предыдущих поколений.

Процесс гибридизации относительно не сложен и его может провести даже любитель хотя бы немного знакомый со строением цветка. Цветок большинства плодовых культур (за исключением облепихи) содержит в себе как мужскую часть (тычинки), так и женскую (один или несколько пестиков). На вершине тычинки (в пыльнике) созревает пыльца, каждое пыльцевое зерно несет в себе два спермия. В основании пестика (в завязи) созревает одна или несколько яйцеклеток. При опылении пыльцевое зерно попадает на рыльце пестика (его вершину), там оно прорастает – вытягивается пыльцевая трубка, идущая до самого семязачатка, по пыльцевой трубке спермии попадают внутрь зародышевого мешка и происходит оплодотворение яйцеклетки. В результате оплодотворения образуется зигота, развивающаяся в зародыш семени. В результате этого процесса образуются плоды с семенами, содержащими наследственность двух растительных организмов. Однако в природе процесс опыления происходит неконтролируемо. В случае же целенаправленной гибридизации селекционер сам подбирает родителей и производит опыление искусственно.

Чтобы произвести искусственное опыление, для начала необходимо собрать пыльцу того растения, которое выбрано в качестве отцовского производителя. Для этого собирают бутоны за два-три дня до распускания, иглой выбирают из них пыльники, подсушивают на бумаге. Созревший пыльник растрескивается и из него высыпается пыльца. Хранят пыльцу в стеклянных флакончиках.

Одновременно с заготовкой пыльцы производят подготовку цветков на растении, которое выбрано в качестве материнского. За два дня до распускания бутонов производят их кастрацию – удаляют все пыльники, чтобы исключить самоопыление цветков и надевают марлевые изоляторы для того, чтобы не допустить к ним пчел, которые могут принести нежелательную пыльцу с других растений. После распускания цветков в изоляторе, производят их опыление – аккуратно наносят пыльцу на рыльце пестика кусочком резинки на медной или алюминиевой проволоке. Произведя опыление, снова одевают марлевый изолятор на ветку.

Обычно через неделю становится ясно, произошло ли оплодотворение. В случае успеха завязывается плод, несущий в себе гибридные семена.

Осенью, после созревания плода, семена выбирают, подсушивают и высевают на подготовленные гряды. Для таких культур как абрикос, слива, вишня производят предварительную подготовку к посеву – стратификацию (выдерживают при температуре +3…+5 0 С в течение одного месяца).

В том случае, если полученные гибридные семена жизнеспособны, на следующий год получают гибридные сеянцы, сочетающие признаки двух родителей.

Другие способы получения материала для селекции

Большинство сортов плодовых и ягодных культур содержат в себе гены множества поколений сортов и гибридов, имеется множество доминирующих признаков, проявляющихся при жизни, а также признаков внешне не видимых, находящихся в подавленном (рецессивном) состоянии. Последние могут проявиться в следующих поколениях, если растение размножается семенным путем. Именно поэтому все сорта плодовых и ягодных культур размножаются только вегетативным путем (клонированием), который позволяет сохранить все хозяйственно-полезные качества. Собственно это будет являться ответом на один из поставленных в начале этой статьи вопросов, а именно, с чем связано сохранение сортовых признаков только при вегетативном размножении.

В редких случаях, правда, происходит и вегетативная изменчивость, получившая в научном мире название «почкового спорта» или клоновой изменчивости. Вегетативная изменчивость происходит в результате мутаций, происходящих в тканях растений. В результате таких мутаций может произойти полное перерождение сорта. Чаще всего клоновая изменчивость проявлятеся в изменении окраски плодов, когда на дереве вдруг проявляется ветвь с плодами совершенно другого цвета.

Селекционеры уже давно научились использовать это явление в своих целях, ведь достаточно размножить мутировавшую ветвь, чтобы получить новый сорт. Известно, что почти все сорта яблок (особенно американского происхождения) с яркой красной окраской являются почковыми мутантами обычных желтоплодных и зеленоплодных сортов.

Для человека мало сведущего в клоновой селекции можно привести пример с картофелем, который, как и плодовые растения, размножается вегетативно (клубнями) и тоже очень сильно подвержен клоновой изменчивости. Если из года в год садить только мелкие клубни этого растения, то произойдет его вырождение. И, наоборот, отбирая для посадки крупные, ровные клубни можно добиться улучшения сорта.

Не редко ученые стимулируют появление мутаций при помощи специальных химических веществ (химический мутагенез) или радиационного облучения (радиационный матагенез), но данные методы занимают незначительное место, по сравнению с традиционным методом получения исходного материала для селекции (гибридизацией).

В любом случае, какой бы метод получения гибридного материала не был использован (гибридизация или мутагенез, клоновый отбор), это всего лишь один из этапов большого и трудоемкого селекционного процесса. Получить гибридный организм это только пол дела, в дальнейшем предстоит вырастить его до плодоношения и провести всестороннее изучение.

Описанный процесс для кого-то может показаться простым, однако его не так просто осуществить, так как не редко на него уходит от двух до пяти лет. Также требуется время для того, чтобы полученные гибридные сеянцы вступили в плодоношение. Что же следует дальше? В чем сложность выведения новых сортов? Сейчас мы в этом и постараемся разобраться.

Рост, рост, рост….

Итак, мы получили гибридные сеянцы, они уже несут в себе гены обоих родителей, однако мы не знаем, насколько много нужных нам признаков они сочетают. Сравнить это можно лишь с ростом ребенка, когда неизвестно, кем он вырастет – инженером, поэтом, ученым или гением, сочетающим в себе множество талантов и умений. Выяснить это можно лишь с годами. Таким образом, чтобы выяснить какими свойствами будет обладать гибридный сеянец нужно дождаться его плодоношения.

Все мы знаем, как долго растут деревья, и как долго нужно ждать того момента, когда деревья приносят первые плоды. Но что касается гибридных сеянцев, то у некоторых культур они растут еще дольше. К примеру, груши и яблони вступают в плодоношение на 8-14 год после посева семян. Есть правда и скороплодные культуры – это смородина, малина, абрикос, которые вступают в плодоношение на второй-третий год после посева.

Длительность вступления в плодоношение связана с необходимостью прохождения ювенильного (юношеского периода), когда растительный организм взрослеет, постепенно приобретает признаки культурности и, наконец, приносит плоды. Если проследить за ростом гибридного сеянца груши, то в начале жизни он будет сильно походить на своих диких предков – у него будут мелкие почки, светлая кора, большое количество колючек. В некоторых случаях эти признаки могут отсутствовать в раннем возрасте, что говорит о хороших потенциальных возможностях гибрида. Часто селекционеры на ранней стадии определяют по этим косвенным признакам, насколько хорошим сочетанием качеств плодов будет обладать тот или иной гибрид. Однако, это не всегда достоверно и приходится ждать вступления в плодоношение сеянцев.

В дальнейшем, по мере роста, из года в год, сеянцы начинают приобретать признаки культурности – у них темнеет кора, почки становятся более крупными, меняется размер и форма листьев, окраска листьев также может стать темнее, количество колючек становится меньше (не редко они исчезают полностью) и, наконец, сеянец вступает в плодоношение.

Здесь хочу сделать небольшое отступление – когда вы захотите приобрести саженцы каких-либо плодовых растений на рынке, у частных продавцов, а иногда и в специализированных питомниках, то сами сможете отличить по указанным мною признакам культурный саженец от дичка, который вам могут «не нарочно» предложить. Данные признаки закрепляются навсегда и передаются из поколения в поколение при вегетативном размножении. Для яблони к культурным признакам можно отнести большую, чем у дичков толщину побегов и их опушенность, а также опушенность листьев – чем она выше, тем больше культурность, выше качества плодов. Что касается ягодных культур, то там признаки культурности на вегетативных частях почти не проявляются и распознать дичок почти не возможно.

Но вернемся к гибридным сеянцам. Первые плоды, которые приносит сеянец, чаще всего не показывают всех своих качеств в первые годы, иногда требуется несколько лет, чтобы стабилизировались признаки вкуса, размера, формы и окраски. Лишь после этого можно судить о достоинствах и недостатках гибрида. В целом, на рост и предварительную селекционную оценку уходит от 8 до 20 лет в зависимости от того, насколько быстро вступает плодовая порода в плодоношение. При этом селекционеру важно получить не менее трех товарных урожаев с одного дерева или куста, чтобы выделить гибрид из общей массы. В идеале на это уходит три года, но очень часто случаются неурожаи по причине нападения вредителей или в особо суровые зимы сеянец оказывается не зимостойким. В этом случае селекционер предпочитает проверить гибрид дополнительно еще в течение двух-трех лет, чтобы исключить попадание малоценных образцов на первичное сортоизучение, которое требует больших материальных затрат и времени.

Давайте представим, что по прошествии нескольких лет, наконец, был выделен гибрид с нужными качествами. Он хорош всем — имеет вкусные и привлекательные плоды, довольно урожаен, не плохо выдержал зимы, да и к вредителям вроде как устойчив. Но как выяснить, будет ли он успешно расти не только на том месте, где вы его посадили, но и в других, отличающихся по микроклиматическим условиям? Насколько лучшим он будет в сравнении с уже существующими (районированными) сортами. Чтобы выяснить это, необходимо перейти к следующему этапу – первичному сортоизучению.

Первичное сортоизучение

Первичное сортоизучение это этап, когда выделенный в результате селекционного отбора гибрид, сравнивается со стандартным (районированным) сортом. Сравнение проводится очень тщательным образом. Как же оно выглядит?

Для начала необходимо вырастить достаточное количество посадочного материала изучаемых новых сортообразцов и стандартных сортов. Для этого их размножают вегетативно. О необходимости вегетативного размножения плодовых культур с целью сохранения я говорил в первой части статьи и здесь подробно на этом вопросе останавливаться не буду. Для сравнительной оценки нового сортообразца необходимо вырастить от 15 до 30 саженцев в зависимости от культуры. Например, чтобы изучить один новый сорт черной смородины, необходимо высадить 30 растений районированного сорта и 30 растений изучаемого. При этом высаживаются они риндомизировано (в разброс) в трех повторениях (по 10 растений в каждом повторении).

После выделения гибрида в селекционном саду, на его размножение и закладку участка первичного сортоизучения обычно уходит 2-3 года. После этого вновь приходится ждать плодоношения, но оно уже наступает быстрее, ведь все высаженные растения являются клонами.

Дождавшись урожая, селекционер проводит сравнение нового сортообразца с районированным по урожайности, зимостойкости, засухоустойчивости, устойчивости к болезням и вредителям, вкусовым и товарным качествам плодов и другим показателям, которые могут оказаться важными. Оценка проводится в течение трех-пяти лет после начала плодоношения, после чего делается вывод о том, по каким именно хозяйственно-ценным признакам данный сортообразец можно рекомендовать в качестве нового сорта, определяется его назначение – столовое, техническое или универсальное. Не редко по результатам первичного сортоизучения новый сортообразец уступает контрольному сорту, и тогда его либо полностью выбраковывают, либо оставляют в коллекции для использования в дальнейшей селекции за отдельные признаки.

Но, допустим, изучаемый нами сортообразец превзошел по многим показателям стандарт. Что дальше? А дальше государственное сортоиспытание.

Государственное сортоиспытание и районирование

Государственное сортоиспытание проводится на специальных участках, где новый сорт сравнивается с районированным или лучшим инорайонным сортом. Схема и продолжительность госсортоиспытания почти полностью совпадает со схемой и продолжительностью первичного сортоизучения. С той лишь разницей, что оно проводится не в селекционном учреждении, а на специальном участке под наблюдением независимого эксперта.

В том случае, если новый сорт выдерживает и это испытание, действительно соответствует всем заявленным требованиям, ему присваивается сортовое название, вносят в государственный реестр селекционных достижений и допускают к использованию на территории субъекта Российской Федерации. Автору сорта выдается авторское свидетельство, а селекционному учреждению патент. После этого сорт считается районированным.

Чаще всего новый сорт может успешно возделываться только в том регионе, где он был выведен. В некоторых случаях такой сорт оказывается достаточно пластичным для того, чтобы выращиваться в условиях другого региона, тогда он получает более широкое распространение.

Изложенные мною этапы создания нового сорта плодового растения позволяют не плохо представить все сложности этого процесса, а самое главное – его продолжительность. И, таким образом, представленная информация позволяет ответить на вопросы, поставленные в предыдущем номере – «почему нельзя вывести сорт груши или яблони с размерами плодов, не уступающим привозным китайским или аргентинским?», «…как выводятся сорта плодовых культур?». Вывести такие сорта можно, но для этого необходимо много лет селекционной работы и больших финансовых затрат. Селекционная работа в Дальневосточном государственном аграрном университете в области плодовых и ягодных культур продолжается непрерывно, непрерывно ведется работа по улучшению сортовых качеств. Ну а каким образом эта работа ведется, мною был дан ответ в полной мере.