Почему селекционеры стремятся получить растения полиплоиды

Селекция

Селекция (лат. selectio – выбирать) – наука и отрасль практической деятельности, направленная на создание новых сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов, обладающих полезными для человека свойствами.

Этими полезными свойствами могут быть размер и форма плодов, урожайность, удойность у коров, устойчивость к факторам внешней среды (к засушливому климату, к морозу).

Основы селекции

В основе селекции лежит способность генотипа живых организмов к изменениям, что происходит главным образом за счет комбинативной и мутационной изменчивости. В процессе селекции происходит искусственный отбор организмов с полезными для человека свойствами и их размножение.

В результате множества последовательных скрещиваний, в конце концов, селекционерам удается достичь желаемой цели: вывести гибридов с нужными признаками.

Мутационная изменчивость существует благодаря мутациям – случайным ненаправленным изменениям генотипа. Благодаря мутациям, к примеру, возник безалкалоидный сорт люпина. И.В. Мичуриным на яблоне сорта Антоновка Могилевская были обнаружены необычайно крупные плоды, ветвь с которым послужила для появления нового сорта – Антоновки шестистограммовой. Эти плоды – результат произошедшей в естественных условиях мутации соматических клеток.

“Сколько ждать этой естественной мутации?” – спросите вы. Может один день, а может и 100, и 10000 лет – всем властвует случайность. На наш век может не выпасть удача, а мы такого допустить не можем! 🙂

Именно по этой причине в селекции растений часто используются искусственно вызванные мутации – авто- и аллополиплоидию.

Автополиплоидия

Автополиплоидия – кратное (4n,6n,8n) увеличение исходного набора хромосом, который характерен для особей вида.

Автополиплоидия возникает в результате обработки почек колхицином, который нарушает образование нитей веретена деления, и, соответственно, нарушает расхождение хромосом при митозе, в результате чего набор хромосом в клетке оказывается удвоенным. Таким способом получают полиплоиды – сорта растений, обладающие повышенной урожайностью.

Существуют различные тетраплоидные сорта свеклы, мака, кукурузы и других сельскохозяйственных культур, которые отличаются большими размерами плодов.

Аллополиплоидия

Аллополиплоидия (греч. állos — другой и polýploos — многократный) – соединение в клетках организма хромосомного набора от разных видов или родов, в результате которого образуется гибридная зигота.

Благодаря аллополиплоидии получают новые сорта растений. Наиболее известным примером является гибрид ржи и пшеницы – тритикале. Некоторые межвидовые гибриды табака обладают повышенной устойчивостью к возбудителям заболеваний мучнистой росы, табачной мозаики.

В рамках биотехнологии разработаны методы, с помощью которых стало возможным создание бактерий, синтезирующих полезные для человека белки, многие из которых используются как лекарства: аминокислоты, антибиотики, инсулин.

Скрещивание особей в селекции

Каждое скрещивание как сдача новых карт: может повезет, а может и нет. Вполне возможно, что особь унаследует полезные признаки от родителей и сможет передать их своим потомкам, всегда есть и шанс того, что появятся новые полезные для человека признаки, равно как и шанс, что ничего полезного из проводимого скрещивания не выйдет.

Возможны несколько вариантов скрещивания:

Близкородственное скрещивание (инбридинг – от англ. in — внутри + breeding — разведение)

Близкородственное скрещивание в течение нескольких поколений приводит к переходу генов в гомозиготное состояние, вследствие чего потомство ослабевает и становится более подвержено наследственным заболеваниям.

Замечу, что под инбридингом подразумевают близкородственное скрещивание животных. Для самоопыления у растений существует иной термин – инцухт.

В селекции инбридинг применяют для выведения чистых линий (гомозиготных особей – aa, AA, bb, BB), которые используются, например, для анализирующего скрещивания. Инбридинг использовался при выведении абсолютно всех пород животных, и в настоящее время активно используется в питомниках для выведения нужных пород животных (кошек, собак и т.д.)

Аутбридинг заключается в скрещивании неродственных особей, которые могут принадлежать к одному сорту, породе, виду или роду. Аутбридинг ведет к явлению гетерозиса – получения гетерозисных форм, которые превосходят родительских особей по ряду признаков.

Гетерозис – явление увеличения жизнеспособности особей у гибридов, которые получены при скрещивании двух чистых линий. Такой эффект связан с переходом генов в гетерозиготное состояние, что повышает выживаемость организмов, плодовитость, и множество других полезных свойств.

Применение отдаленной гибридизации заключается в скрещивании особей, принадлежащих к разным родам и видам. Такие особи обладают крайне полезными для человека свойствами, но часто бесплодны (стерильны).

Известным примером отдаленной гибридизации является мул – гибрид осла (самца) и лошади (самки). Отличаются большой выносливостью и работоспособностью, живут до 40 лет, обладают хорошим иммунитетом к заболеваниям, не требовательны в корме и уходе.

Обратный пример: гибрид ослицы (самки) и жеребца (самца) – лошак. Встречаются гораздо реже по сравнению с мулом, так как обладают меньшей выносливостью и работоспособностью. В большинстве случаев бесплодны.

Отбор в селекции

Отбор в селекции осуществляет человек с единственной целью: размножить особей с нужными и полезными признаками, свойствами. Очевидно, что такой отбор называется искусственным, в противовес естественному отбору, главный критерий которого – приспособленность.

Отбор может осуществляться двумя способами:

Массовый отбор

Отбор организмов исключительно на основе внешних данных (фенотипа). Основным критерием для человека служит проявление признака: размер плодов, цвет лепестков, цвет листьев и т.д. Этот вид отбора характеризуется массовостью и быстротой.

В результате массового отбора формируется группа особей, которые обладают нужными и полезными для человека признаками. В дальнейшем они подвергаются размножению.

Выборочный отбор и сохранение особей с ценными для человека признаками. В ходе индивидуального отбора оценивается не только фенотип, но и генотип, вследствие чего данный вид отбора занимает большее время, но оказывается более эффективен.

Индивидуальный отбор требует оценки потомства от выбранной особи в ряду поколений. Иногда подобный отбор применяют у самоопыляемых растений: пшеницы, ячменя – с целью получения чистых линий. Как было сказано ранее, чистые линии характеризуются гомозиготностью и являются исходным материалом для селекции.

©Беллевич Юрий Сергеевич

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Селекция растений: основные методы и роль естественного отбора. Самоопыление перекрестноопыляемых растений. Гетерозис. Полиплоидия и отдаленная гибридизация. Достижения селекции растений – Генетика – ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ – ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЕГЭ

В основе селекции растений лежит искусственный отбор, когда человек отбирает растения с интересующими его признаками. До XVI-XVII вв. отбор происходил бессознательно, то есть человек, например, отбирал для посева лучшие, самые крупные семена пшеницы, не задумываясь о том, что он изменяет растения в нужном ему направлении.

Только в последние столетия человек, еще не зная законов генетики, стал использовать отбор сознательно или целенаправленно, скрещивая те растения, которые удовлетворяли его в наибольшей степени.

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 стеблем и устойчив к полеганию, а другой 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 создается новый сорт.

Основные методы селекции вообще и селекции растений в частности — отбор и гибридизация.

Для перекрестноопыляемых 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 путем самоопыления получают потомство от одной единственной особи с желательными признаками. Таким методом были получены многие сорта пшеницы, капусты и др.

Для закрепления полезных наследственных свойств необходимо повысить гомозиготность нового сорта. Иногда для этого применяют самоопыление перекрестноопыляемых 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 перекрестноопыляемых растений для получения гомозиготных («чистых») линий с нужными признаками. Это приводит к снижению урожайности. Однако затем проводят перекрестное 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. К сожалению, эффект гетерозисной (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 основе явления полиплоидии лежат следующие причины: каждому виду живых организмов присущ строго определенный набор хромосом. В половых клетках все хромосомы различны. Такой набор называется гаплоидным и обозначается буквой п. Клетки тела (соматические) обычно содержат двойной набор хромосом, называемый диплоидным (2n). Если хромосомы, удвоившиеся в процессе деления, не разойдутся в дочерние клетки, а останутся в одном ядре, то возникает явление кратного увеличения числа хромосом, называемое полиплоидией. В сельскохозяйственной практике широко используются триплоидная сахарная свекла, четырехплоидные клевер, рожь и твердая 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 и остаются в одном ядре. Одно из таких веществ — колхицин. Применение колхицина для получения искусственных полиплоидов является примером искусственного мутагенеза, применяемого при селекции растений.

Путем 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.

Сейчас в мире культивируют более 250 сортов сельскохозяйственных растений, созданных при помощи физического и химического мутагенеза. Это сорта кукурузы, ячменя, сои, риса, томатов, подсолнечника, хлопчатника, декоративных растений.

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.

Отдаленная гибридизация — это метод, при котором производят скрещивание растений разных видов одного рода или даже разных родов. Существуют гибриды ржи и пшеницы, пшеницы и дикого злака эгилопс. Однако отдаленные гибриды, как правило, бесплодны, так как у них невозможен нормальный процесс созревания гамет из-за неспособности хромосом конъюгировать в профазе I мейоза.

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 отдаленной гибридизации было получено новое культурное растение — тритикале — гибрид пшеницы с рожью (лат. Triticum — пшеница и Secale — рожь). Отдаленная гибридизация широко применяется в плодоводстве.

Что такое полиплоидия? Роль полиплоидии в природе

Что такое полиплоидия? Наверное, каждый знает, что человек получает по 23 хромосомы от отца и матери при зачатии. Люди могут называться диплоидами («ди» означает «два» и «плоид» означает «средства», имеющие отношение к хромосомам, или к частям ДНК), так как они получают только два набора. Любой организм с более чем двумя наборами хромосом называется полиплоидным. Какие можно привести примеры полиплоидии у растений, животных и людей. Какие существуют типы?

Что такое полиплоидия?

Сам термин “полиплоидия” означает наличие множества полных наборов генетической информации. Большинство существ с половым способом размножения имеют четное количество хромосом: один набор от мамы и один набор от папы. Важно помнить, что эти комплекты похожи, но они не идентичны.

Клетки используют всю хранящуюся в них генетическую информацию. Из-за этого полиплоидные живые существа имеют более высокие уровни «дозировки» каждого произведенного гена, обычно приводящие к увеличению клеток, большим размерам и увеличению потомства.

Виды полиплоидии

Поскольку ученые любят определенный язык, они создали много терминов для описания плоидности, или количества наборов генетической информации. Вы можете использовать термин «полиплоидия» как существительное, и «полиплоидный» – как прилагательное формы. К слову говоря, это правило применяется ко всем терминам для разных типов плоидности.

Вот некоторые из наиболее распространенных типов:

• Гаплоид означает, что есть только один набор хромосом, но организм все равно может воспроизводиться. Бактерии и другие одноклеточные организмы обычно гаплоидны. Иногда встречаются многоклеточные гаплоидные существа, которые обычно являются насекомыми или другими беспозвоночными.
• Моноплоид означает критерий, который должен иметь два набора хромосом, но случайно получил только один. Моноплоиды обычно стерильны, то есть не способны к репродукции.

Полиплоидия в растениях

У каких организмов встречается полиплоидия? Чаще всего она наблюдается в царстве растений. Тысячи лет селективного культивирования и селекции растений привели к созданию плодородных пищевых растений, которые обычно являются тетраплоидными и гексаплоидными.

Если сравнить диплоидные и тетраплоидные разновидности одного и того же типа растений, очень часто тетраплоидные растения растут все более и более продуктивно. Полиплоидия в селекции играет очень важную роль в наше время.

Полиплоидия у животных

Среди животных она часто наблюдается у рыб и амфибий. В общем, существует генетическая предвзятость для плоидных чисел у животных. Тростники с неравным количеством хромосом, или хромосом, содержащих неправильные хромосомы, обычно не могут производить потомство.

Что такое полиплоидия? Какие конкретные примеры видообразования можно привести у растений и животных?

Триплоиды

Прежде чем разбираться с полиплоидией, нужно немного понять, как тела создают новые клетки. Все человеческие клетки диплоидные, поэтому, когда создаются гаметы, они должны быть гаплоидными, или иметь только один набор хромосом, чтобы новый организм снова мог быть диплоидным. Однако во время этого процесса иногда что-то идет не так. Наиболее распространенным явлением является то, что иногда одна новая гамета получает две копии хромосом. Это может произойти, когда самки производят яйцеклетки. Когда яйцо с двумя наборами хромосом сливается с нормальным гаплоидным сперматозоидом, результирующая клетка имеет три набора хромосом, то есть она триплоидная.

Теперь каждая клетка в этом новом организме будет триплоидной. Для большинства животных это крайне вредно, и организм не выживет. Растения, как правило, лучше переносят полиплоидию и даже процветают с такими интенсивными генетическими изменениями.

Еще примеры

Вот некоторые примеры полиплоидии у растений и животных. Ученые предположили, что две трети цветущих растений являются полиплоидами. Большинство папоротников и трав – это полиплоиды, а также картофель, яблоки, клубника. Бананы представляют собой интересный пример. Бананы являются триплоидами, и обычно триплоидные организмы не могут воспроизводить себя, то есть они стерильны. Это означает, что вы не можете получить семена бананов, чтобы посеять больше бананов. Фермеры отрезают побеги со стороны растения, прежде чем они производят фрукты и заканчивают свой цикл, и высаживают новое поколение.

Что такое полиплоидия? Это наследуемое состояние, обладающее более чем двумя полными наборами хромосом. Полиплоиды распространены среди растений, а также среди определенных групп рыб и амфибий. Например, некоторые саламандры, лягушки и пиявки являются полиплоидами. Многие из этих полиплоидных организмов хорошо адаптированы к окружающей среде.

Полиплоидные предки

Существует гораздо меньше видов полиплоидных животных, чем растений. Точная причина этого не совсем известна. Некоторые ученые считают, что это может быть связано с увеличением сложности строения организмов животных по сравнению с растениями. Другие предполагают, что полиплоидия может препятствовать образованию гамет, делению клеток или регуляции генома. Однако есть некоторые исключения. Примерами полиплоидии в животном мире являются рыбы, рептилии и насекомые.

Фактически недавние результаты исследований генома показывают, что многие виды, которые в настоящее время являются диплоидами, включая людей, были получены из полиплоидных предков. Эти виды, которые пережили древние генотипические дупликации, а затем редукцию генома, называются палеополиплоидами.

Преимущества полиплоидии

В большом числе полиплоидных клеток растений, рыб и лягушек, очевидно, должны быть некоторые преимущества. Общим примером в растениях является наблюдение гибридной энергии, или гетерозиса, в результате чего полиплоидное потомство двоих диплоидных предшественников, является более энергичным и здоровым, чем любой из двух диплоидных родителей. Существует несколько возможных объяснений этого наблюдения. Первый заключается в том, что принудительное спаривание гомологичных хромосом предотвращает рекомбинацию между геномами исходных предшественников, эффективно поддерживая гетерозиготность в течение поколений.

Эта гетерозиготность предотвращает накопление рецессивных мутаций в геномах последующих поколений, тем самым поддерживая гибридную энергию. Другим важным фактором является избыточность генов в клетках растений. Поскольку у полиплоидного потомства в два раза больше копий какого-либо конкретного гена, потомство защищено от пагубных последствий рецессивных мутаций. Это особенно важно во время стадии гаметофита.

Другим преимуществом, обеспечиваемым избыточным положением генов, является способность диверсифицировать функцию генов с течением времени. Другими словами, дополнительные копии генов, которые не требуются для нормальной функции организма, могут в конечном итоге использоваться по-новому и совершенно по-разному, что приводит к новым возможностям. В эволюционном выборе они играют чуть ли не решающую роль. Полиплоиды важны в происхождении новых видов растений.

Источники:

http://studarium.ru/article/143
http://compendium.su/biology/ege/147.html
http://www.syl.ru/article/414220/chto-takoe-poliploidiya-rol-poliploidii-v-prirode