§ 56. СУЧАСНІ МЕТОДИ СЕЛЕКЦІЇ ТВАРИН, РОСЛИН І МІКРООРГАНІЗМІВ

Основні поняття й ключові терміни: Добір. Гібридизація. Індукований мутаганез. Поліплоїдизація. Гетерозис.

Пригадайте! Що таке селекція?

Новини науки

Соняшник однорічний (Helianthus annuus) є однією з основних культур України. Вітчизняні селекціонери працюють над створенням високоолійних, промислових і кондитерських сортів, стійких до паразитів (наприклад, вовчка соняшникового) й гербіцидів із застосуванням класичних і нових методів селекції. А якими є ці методи селекції?

ЗМІСТ

Які сучасні методи селекції тварин, рослин і мікроорганізмів?

Основними методами селекції є добір, гібридизація, штучний мутагенез і поліплоїдизація.

• Добір – метод відбору й збереження особин з певними, цінними для людини ознаками і сприяння їхньому розмноженню. У селекції застосовують масовий (за фенотипом) та індивідуальний (за генотипом) форми добору.
• Гібридизація – це метод одержання нащадків внаслідок поєднання генетичного матеріалу різних клітин або організмів. Схрещування можливе як у межах одного виду (внутрішньовидова гібридизація, що буває спорідненою й неспорідненою), так і між особинами різних видів (міжвидова гібридизація).
• Індукований мутагенез – метод штучного одержання мутацій, зумовлений спрямованою дією різних мутагенів. У контрольованих умовах цим шляхом можна отримати мутації, що трапляються в природі зрідка або взагалі не виявляються.
• Поліплоїдизація – метод отримання організмів зі збільшеною кількістю хромосом, що кратна гаплоїдному набору. Метод застосовують у селекції рослин для підвищення врожайності, подолання стерильності гібридів та ін. А якими є нові пріоритети й методи в селекції?

І. Розширення спектра генетичної мінливості. Однією з умов успішної селекційної роботи є різноманітність вихідного матеріалу. З цією метою в сучасній селекції застосовують методи генетичної інженерії (трансгенез, рекомбіногенез, цисгенез), створюють генетичні банки. Генетичні банки – це сховище насіння, меристем, статевих і соматичних клітин, придатних для відтворення представників видів, сортів і порід. Найбільший генетичний банк у світі – Свалбардський глобальний банк насіння рослин на о. Шпіцберген (Норвегія). В Україні існує Національний центр генетичних ресурсів рослин, в якому на тривале збереження закладено насіння 27 000 зразків 203 видів рослин.

II. Підвищення ефективності відбору. Застосування результатів досліджень молекулярної біології, молекулярної генетики, біохімії дають змогу селекціонерам підвищувати ефективність основних методів селекції. Так, у селекції тварин науковці вже здійснюють індивідуальний добір одразу після народження, не очікуючи на прояви ознак чи появу нащадків, що значно прискорює селекційний процес. Перспективним виявився молекулярний підхід, а саме добір за допомогою молекулярних маркерів, що став основою маркерної й геномної селекції. Метод гібридизації застосовується на молекулярному (метод гібридизації ДНК) і клітинному (метод гібридизації соматичних клітин) рівнях. Виник новий напрям селекційних досліджень – клітинна селекція. Для екологічної організації селекційного процесу формується адаптивна селекція, методи якої спрямовані передусім на створення високопродуктивних гетерозисних гібридів.

III. Підвищення інформативності селекційного процесу досягається завдяки інформаційним технологіям, комп’ютеризації, впровадженню методів моделювання. Наприклад, ефективним є використання в селекції рослин фітотронів (камер штучного клімату), в яких моделюють умови вегетації рослин для експериментальних досліджень, отримують кілька врожаїв за рік і тим самим значно прискорюють селекційний процес.

IV. Скорочення термінів створення сортів, порід і штамів. Для прискорення процесів селекції було розроблено нові методи, що підвищують результативність. Так, у селекції все ширше використовують методи генної та клітинної інженерії. Набувають поширення новітні біотехнологічні методи (метод соматичного ембріогенезу, метод активації пазушних меристем), що стали основою технологій клонального мікророзмноження рідкісних і цінних сортів культурних рослин, відтворення й реакліматизації рідкісних порід і видів тварин, отримання нових штамів мікроорганізмів для розщеплення забруднювачів та ін.

Отже, в сучасній селекції використовують потужний арсенал класичних і новітніх методів для створення й поліпшення вже існуючих порід, сортів й штамів.

Які генетичні основи гетерозису?

Одним із шляхів підвищення продуктивності сільськогосподарських рослин і тварин, розв’язування проблеми продовольчої безпеки є застосування явища гетерозису (іл. 93).

Гетерозис, «гібридна сила» – це явище, за якого перше покоління гібридів, одержаних унаслідок неспорідненого схрещування, має підвищені життєздатність і продуктивність порівняно з вихідними батьківськими формами. Генетичними основами гетерозису є різні типи взаємодії алельних і неалельних генів. В одних випадках це може бути домінування (домінантні алелі пригнічують шкідливу дію рецесивних алелів у гетерозиготних гібридів), в інших – наддомінування (у генотипі гібридних нащадків можуть поєднуватися сприятливі домінантні алелі обох батьків), у третіх – комплементарність (поєднання в генотипі сприятливих неалельних домінантних генів). Окрім того, прояв гетерозису залежить від умов середовища, значну роль в його появі відіграють взаємодії ядра й цитоплазми. За даними біохімії, у гетерозисних форм часто спостерігається ширший набір ферментів порівняно з батьківськими.

Іл. 93. Ефект гетерозису (найкращий прояв у першому поколінні, а потім – згасання)

Практичне використання гетерозису ґрунтується на міжпородному (міжсортовому) і міжлінійному схрещуванні. У рослинництві гетерозис широко використовують під час вирощування соняшнику, кукурудзи, цукрового буряку, сорго, у тваринництві – для розведення свиней й бройлерних порід курей. Проблема закріплення гетерозису в рослин розв’язується на основі вегетативного розмноження гібридів, подвоєння наборів хромосом, використання гаплоїдії та методів генетичної інженерії.

Отже, генетичними основами гетерозису є різні типи взаємодії генів.

Які переваги застосування методів генетичної інженерії у сучасній селекції?

У створенні нових порід, сортів або штамів селекція стикається з такими проблемами, як несхрещуваність видів, некерованість ззовні процесами рекомбінації ДНК, непередбачуваність комбінацій ознак серед нащадків та ін. На селекційний процес з використанням класичних методів затрачається дуже багато часу, вплив мутагенів чинить шкідливу дію на генетичний матеріал, результати не завжди відповідають очікуваним сподіванням та ін. Через те в сучасній селекції широко застосовують методи генетичної інженерії.

Генетична інженерія – напрям науки, метою якого є створення генетичних структур та організмів з новими комбінаціями спадкових ознак. Основними її методами, що мають найширше використання, є: методи генної (метод молекулярних маркерів, методи секвенування) та клітинної (метод культур, метод гаплоїдів, метод клонування) інженерії.

Перевагою методів генетичної інженерії є забезпечення цілеспрямованої й контрольованої зміни ознак. У селекції ці методи застосовують для генетичного рекомбінування й перенесення генетичного матеріалу:

• рекомбіногенез – процес отримання нових поєднань генів, що здійснюється під час статевого розмноження шляхом кросинговеру, незалежного розходження гомологічних хромосом та поєднання гамет під час запліднення;
• трансгенез – отримання вихідного матеріалу внаслідок перенесення генів неспоріднених видів організмів (завдяки цьому методу отримано трансгенні сорти картоплі, стійкі проти колорадського жука, сорти цукрового буряку, стійкі проти гліфосату);
• цисгенез – отримання вихідного матеріалу внаслідок перенесення генів того самого або близькоспорідненого виду організмів, з яким можливе потенційне схрещування в природі (так, сучасні цисгенні фітофторостійкі сорти картоплі отримано шляхом перенесення генів стійкості від дикого виду картоплі до елітного сорту).

Методи генетичної інженерії значно прискорюють селекційні процеси: термін отримання нових форм організмів скоротився до 3-4 років замість 10-12 років, необхідних із застосуванням методів селекції. У цьому велике значення мають методи маркерної й геномної селекції з використанням молекулярних маркерів. Це фрагменти ДНК, що їх використовують для виявлення поліморфізму. Вони перебувають у тісному генетичному зв’язку з геном, відповідальним за аналізовану ознаку (найширше застосування в сучасній селекції мають ДНК-маркери).

І ще одна перевага полягає в тому, що генетична інженерія досліджує рекомбінації й методи отримання нових генетичних структур поза організмом, оскільки молекулярна біологія довела, що природні механізми збереження стабільності геному змінити неможливо і небезпечно.

Отже, застосування методів генетичної інженерії забезпечує розширення спектра генетичної мінливості, підвищення ефективності добору та скорочення термінів створення сортів, порід і штамів.

ДІЯЛЬНІСТЬ

Самостійна робота з таблицею. Пріоритети й методи селекції

Пріоритет селекції

Метод селекції

§ 56. Сучасні методи селекції тварин, рослин і мікроорганізмів

Наука про селекцію — це застосування наукових принципів і методів до розведення тварин і рослин для різноманітних цілей, у тому числі для покращення їх якості, врожайності та ознак. Це включає використання таких методів, як селективне розведення, генна інженерія та гібридизація для отримання бажаних якостей. Розведення вимагає знань із ряду дисциплін, включаючи генетику, молекулярну біологію, фізіологію та популяційну біологію.

Соняшник однорічний (Helianthus annuus) є однією з основних культур України. Вітчизняні селекціонери працюють над створенням високоолійних, промислових і кондитерських сортів, стійких до паразитів (наприклад, вовчка соняшникового) й гербіцидів із застосуванням класичних і нових методів селекції. А якими є ці методи селекції?

Класичні методи селекції включають відбір рослин із бажаними ознаками, а потім використання методів схрещування для створення нового сорту, який включає ці ознаки. Зазвичай це робиться шляхом штучного відбору, коли рослини вибирають на основі їхніх фізичних характеристик, таких як розмір, форма, колір або врожайність. Нові методи розведення включають генну інженерію, яка є процесом маніпулювання генетичним кодом організму для створення бажаної ознаки. Це робиться шляхом додавання, видалення або зміни генів у ДНК організму. Цей процес часто використовують для створення сортів культур, стійких до хвороб, шкідників або гербіцидів. Його також можна використовувати для створення рослин з більшою врожайністю, покращеним живленням та іншими бажаними характеристиками.

Заповніть таблицю та сформулюйте висновок про необхідність поєднання класичних новітніх методів селекції.

Зрозуміло, що для успішного виведення нових сортів сільськогосподарських культур необхідне поєднання класичних і сучасних методів селекції. Класичні методи дозволяють відбирати рослини з бажаними ознаками, тоді як сучасні методи, такі як генна інженерія та гібридизація, можуть бути використані для створення сортів з підвищеною врожайністю та стійкістю до хвороб, шкідників та гербіцидів. Поєднання цих двох підходів дозволяє селекціонерам виводити сорти з найкращими характеристиками, що робить їх більш конкурентоспроможними на ринку.

Цукровий буряк (Beta vulgaris saccharifera) є різновидом буряку звичайного. Це найважливіша технічна рослина в Україні. Для її вирощування в буряківництві використовують лише насіння гетерозисних гібридів. Які переваги мають гетерозисні гібриди цукрового буряку порівняно із сортами-популяціями?

Основна перевага гетерозисних гібридів цукрових буряків порівняно з сортами-популяціями полягає в тому, що вони мають вищу врожайність, вищу цукристість, більшу стійкість до хвороб, кращу схожість, більшу вирівняність порівняно з сортами-популяціями. Гетерозисні гібриди також зазвичай мають вищу стабільність врожаю, тому на них менше впливають коливання погодних умов чи інших факторів навколишнього середовища. Крім того, вони більш ефективні з точки зору використання ресурсів, оскільки потребують менше добрив і води, ніж сорти-популяції. Нарешті, гетерозисні гібриди можна вирощувати для отримання певних характеристик, таких як стійкість до хвороб або більш висока врожайність, що робить їх більш придатними для конкретних умов вирощування.

Голландська порода ВРХ – найдавніша й найбільш поширена порода корів молочного напряму, що її розводять у 33 країнах п’яти континентів. Виведена вона в Голландії внаслідок довготривалого поліпшення місцевої голландської породи в умовах доброї годівлі та належного утримання. Нині діяльність селекціонерів спрямована на підвищення жирності молока. А які методи використовують науковці для селекційного поліпшення породи?

Вчені зазвичай використовують селекційне розведення для покращення певної породи, оскільки це менш дорого й займає багато часу, ніж інші методи, такі як генна інженерія. При селекційному розведенні особини з бажаними ознаками вибираються та розводяться разом для отримання потомства з бажаними характеристиками. Цей процес повторюється протягом кількох поколінь, доки бажана ознака не буде стабільно виражена в популяції. Вчені також можуть використовувати схрещування та гібридизацію для покращення породи, що передбачає введення нового генетичного матеріалу в популяцію. Нарешті, вони можуть використовувати такі методи, як штучне запліднення та перенесення ембріонів, щоб прискорити процес селекційного розведення.

1. Які методи селекції належать до основних?

Двома основними методами відбору є описова статистика та статистика висновків. Описова статистика надає інформацію про характеристики набору даних, такі як середнє значення, медіана та мода даних. Інференційна статистика дозволяє нам робити прогнози та узагальнення на основі вибірки даних. Інші методи відбору включають кореляційний аналіз, регресійний аналіз, перевірку гіпотез і факторний аналіз.

2. Наведіть приклади нових методів селекції рослин, тварин і мікрорганізмів.

Деякі з нових методів розведення рослин, тварин і мікроорганізмів включають генну інженерію, редагування генів, штучний відбір і селективне розведення. Генна інженерія передбачає введення чужорідної ДНК в організм, тоді як редагування генів передбачає зміну існуючого генетичного коду. Штучний відбір — це процес навмисного відбору організмів з бажаними ознаками, тоді як селективне розведення — це процес вибору найбільш бажаних ознак із популяції та розведення організмів, які мають ці ознаки. Ці методи використовуються для модифікації або створення нових сортів рослин, тварин і мікроорганізмів.

3. Що таке гетерозис?

Гетерозис, також відомий як гібридна сила, — це явище, при якому гібриди, утворені між особинами одного або близькоспорідненого виду, є міцнішими або енергійнішими, ніж їхні батьки. Гетерозис часто проявляється в таких ознаках, як розмір, швидкість росту, плодючість і врожайність. Основні механізми гетерозису залишаються в основному невідомими, але вважається, що він спричинений рядом факторів, таких як генетичне домінування, комплементарна дія генів і надмірне домінування. Гетерозис широко використовується в селекції сільськогосподарських культур і тварин для підвищення потенціалу врожайності та підвищення адаптації до стресу.

4. Наведіть приклади використання гетерозису в селекції.

Приклади використання гетерозису в селекції включають використання гібридної пшениці для отримання високої врожайності, гібридної кукурудзи для отримання більшого розміру зерна та підвищення стійкості до шкідників, гібридних курей для виробництва більших яєць і збільшення несучості, гібридної риби для збільшення швидкості росту, і гібридних корів для отримання підвищених надоїв. Крім того, гібридні рослини можна використовувати для створення нових сортів рослин із бажаними властивостями, такими як покращена стійкість до хвороб, підвищена врожайність, покращений смак або підвищена поживна цінність.

5. Що таке генетична інженерія?

Генна інженерія, яку іноді називають генетичною модифікацією, є процесом зміни ДНК у геномі організму. Це може означати вставку або видалення генів або введення генів інших організмів. Генну інженерію можна використовувати для модифікації генетичного складу організму, що призводить до зміни його характеристик, таких як розмір, швидкість росту, плодючість і врожайність. Ця технологія використовується в різних сферах застосування, включаючи медицину, сільське господарство та біотехнології.

6. Назвіть основні методи генної та клітинної інженерії.

Назвіть основні методи генної та клітинної інженерії. Основні методи генетичної та клітинної інженерії включають генну інженерію, редагування генів, CRISPR-Cas9, штучний відбір, селективне розведення, трансфекцію, доставку вірусного вектора та маніпуляції зі стовбуровими клітинами. Генна інженерія передбачає введення чужорідної ДНК в організм, тоді як редагування генів передбачає зміну існуючого генетичного коду. CRISPR-Cas9 — це техніка редагування генів, яка використовує направляючу РНК для направлення Cas9 у певне місце в геномі. Штучний відбір — це процес навмисного відбору організмів з бажаними ознаками, тоді як селективне розведення — це процес вибору найбільш бажаних ознак із популяції та розведення організмів, які мають ці ознаки. Трансфекція — це процес введення чужорідної ДНК або РНК у клітину, тоді як доставка вірусного вектора — це використання вірусів для доставки генетичного матеріалу в клітину. Нарешті, маніпуляції зі стовбуровими клітинами – це процес маніпулювання стовбуровими клітинами для диференціації в певний тип клітин.

7. Які сучасні методи селекції тварин, рослин й мікроорганізмів?

Сучасні методи селекції тварин, рослин і мікроорганізмів включають генну інженерію, редагування генів, штучний відбір і селекційне розведення. Генна інженерія передбачає введення чужорідної ДНК в організм, тоді як редагування генів передбачає зміну існуючого генетичного коду. Штучний відбір — це процес навмисного відбору організмів з бажаними ознаками, тоді як селективне розведення — це процес вибору найбільш бажаних ознак із популяції та розведення організмів, які мають ці ознаки. Ці методи використовуються для модифікації або створення нових сортів рослин, тварин і мікроорганізмів.

8. Які генетичні основи гетерозису?

Трьома основними генетичними основами гетерозису є домінування, наддомінування та епістаз. Домінування виникає, коли гібрид експресує алель або ген, який не експресується ні в одного з батьків. Наддомінування виникає, коли гібрид експресує ген або алель, який не експресується в жодного з батьків, але також демонструє вищий рівень експресії, ніж будь-який з батьків. Епістаз виникає, коли експресія одного гена або алеля залежить від експресії іншого гена або алеля.

9. Які переваги застосування методів генетичної інженерії у сучасній селекції?

Переваги використання методів генної інженерії в сучасній селекції включають можливість точно модифікувати гени, створювати нові сорти рослин і тварин із бажаними ознаками, покращувати поживну цінність їжі та розробляти нові ліки та методи лікування хвороб. Крім того, методи генної інженерії можна використовувати для створення трансгенних рослин і тварин, стійких до шкідників і хвороб, що може призвести до підвищення врожайності та покращення продовольчої безпеки. Нарешті, генна інженерія може бути використана для отримання організмів з бажаними ознаками, які неможливо створити традиційними методами розведення.

10. Обґрунтуйте необхідність поєднання класичних і новітніх методів селекції.

Для поліпшення врожаю необхідне поєднання класичних і сучасних методів селекції. Класичні методи передбачають відбір рослин із бажаними ознаками, що може зайняти багато часу. Сучасні методи засновані на генетичних маніпуляціях і дозволяють привнести бажані ознаки в значно коротший період часу. Поєднання цих двох методів дозволяє селекціонерам швидше досягти бажаних результатів у покращенні врожаю. Крім того, сучасні методи дозволяють селекціонерам вводити складні ознаки, яких важко досягти лише класичними методами. Використовуючи поєднання обох методів, селекціонери можуть більш ефективно та результативно покращувати врожай.