Основы селекции. Селекция микроорганизмов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат по дисциплине: «Биология»

Тема: «Основы селекции. Селекция микроорганизмов»

1. Основы селекции

Селекция -- это наука, изучающая биологические основы и методы создания и совершенствования пород животных, сортов растений и штаммов микроорганизмов. Она объединяет теоретические подходы и конкретные приемы и рекомендации. селекция биологический растение мутагенез

Благодаря методам селекции появились сорта растений и породы животных, которые не только могут существовать при неблагоприятных условиях окружающей среды, но и позволяют получать высокий выход сельскохозяйственной продукции. Например, известны сорта ячменя, плодоносящие при поливе морской водой, тритикале, растущие на почвах с высоким значением рН и повышенной концентрацией солей металлов. Выводятся разновидности насекомых и микроорганизмов, используемых для биологической борьбы с вредителями и возбудителями болезней сельскохозяйственных животных и растений.

Объекты селекции испытывают действие как естественного, так и искусственного отбора. Обычно устойчивость к неблагоприятным условиям среды, засухоустойчивость находятся в зоне действия естественного отбора. При этом приспособленность особей повышается. В результате действия искусственного отбора, цели и направление которого задает человек, у получающихся сортов и пород увеличение приспособленности наблюдается не всегда. Искусственный отбор осуществляется за возможно короткое время и в условиях ограниченной численности популяции, поэтому его ведут не по многим признакам, а лишь по нескольким, наиболее важным в данный момент. Вследствие перечисленных причин все сорта растений, породы животных и штаммы микроорганизмов представляют собой результат одновременного действия обоих видов отбора. Как естественный, так и искусственный отбор невозможны без наследственной изменчивости. Она служит источником тех вариаций, которые подхватываются отбором.

Источниками наследственной изменчивости, используемыми в селекции, являются мутации, гибридизация и полиплоидизация. В селекции растений и животных важную роль играют и спонтанные, и индуцированные мутации, способы выделения которых хорошо разработаны. В ряде случаев поиск необходимых мутаций облегчается применением закона гомологических рядов наследственной изменчивости, который может указать, где и какие наследственные изменения следует ожидать. У растений многие высокопродуктивные сорта получены в результате полиплоидизации -- увеличения числа наборов хромосом. При автополиплоидии умножается хромосомный набор вида -- в результате возникают триплоидные, тетраплоидные и т. д. формы. При аллополиплоидии в одном геноме сочетаются хромосомные наборы разных видов. Аллополиплоидизация обычно является результатом отдаленной гибридизации. Особенно успешно она используется в селекции растений, которые могут размножаться вегетативным путем, например плодовых культур. Однако этим способом получают новые сорта и у других видов сельскохозяйственных растений. Примером этому могут служить гексаплоидные и тетраплоидные виды и формы пшениц (результат древней межвидовой и межродовой гибридизации исходных форм пшениц с эгилопсами, сорта тритикале (возникшие на основе гибридов пшеницы и ржи), пшенично-пырейные гибриды и другие.

В селекции используют два вида искусственного отбора: массовый и индивидуальный. Массовый отбор проводится по фенотипическим характеристикам групп особей. Он эффективен в отношении признаков, которые контролируются малым количеством генов. Индивидуальный отбор подразумевает оценку генотипа отдельных животных или растений. Как правило, для этого требуется получить потомство от отбираемого организма и изучить его показатели. У растений для этого используют анализ в семьях, применяя самоопыление, у животных используют близкородственные скрещивания (инбридинг). В результате таких действий популяция распадается на отдельные гомозиготные линии. Чем больше близкородственных скрещиваний проводится и чем ближе степень родства скрещиваемых форм, тем эффективнее получаются такие линии и тем меньше в них изменчивость по селектируемым признакам. К противоположным результатам приводят скрещивания неродственных особей, относящихся к разным линиям. Такие скрещивания носят название аутбридинга. Они приводят к увеличению гетерозиготности потомства и, следовательно, изменчивости.

При аутбридинге растений и животных разных линий, форм, рас, сортов возникает явление гетерозиса, которое проявляется в виде гибридной мощности -- превосходстве гибрида над обеими родительскими формами. Гетерозис широко используется в селекции. Противоположный ему эффект носит название инбредной депрессии. Как правило, депрессия связана с увеличением гомозиготности, а гетерозис -- с увеличением гетерозиготности. Эффект гетерозиса постепенно затухает в ряду поколений. Для того чтобы его продлить, у растений используют вегетативное размножение, размножение при помощи апомиксиса или полиплоидизации.

В селекции микроорганизмов наряду с традиционными методами важная роль отводится молекулярно-генетическим подходам, вовлекающим клонирование и выделение индивидуальных генов и методов биотехнологии. Результатом селекции микроорганизмов становятся штаммы, продуцирующие необходимые человеку вещества, например антибиотики, а также соединения, генные последовательности которых были специально введены в бактериальные клетки, например, гормоны млекопитающих.

2. Методы селекции растений

Основными методами современной селекции являются искусственный отбор, гибридизация и мутагенез. В последнее время в селекции применяются методы генетики и молекулярной биологии.

В селекции растений наиболее широко используется искусственный отбор - массовый и индивидуальный. Массовый отбор может быть эффективен в том случае, если отбираются качественные, просто наследуемые и легко определяемые признаки. Массовый отбор обычно проводят среди перекрестноопыляемых растений. При этом селекционеры отбирают растения по фенотипу с интересующими их признаками. От этих растений вновь получают потомство, а из этого потомства опять отбирают растения с лучшими признаками. Как правило, такая процедура проводится многократно в целом ряду следующих друг за другом поколений. Недостаток массового отбора заключается в том, что селекционер не всегда может определить лучший генотип по фенотипу.

При отборе особей по количественным, сложно наследуемым признакам более аффективен индивидуальный отбор. Индивидуальный отбор основан на выделении единичных особей с нужными признаками и получении от них потомства. Этот вид отбора позволяет точно оценить генотип благодаря анализу наследования признаков у потомства. Индивидуальный отбор применяют по отношению к самоопыляемым растениям (сорта пшеницы, ячменя, гороха и др.).

В селекции растений часто используют метод гибридизации. Разные ее варианты представляют отдаленную и внутривидовую гибридизацию.

При отдаленной гибридизации скрещиваются растения равных видов или родов, в результате чего получают гибриды. В качестве примеров межродовых гибридов растений можно назвать гибрид пшеницы и ржи (тритикале), пшенично-пырейный гибрид, гибрид смородины и крыжовника (йошта), гибрид брюквы и кормовой капусты (куузика), гибриды озимой ржи и житняка, травянистого и древовидного томатов и др.

В случае внутривидовой гибридизации скрещиваются разные формы, линии, сорта в пределах вида. В качестве примера межсортового скрещивания можно назвать работы И. В. Мичурина по созданию сортов яблони бельфлер-китайки. При межлинейном скрещивании вначале самоопылением перекрестноопыляемых растений получают гомозиготные (чистые) линии, а затем скрещивают разные линии между собой, при этом большинство генов переводится в гетерозиготное состояние. Скрещивание между собой чистых доминантных и рецессивных гомозиготных линий часто приводит к резкому подъему урожайности растений. Причина этого состоит в так называемом эффекте гетерозиса (от греч. heteroiosis - изменение, превращение), или «гибридной силе»: ускорении роста, повышении жизнестойкости гибридов первого поколения, у которых большинство генов находится в гетерозиготном состоянии. Межлинейная гибридизация, хотя и дорогостоящий, и трудоемкий метод, позволяет создать высокоурожайные сорта растений, полностью окупающие затраты на их получение. В производственных посевах используют только семена гибридов первого поколения, так как в последующих поколениях эффект гетерозиса снижается. По-видимому, это происходит вследствие снижения числа гетерозиготных организмов и повышения доли гомозигот.

В селекции растений широко используется полиплоидия, которая выражается в кратном увеличении набора хромосом. Получение полиплоидов в эксперименте тесно связано с искусственным мутагенезом. Искусственный мутагенез как метод селекции растений основан на применении физических и химических мутагенов для получения форм растений с выраженными мутациями. Такие формы в дальнейшем используются для гибридизации или отбора.

Методы селекции животных. Для животных характерно половое размножение и немногочисленное потомство. Выведение новой породы - процесс длительный, требующий больших материальных затрат. Именно в селекции животных особое значение имеет подбор исходных форм, т. е. подбор производителей (родительских пар). С этой целью определяют качество производителя по потомству, по экстерьеру (совокупности фенотипических признаков) и родословным.

Особенности организма животных не позволяют применять такие методы селекции, как полиплоидия и искусственный мутагенез. Поэтому в селекционной работе с животными используют в основном отдаленную и внутривидовую гибридизацию и индивидуальный отбор.

Отдаленная гибридизация в селекции животных применяется значительно реже, чем в селекции растений. Так же как у растений, межвидовые и межродовые гибриды животных бесплодны. Иногда бесплодны особи только одного пола. Например, у гибридов высокогорного быка яка и рогатого скота бесплодны самцы, а самки плодовиты. Потомство, хотя н бесплодно, в ряде случаев обладает большой хозяйственной ценностью благодаря проявлению у него эффекта гетерозиса. Примером может служить используемый человеком с глубокой древности мул - гибрид осла и кобылицы. Мулы обладают большой физической силой и выносливостью, а продолжительность их жизни значительно выше, чем у родительских видов. Отдаленные гибриды представляют собой также лошак - гибрид ослицы и коня (он меньше мула ростом, строптив); архаромеринос - гибрид архара (горного барана) и мериноса (тонкорунной овцы); бестер - гибрид стерляди и белуги; нар - гибрид одногорбого и двугорбого верблюда; ханарик - гибрид хорька и норки. В природе встречаются гибриды зебры и лошади, бизона и зубра, тетерева и куропатки (межняк), зайца-русака и зайца-беляка (тумак), соболя и лисицы (кидус), а также тигра и льва, волка и собаки.

Методы селекции микроорганизмов. К основным методам селекции микроорганизмов относятся искусственный мутагенез и отбор. Используя мутагены, получают разнообразные мутации, тем самым повышая интенсивность наследственной изменчивости микроорганизмов в десятки и сотни раз, а затем отбирают лучшие штаммы. Высокая скорость размножения и чрезвычайно развитые механизмы адаптации микроорганизмов облегчают селекционную работу. Например, трудами ученых всего за 30 лет продуктивность плесневого гриба пеницилла увеличена в 10 тыс. раз, в то время как содержание сахара в сахарной свекле удалось повысить только в 3 раза (за 150 лет напряженной селекционной работы). Высокопродуктивные штаммы микроорганизмов используют в целях повышения эффективности биотехнологических процессов.

Современные направления развития селекции. В настоящее время в России возделывается более 3 тыс. сортов и гибридов различных полевых культур, ценных по качеству, высокоурожайных и приспособленных к местным почвенно-клнматическим условиям. Главное направление селекции всех сельскохозяйственных культур - выведение сортов и гибридов, отличающихся высокой урожайностью и устойчивостью к болезням и вредителям, способностью противостоять резким колебаниям погодных условий. Интенсивно ведутся работы в направлении повышения продуктивности зерновых культур, создания неполегающих сортов зерновых и бобовых растений.

Актуальна проблема введения в культуру растений, устойчивых к засолению почв, обеспечивающих высокие урожаи при орошении почв соленой водой.

Важнейшая особенность современных программ селекции - создание экологически чистой продукции, употребление которой безвредно для здоровья человека. К сожалению, отмечается недостаточная устойчивость возделываемых культур и сортов ко многим заболеваниям. На основе традиционных методов (гибридизация и отбор), а также современных методов генной инженерии планируется создать сорта овса и пшеницы, устойчивые к грибковым (ржавчина) и вирусным инфекциям; сорта проса, не поражающиеся головней; фитофтороустойчивые, свободные от вирусов сорта картофеля и др.

Селекционеры России располагают ценнейшим исходным материалом для селекционной работы на засухоустойчивость. Всемирно известны уникальные по засухоустойчивости сорта яровой пшеницы Эритроспермум 841 и Саратовская 46, озимой пшеницы Одесская 26, ярового ячменя Южный, проса Саратовский 853.

В нашей стране ученые длительным отбором в условиях суровой зимы создали самые морозоустойчивые в мире сорта озимой пшеницы: Ульяновка, Лютенеценс 329, Алабасская.

Новые высокопродуктивные сорта зерновых культур должны иметь отличные технологические и пищевые качества. Планируется возделывание сортов безалкалоидного люпина, обладающего повышенным содержанием белков, витаминов и минералов, и его использование для детского и лечебного питания.

Внушительные успехи получены учеными и в селекции животных: созданы породы крупного рогатого скота, дающие более 10 тыс. кг молока на корову в год. Выведены породы овец (Асканийская, Казахский архаромеринос и многие другие), характеризующиеся повышенной жизнестойкостью в разнообразных условиях разведения. Созданы породы каракульских овец, норки, отличающихся разнообразной окраской шерсти.

3. Микроорганизмы и особенности их селекции

К микроорганизмам относят всех прокариот, а из эукариот -- простейших, микроскопические формы грибов и водорослей. Все они находят широкое применение в промышленности, сельском хозяйстве, медицине и энергетике. Роль микроорганизмов в производстве лекарств, биологически активных соединений, кормовых добавок, бактериальных удобрений, в хлебопечении, виноделии, в производстве многих молочных продуктов невозможно переоценить. В связи с этим постоянно ведется поиск новых высокопродуктивных штаммов микроорганизмов.

Селекция микроорганизмов, в отличие от селекции растений и животных, имеет ряд особенностей. На небольшой площади в специальных аппаратах с питательной средой в считанные дни можно вырастить миллиарды особей.

Мутационный процесс в селекции микроорганизмов можно использовать более эффективно, чем у высших организмов, так как геном большинства микроорганизмов гаплоидный, что позволяет выявлять любые мутации уже в первом поколении.

3. Методы селекции микроорганизмов

От методов селекции высших эукариот они отличаются существенно. До недавнего времени основными методами получения высокопродуктивных штаммов микроорганизмов были искусственный мутагенез и последующий отбор групп генетически идентичных клеток -- клонов. После выделения из дикого штамма микроорганизмов, обладающих полезными для человека свойствами, проводится отбор наиболее продуктивных штаммов среди них. Следующий этап, как правило, -- применение искусственного мутагенеза, позволяющего усилить появление различных мутаций. В качестве мутагенов используются ионизирующие излучения, некоторые химические вещества, а также ультрафиолетовое излучение, обладающее хотя и низкой проникающей способностью, но достаточной для появления мутаций у микроорганизмов.

Вероятность возникновения мутаций у микроорганизмов та же, что и у всех других организмов, -- примерно 1 мутация на 1 млн особей по каждому гену. Однако, учитывая то, что получить миллионное и миллиардное потомство у микроорганизмов нетрудно, вероятность выделения мутаций по данному гену достаточно высокая.

Для получения культуры микроорганизмов -- мутантов с нужными качествами учеными-селекционерами разработаны специальные методы отбора. Отобранный клон подвергается многократному пересеву на питательную среду с контролем на образование требуемого продукта. Цель такого многократного клонирования -- получение наиболее однородной популяции клеток. После получения продуктивных штаммов приступают к их размножению. Использование данной технологии позволило селекционерам получить штаммы, продуктивность которых в сотни и тысячи раз выше по сравнению с исходными штаммами микроорганизмов, взятыми из природы.

4. Генная инженерия

Успехи, достигнутые молекулярной биологией и генетикой в изучении микроорганизмов, а также ограниченность возможностей традиционной селекции привели к созданию новых методов целенаправленного и контролируемого получения микроорганизмов с заданными свойствами.

В основе этих технологий лежат приемы генной инженерии. Они позволяют выделять необходимый ген и вводить его в новое генетическое окружение с целью создания организма с новыми, заранее предопределенными признаками.

Методы генной инженерии остаются еще очень сложными и дорогостоящими. Но уже сейчас с их помощью в промышленности получают такие важные медицинские препараты, как интерферон, гормоны роста, инсулин и др.

Селекция микроорганизмов является важнейшим направлением в биотехнологии.

Размещено на Allbest.ru