Генетика и селекция
Слово «селекция означает отбор. Практически под селекцией понимается наука о создании новых и улучшения существующих пород домашних животных и сортов культурных растений, а также штампов микроорганизмов. Селекция есть род практической деятельности людей. Селекция как процесс изменения домашних животных и культурных растений, по выражению Н.И.Вавилова, «представляет собой эволюцию, направляемую волей человека».
Важное место в теории селекции занимает генетика, поэтому развитие генетических основ селекции необходимо для сельскохозяйственной практики.
Одомашнивание как первый этап селекции. Все современные домашние животные и культурные растения произошли от диких предков. Процесс превращения диких животных и растений в культурные формы называют одомашниванием. Главным фактором одомашнивания служит искусственный отбор организмов, отвечающих требованиям человека. Для животных показателем одомашнивания было создание (путем отбора) особей, способных к контактам с человеком, к сосуществованию с ним. В условиях естественной природы культурные, т.е. одомашненные, формы существовать не могут.
Центры происхождения культурных растений. Выдающийся вклад в развитие представлений о центрах происхождения культурных растений внесли Н.И.Вавилов и его сотрудники. В результате многочисленных экспедиций, организованных Н.И.Вавиловым в самые отдаленные уголки планеты, где возникли древние земледельческие цивилизации, была собрана уникальная, самая крупная в мире коллекция разнообразных культурных растений. Именно она послужила фундаментом той огромной коллекции, которая ныне находится в институте растениеводства им. Н.И.Вавилова (Санкт-Петербург) и активно служит интересам науки и практики. Исследования показали, что родоначальником культурного риса стали два диких вида этого растения – азиатский и африканский. Из 20 диких видов ячменя (многолетних) был одомашнен лишь один вид – двуядерный ячмень.
Районы одомашнивания животных связаны с центрами происхождения культурных растений. Впервые были одомашнены животные, не образующие крупных стад: собака, свинья, куры, гуси, утки. В районах Передней Азии впервые были одомашнены овцы, а в Малой Азии – козы. Предок крупного рогатого скота – тур – впервые одомашнен в ряде областей Евразии, предки домашней лошади – в степях Причерноморья. В районе американских центров, происхождения растений были одомашнены такие животные, как лама, альпака, индейка.
Происхождение домашних животных. Единственным предком собаки был волк. Предками домашней овцы были дикие бараны – муфлоны. Родоначальником домашней свиньи – дикий кабан. Предком домашней кошки была африканская дикая кошка. Домашняя курица произошла от дикой красной курицы джунглей.
Методы современной селекции. В основе селекционного процесса лежит искусственный отбор. Отбирая для размножения лучших животных, наиболее продуктивные формы растений или штаммы микроорганизмов, человек коренным образом изменяет генотип диких родоначальников. Учение об отборе, созданное Ч.Дарвином, а также знания об изменчивости и наследственности организмов составляют основу теории и практики селекции. На первых этапах одомашнивания человек пользовался отбором бессознательно, т.е. без осознания цели изменить животных и растений в нужном направлении. Он составлял лишь тех животных, которые способны были существовать и размножаться в условиях неволи. Бессознательному отбору подвергались и растения. Собирая урожай растений в определенное время, человек вел бессознательный отбор на прочность колосового стержня, что стало характерным признаком культурных злаков.
На ранних этапах развития животноводства и растениеводства человек заметил, что от лучших особей, т.е. в наибольшей степени удовлетворяющих его потребности, рождается лучшее потомство. Такой сознательный отбор, методический отбор, осуществляющийся человеком в течение многих поколений, привел к резкому изменению целого ряда признаков и свойств животных и растений, сделал их приспособленными к потребностям человека и не похожими на их диких предков. В селекции животных особенно важна оценка по генотипу производителей. Существует несколько методов оценки наследственных качеств производителей. Наиболее точный из них – оценка их племенных (наследственных) качеств по потомству. В результате оценки выделяются лучшие по тем или иным качествам производители. Они интенсивно используются для получения максимального количества потомства, представляющего для сельского хозяйства большую ценность. Отбор, основанный на оценке наследственных качеств отдельных растений, используется и в растениеводстве. В этом случае оценивается потомство отдельных самоопыленных (чистых) линий растений, выделенных из какого-либо сорта, а для размножения отбираются лучшие линии. Чистая линия – это потомство одной пары родителей, гомозиготное по определенному комплексу признаков; а у растений это может быть потомство одной самоопыленной особи.
Родственные скрещивания и их значение в селекции. Многочисленные исследования и практический опыт свидетельствует о том, что близкородственное разведение животных, также как и принудительное самоопыление растений, часто ведут к резкому снижению жизнеспособности потомков. Одна из причин этого состоит в быстром повышении гомозиготности потомков. Вместе с тем родственное скрещивание благодаря повышению гомозиготности способствует закреплению выдающихся качеств отдельных особей. По этой причине оно нередко применяется в случаях, когда селекционер ставит перед собой задачу сохранить в потомстве качества какого либо выдающегося животного.
Гетерозис, его использование в сельском хозяйстве. Давно было замечено, что при скрещивании друг с другом генетически отдаленных форм иногда получатся организмы, характеризующиеся мощным развитием и высокой жизнеспособностью. Высокая жизнеспособность, возникающая в результате скрещивания, называется гетерозисом (мул).
В животноводстве широко применяется межпородный гетерозис. Скрещивание двух разных пород, генетически отличающихся друг от друга, дает гибриды F1, гетерозиготные по очень большому числу генов. Эти гибриды быстро растут, дают хороший привес, достигают большой массы за более короткие сроки. В растениеводстве можно получить гетерозис от скрещивания двух генетически отличающихся линий.
Гомозигота – клетка или организм, в наследственном наборе которого гомологические хромосомы несут одну и ту же форму данного гена.
Полиплоидная и отдаленная гибридизация в селекции растений. Многие культурные растения полиплоидны, т.е. содержат более двух гаплоидных наборов хромосом. Среди полиплоидов оказываются многие основные продовольственные культуры: пшеница, картофель, овес. Поскольку некоторые полиплоиды обладают большой устойчивостью к действию неблагоприятных факторов и хорошей урожайностью, их использование в селекции оправдано. Существуют методы, позволяющие экспериментально получать полиплоидные сорта ржи, гречихи, сахарной свеклы.
Отдаленная гибридизация, т.е. скрещивание растений, которые относятся к разным видам и даже родам, перспективна для создания совершенно новых форм растений. Однако гибриды первого поколения, как правило, бесплодны. Причина бесплодия заключается в нарушении конъюгации хромосом в мейозе. Полиплоидизация отдаленных гибридов приводит к восстановлению плодовитости благодаря нормализации мейотического процесса.
Полиплоидия и отдаленная гибридизация у животных встречается редко. Работы И.В.Мичурина. Мичурин посвятил выведению новых сортов плодовых деревьев и др. культурных растений 60 лет напряженного труда. Важный результат его деятельности состоит в том, что он способствовал развитию представлений об отдаленной гибридизации растений. Мичурин работал методами гибридизации и отбора. Установив зависимость развития признаков у гибридных растений от условий внешней среды. Мичурин показал возможность управления доминированием. Выращивание гибридов на хорошо удобренных почвах способствует формированию у них свойств более культурного высокопродуктивного сорта, но приводит к снижению выносливости к неблагоприятных климатических условиях. Наоборот, при выращивании на более тощих почвах развивалось меньше гибридных растений с хорошими культурными качествами.
Таким образом, применение гибридизации, искусственного отбора, а также активное использование факторов внешней среды позволяет селекционерам добиваться крупных успехов в создании продуктивных и устойчивых сортов растений и пород животных.
Искусственный мутагенез (процесс возникновения мутаций)
и его значение в селекции
Искусственный мутагенез, т.е. контролируемый человеком процесс возникновения мутаций, успешно применяется в селекции растений и микроорганизмов. В качестве мутагенных, т.е. вызывающих мутации агентов в настоящее время широко используют различные виды ионизирующей радиации. С помощью искусственного мутагенеза получены плесневые грибки, продуцирующие антибиотики в тысячи раз эффективнее, чем исходные формы. Использование искусственного мутагенеза в селекции привело к созданию высокопродуктивных штаммов микроорганизмов – редуцентов витаминов, аминокислот, белков, которые активно используются в медицине и сельском хозяйстве. Благодаря использованию мутагенов возникают мутантные формы растений, у которых сохранены ценные свойства формы растений и вместе с тем улучшены признаки, особенно интересующие селекционеров.
Таким образом, искусственный мутагенез является важным и эффективным в арсенале методов, используемых в современной селекции.
На основе методов гибридизации и отбора, развитых и обогащенных современной генетической теорией, во всем мире в настоящее время идет интенсивный процесс создания новых и улучшения существующих сортов растений и пород животных.