Биологические основы выращивания культурных растений

Обновлено: 07.07.2024

Биологические основы выращивания культурных растений и домашних животных
Для достижения генетически запрограммированной продуктивности сельскохозяйственные растения нуждаются в создании оптимальных условий. В первую очередь им, безусловно, необходима соответствующая интенсивность освещения, которая обеспечивает протекание процессовфотосинтеза, однако если пшеница требует высокой интенсивности света, то кофейные деревья необходимо выращивать в тени. Не менее существенным фактором является и достаточное количество влаги в почве, что можно обеспечить в основном благодаря созданию оросительных систем, хотя в настоящее время все чаще прибегают к капельному поливу. Еще одним важным условием повышения урожайности сельскохозяйственных культур является обеспечение их элементами минерального питания. Эту проблему частично можно решить путем внесения в почву удобрений, что, однако, сопряжено с риском чрезмерного их накопления и смыва в близлежащие водоемы. Поэтому стараются применять многопольные севообороты, в которые включают бобовые, образующие симбиоз с клубеньковыми бактериями, переводящими атмосферный азот в доступную для растений форму.

С момента зарождения земледелия культурные растения страдают от вредителей и возбудителей различных заболеваний, которые снижают их урожайность, а в некоторых случаях и полностью уничтожают посевы. Причиной таких стихийных бедствий является их пониженная устойчивость к факторам среды и занятие больших площадей одним видом растений. Для борьбы с вредителями растений долгое время использовали химические вещества — пестициды, однако со временем выяснилось, что появились новые расы, устойчивые к этим веществам, а сами пестициды обладают токсическим и мутагенным действием. Поэтому в настоящее время во многих странах использование пестицидов существенно ограничено или вовсе запрещено. В связи с этим на передний план выходят биологические методы борьбы с вредителями, которые связаны либо с массовым размножением хищника или паразита данного вредителя, либо с нарушением размножения вредителя путем отлова самцов, а также с искусственной стерилизацией самцов, которые не дают потомков в результате скрещивания с нормальными самками.

Сельскохозяйственные животные, выращиваемые по интенсивным технологиям, также нуждаются в особых условиях. В первую очередь, им требуются сбалансированные корма, в которые ранее добавляли белок, полученный в результате бактериального синтеза, однако затем от него отказались, поскольку он мог вызывать аллергии не только у животных, но и у работников предприятий и жителей близлежащих населенных пунктов. Поэтому в настоящее время корма составляются большей частью на растительной основе.

Перспективы развития растениеводства и животноводства и, в конечном итоге, решение проблемы кризиса продовольствия связаны в основном с прогрессом биотехнологии, клеточной и генной инженерии.
3.9. Биотехнология, клеточная и генная инженерия, клонирование. Роль клеточной теории в становлении и развитии биотехнологии. Значение биотехнологии для развития селекции, сельского хозяйства, микробиологической промышленности, сохранения генофонда планеты. Этические аспекты развития некоторых исследований в биотехнологии (клонирование человека, направленные изменения генома).

3.9.1. Клеточная и генная инженерия. Биотехнология.
Биотехнология, ее направления

Биотехнология — это применение биологических процессов и использование живых организмов в промышленности, медицине, сельском хозяйстве и других отраслях человеческой деятельности.

Несмотря на то, что биологические процессы издавна используются человеком в хлебопечении, сыроварении, виноделии, пивоварении, научный этап развития биотехнологии начался с 70-х годов XIX века с открытием JI. Пастером процесса брожения, а столетием позже биотехнология превратилась в бурно развивающуюся отрасль. В настоящее время прогресс в области биотехнологии тесно связан с применением методов генной и клеточной инженерии, а также клонированием.

В качестве основных направлений биотехнологии рассматриваются получение продуктов питания, кормовых добавок и ценных кормовых белков, лекарственных препаратов и средств диагностики, биотоплива, борьба с загрязнением окружающей среды, защита растений от вредителей и болезней, а также создание штаммов микроорганизмов, сортов растений и пород животных с новыми полезными свойствами.

В настоящее время в хлебопекарной и кондитерской промышленностях, пивоварении и виноделии применяются различные штаммы дрожжей. Благодаря способности осуществлять спиртовое брожение для них нашлось место и в технологиях выработки биотоплива, например, биодизеля из растительного сырья, особенно рапса. Другие микроскопические грибы широко используют для получения кефира, сыров, антибиотиков, лимонной кислоты, кормовых белков и т. д.

Очистка окружающей среды ведется в основном в двух направлениях: разложение органических остатков и накопление отдельных химических элементов, органических и неорганических веществ некоторыми видами бактерий, водорослей и простейших. С помощью методов селекции и генной инженерии уже выведены штаммы бактерий, способные разлагать соединения, утилизировать которые встречающиеся в природе виды неспособны, например пластмассы и полиэтилен. В процессе расщепления органических остатков бактерии могут выделять и горючие газы, в том числе метан, что легло в основу технологий получения биогаза из отходов растениеводства и животноводства.

В связи с тем, что бактерии, грибы и вирусы способны эффективно бороться с вредителями сельского и лесного хозяйства, а также с возбудителями и переносчиками заболеваний, их штаммы используют для приготовления биопрепаратов. Преимущество этих биологических методов борьбы состоит в том, что они не только снижают численность паразитов, будучи безвредными для других организмов, но и не загрязняют при этом окружающую среду токсичными соединениями.
Клеточная и генная инженерия, клонирование
Клеточная инженерия — метод конструирования клеток нового типа на основе их культивирования на питательной среде, гибридизации и реконструкции. При этом в клетки вводят новые хромосомы, ядра и другие клеточные структуры.

Достижения клеточной инженерии растений, которая позволяет сформировать целое растение, в том числе с измененными свойствами, из отдельной клетки, нашли широкое применение в растениеводстве и селекции. Так, стали возможными соматическая гибридизация, клеточная селекция, гаплоидизация, преодоление нескрещиваемости в культуре и другие приемы.

Технологии искусственного оплодотворения, за разработку которых присуждена Нобелевская премия в области физиологии и медицины в 2010 году, также базируются на методах клеточной инженерии.

Генная инженерия — это отрасль молекулярной биологии и генетики, задачей которой является конструирование генетических структур по заранее намеченному плану, создание организмов с новой генетической программой. Во многих случаях это сводится к переносу необходимых генов от одного вида живых организмов к другому, зачастую очень далекому по происхождению.

Клонирование — это получение многочисленных копий гена, белка, клетки или организма. Клонирование генов чаще всего осуществляется с помощью бактерий и вирусов, поскольку, например, одна вирусная частица бактериофага, в которой содержится нужный ген, за один день может образовать более 10 12 идентичных копий себя и этой молекулы.

Клонирование растений также не представляет значительной трудности, поскольку клетки растений тотипотентны, т. е. из одной клетки можно восстановить целый организм, особенно если культивировать эти клетки на питательной среде со всеми необходимыми веществами.

Массовое размножение генетически идентичных животных долгое время сталкивалось с таким существенным препятствием, как отсутствие способности к бесполому размножению у высших животных. Однако в 1997 году эта проблема была разрешена с получением первого клонированного организма — овцы Долли. Для клонирования были взяты клетки молочной железы ее генетической матери, а также яйцеклетки суррогатной матери. Ядра яйцеклеток удалялись, а на их место вводились ядра клеток молочной железы. После стимуляции развития зиготы электрическим током делящийся зародыш короткий промежуток времени культивировали на питательной среде, а затем вводили в матку суррогатной матери. К сожалению, из пяти пересаженных эмбрионов выжил лишь один.

В настоящее время клонирован уже целый ряд видов животных — мыши, собаки, коровы и др., однако клонирование человека запрещено законодательством многих государств и международными договорами.

Кроме того, культивирование клеток растений на фоне высоких концентраций солей и других соединений позволяет сократить сроки выведения новых сортов пшеницы, сои и других важнейших сельскохозяйственных культур до одного-двух лет.

Клонирование животных, особенно с генетически измененными признаками и свойствами, позволяет вывести более продуктивные породы и добиться их быстрого размножения, однако этот процесс пока еще слишком трудоемок и дорог, чтобы применяться в промышленном масштабе.

Трансформация бактерий позволила уже в начале 80-х годов XX века получать биологически активные вещества — инсулин, соматотропный гормон, интерферон, которые применяются в медицине, а также создать новые штаммы микроорганизмов, предназначенных для очистки сточных вод, ликвидации нефтяных разливов и т. д. Путем селекции выведены также и формы бактерий, с помощью которых получают антибиотики, извлекают цветные металлы, получают биогаз.

В будущем возможно использование клонирования в сочетании с другими отраслями биотехнологии не только для размножения растений, микроорганизмов и грибов, но и для восстановления исчезнувших видов животных, возобновления природных популяций исчезающих видов. Однако для этого необходимо вначале создать генные банки, поскольку ДНК довольно быстро подвергается разрушению в окружающей среде.

Этические аспекты развития некоторых исследований в биотехнологии (клонирование человека, направленные изменения генома)
Расширение сферы влияния биотехнологии, с одной стороны, преследует благородные цели, поскольку с ее помощью стало возможным преодоление бесплодия, лечение многих наследственных и приобретенных заболеваний, а также решение продовольственных и экологических проблем современности. С другой стороны, активное вторжение современных технологий в медицину не может не настораживать, поскольку это сопряжено с операциями с клетками и тканями человека.

Например, не совсем ясно, почему по американским законам при искусственном оплодотворении берется две донорские яйцеклетки, но пересаживается только одна из них, тогда как вторая замораживается, помещается в специальный банк и не выдается родителям даже по специальному запросу.

Большинство стран законодательно ограничило эксперименты по клонированию человека в основном по этическим соображениям, поскольку они направлены не просто на воспроизведение человека, но и на последующее использование клеток, тканей и органов зародыша для экспериментов, а также в качестве их донора. В связи с этим во всем мире активно обсуждается вопрос о допустимости подобных действий. Не прибавляет оптимизма и возможное клонирование каких- либо диктаторов, например Гитлера или ныне живущих известных личностей.

В ряде случаев попытки клонирования наталкиваются и на религиозные запреты, поскольку бездетность, как и различные заболевания, считаются промыслом Божьим, а их преодоление — святотатством.

Применение генных технологий в создании новых сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов также вызывает некоторые опасения, поскольку их попадание в окружающую среду может вызвать неконтролируемое распространение, например, раковых генов, и привести к необратимым последствиям для жизни и здоровья человека. Так, опыление пыльцой трансгенных растений генетически немодифицированных сортов и видов может стимулировать появление сверхустойчивых к химическим и биологическим средствам борьбы сорняков.

Особую опасность представляет внесение новых генов в сбалансированный геном, откуда они могут быть исключены в любой момент, что может привести к появлению каких-либо вирусоподобных организмов.

Потребление продуктов, полученных с использованием генетически модифицированных организмов, по некоторым данным, приводит к существенным нарушениям в репродуктивной сфере человека, а в перспективе может угрожать и самой жизни, поскольку мутировавший лишь по одному нуклеотиду ген устойчивости картофеля к поеданию колорадским жуком кодирует белок, смертельно опасный уже и для человека. И хотя это является маловероятным, поскольку ДНК потребляемых нами продуктов должна расщепляться в кишечнике, все же такая вероятность существует, и сбрасывать ее со счетов не приходится.

Сравнительно слабая изученность проблем клонирования и применения генных технологий заставляет многие правительства принимать решения по ограничению сферы их применения и специальной маркировке продуктов питания, полученных таким способом, с целью информирования.

Современная генетика использует методы биотехнологии, клеточной и генной инженерии, микробиологического синтеза, клонирования в селекции.

Направления современной биотехнологии

Методы генетики используются в создании новых штаммов микроорганизмов, производящих необходимые человеку вещества. Генная инженерия способна вводить гены в клетки растений, которые отвечают за цвет плода, устойчивость к неблагоприятным факторам среды, вредителям и болезням, с повышенной засухоустойчивостью и другими признаками. В результате получают генно-модифицированные продукты. Клонирование позволяет массово производить нужные сорта растений, а также получать животных с идентичными признаками.

Биологические основы выращивания культурных растений и домашних животных

Высокопродуктивный сорт, созданный в результате усилий селекционной работы, нуждается в подходящих условиях внешней среды. Учитывая, что у каждого растения свои потребности, при выращивании следует обращать внимание на эти нюансы. Без подобного подхода получить урожай проблематично.

При выращивании учитывают:

Сельскохозяйственным животным также требуются конкретные условия содержания. Важно соблюдать следующие факторы:

температурный режим, освещенность, влажность при выращивании в замкнутом пространстве;
поддержание санитарного состояния в помещении для содержания;
создание условий для выгула;
необходимость чистки животных;
наличие свежего и сухого подстилочного материала;
введение в рацион кормов высокого качества.

Животные способны к модификационной изменчивости, которая происходит под влиянием факторов внешней среды. При неправильном содержании и кормлении качественных пород, их полезные признаки будут сведены к минимуму (продуктивность, жирность и количество молока, яйценоскость, набор массы тела и другие признаки породы).

Хотя селекция и возникла как наука для удовлетворения практических потребностей человека, издавна применявшего гибридизацию особей с лучшими сочетаниями признаков для получения новых сортов растений и пород животных (именно на основе сравнения гибридов с родительскими формами начали формироваться основные представления о закономерностях наследования признаков), в настоящее время генетика является теоретической основой селекции. Опираясь на частную генетику различных объектов, селекционеры подбирают исходный материал для создания новых сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов. При этом не только используются уже имеющиеся наследственные признаки, но и создаются новые благодаря применению метода искусственного мутагенеза, а также вносятся новые гены с помощью методов биотехнологии, не утрачивает своего значения и явление гетерозиса.

Окраска и структура меха пушных животных наследуются как качественные признаки, в связи с чем селекционеры используют их для выведения новых пород норки, лисицы, кролика и др. Продуктивность растений и крупного рогатого скота, напротив, являются количественными признаками, что также не может не учитываться в процессе выведения новых сортов и пород.

Значительную роль методы искусственного мутагенеза, клеточной и генной инженерии сыграли в выведении новых штаммов микроорганизмов, продуцирующих антибиотики, гормон роста человека, инсулин и др., а также в создании новых сортов растений и животных с измененными свойствами — генетически модифицированных организмов.

Биологические основы выращивания культурных растений и домашних животных

Для достижения генетически запрограммированной продуктивности сельскохозяйственные растения нуждаются в создании оптимальных условий. В первую очередь им, безусловно, необходима соответствующая интенсивность освещения, которая обеспечивает протекание процессов фотосинтеза, однако если пшеница требует высокой интенсивности света, то кофейные деревья необходимо выращивать в тени. Не менее существенным фактором является и достаточное количество влаги в почве, что можно обеспечить в основном благодаря созданию оросительных систем, хотя в настоящее время все чаще прибегают к капельному поливу. Еще одним важным условием повышения урожайности сельскохозяйственных культур является обеспечение их элементами минерального питания. Эту проблему частично можно решить путем внесения в почву удобрений, что, однако, сопряжено с риском чрезмерного их накопления и смыва в близлежащие водоемы. Поэтому стараются применять многопольные севообороты, в которые включают бобовые, образующие симбиоз с клубеньковыми бактериями, переводящими атмосферный азот в доступную для растений форму.

Биотехнология, ее направления. Клеточная и генная инженерия, клонирование. Роль клеточной теории в становлении и развитии биотехнологии. Значение биотехнологии для развития селекции, сельского хозяйства, микробиологической промышленности, сохранения генофонда планеты. Этические аспекты развития некоторых исследований в биотехнологии (клонирование человека, направленные изменения генома)

Методы выведения новых сортов, пород и штаммов

Ключевые слова: сорт, порода, штамм, . Раздел ЕГЭ: 3.8. Селекция, … Методы выведения новых сортов растений, пород животных, штаммов микроорганизмов. Значение генетики для селекции. Биологические основы выращивания культурных растений и домашних животных

Сорт, порода, штамм

Учёные-селекционеры работают с сортами растений, породами животных и штаммами микроорганизмов. Сорт, порода, штамм — популяция организмов, искусственно созданная человеком и характеризующаяся определенными наследственными особенностями.

Сорт (от лат. sortis — разновидность) — группа созданных в результате селекции сельскохозяйственных растений одного вида (например, яблоня домашняя), обладающих передающимися по наследству хозяйственно ценными признаками. Различают местные и селекционные сорта культурных растений. Местные сорта получают в результате стихийного (бессознательного) отбора в процессе выращивания той или иной культуры. Селекционные сорта создаются в научно-исследовательских учреждениях с использованием методов комбинационной селекции.

Сорта яблони домашней: 1 — Папировка; 2 — Антоновка обыкновенная; 3 — Анис; 4 — Ранетка пурпуровая

Штамм (от нем. stamm — основа, племя) — чистая культура микроорганизмов, выделенная из определённого источника или полученная в результате мутаций. Разные штаммы одного и того же микроорганизма могут отличаться друг от друга по ряду свойств, в том числе и хозяйственно ценных. Штаммы микроорганизмов используют в биотехнологии для микробиологического синтеза белков.

Селекция растений

Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости: виды и роды, генетически близкие (связанные друг с другом единством происхождения), характеризуются сходными рядами в наследственной изменчивости. Так, например, у мягкой и твёрдой пшеницы и ячменя существуют остистые, короткоостые и безостые колосья. Зная наследственные изменения у одного вида, можно предвидеть нахождение сходных изменений у родственных видов и родов, что используется в селекции. Чем ближе между собой виды и роды, тем больше сходство в изменчивости их признаков. Н. И. Вавиловым закон был сформулирован применительно к растениям, а позднее подтверждён для животных и микроорганизмов.

Гомологичные ряды изменчивости по форме колосьев у мягкой (А) и твёрдой (Б) пшеницы и ячменя (В). Во всех случаях есть остистые, короткоостистые, вздутые и безостые формы

Учение о центрах происхождения культурных растений. Каждая сельскохозяйственная культура лучше развивается в тех условиях, которые в большей степени соответствуют экологическим условиям той местности, откуда произошло это растение. Н.И. Вавилов выделил 7 центров происхождения культурных растений:

Центры происхождения

Культурные растения

В селекции растений наиболее широко используются такие методы, как массовый отбор, внутривидовая гибридизация, отдалённая гибридизация, полиплоидия.

Большой вклад в селекцию плодовых растений внёс отечественный селекционер И. В. Мичурин. На основе методов межсортовой и межвидовой гибридизации, отбора и воздействия условиями среды им были созданы многие сорта плодовых культур. Благодаря его работам многие южные сорта плодовых культур удалось распространить в средней полосе нашей страны.

Многие сорта культурных растений являются полиплоидными. Таковы некоторые сорта пшеницы, ржи, клевера, картофеля, свёклы и т.д. Сочетание отдалённой гибридизации с последующим получением полиплоидных форм позволило преодолеть бесплодие отдалённых гибридов. В результате многолетних работ Н. В. Цицина и его сотрудников были получены гибриды пырея и пшеницы, пшеницы и ржи (тритикале).

К наиболее важным достижениям селекции растений следует отнести создание большого количества высокопродуктивных сортов сельскохозяйственных растений.

Селекция животных

Как и культурные растения, домашние животные имеют диких предков. Процесс превращения диких животных в домашних называют одомашниванием (доместикацией). Почти все домашние животные относятся к высшим позвоночным животным — птицам и млекопитающим

Вид

Дикий предок Первичный центр одомашнивания

Время одомашнивания, тыс. лет назад

В селекции животных наиболее широко используются такие методы, как индивидуальный отбор, внутривидовая гибридизация (родственное и неродственное скрещивание), отдалённая (межвидовая) гибридизация.

Использование индивидуального отбора связано с половым размножением животных, когда получить сразу много потомков затруднительно. В связи с этим селекционеру важно определить наследственные признаки самцов, которые непосредственно у них не проявляются (жирномолочность, яйценоскость). Поэтому оценка животных может быть осуществлена по их родословной и по качеству их потомства. Имеет определённое значение также учёт экстерьера, то есть совокупности внешних признаков животного. Подбор производителей в животноводстве особенно актуален в связи с применением в настоящее время искусственного осеменения, позволяющего получить от одного организма значительное число потомков.

Родственное скрещивание ведёт к гомозиготности и чаще всего сопровождается уменьшением устойчивости животных к неблагоприятным факторам среды, снижением плодовитости и т. п. Для устранения неблагоприятных последствий используют неродственное скрещивание разных линий и пород. На основе межпородного скрещивания были созданы высокопродуктивные сельскохозяйственные животные (в частности, М.Ф. Иванов создал высокопродуктивную породу свиней Белая украинская, породу овец Асканийская рамбулье). Неродственное скрещивание сопровождается гетерозисом, сущность которого состоит в том, что гибриды первого поколения имеют повышенную жизнеспособность и усиленное развитие. Примером эффективного использования гетерозиса служит выведение гибридных цыплят (бройлерное производство).

Отдалённая (межвидовая) гибридизация животных приводит к бесплодию гибридов, но благодаря проявлению гетерозиса широко используется человеком. Среди достижений по отдалённой гибридизации животных следует отметить мула — гибрида кобылы с ослом, бестера — гибрида между белугой и стерлядью, продуктивного гибрида между карпом и карасём, гибриды крупного рогатого скота с яками и зебу, отдалённые гибриды свиней и т.д.

Селекция микроорганизмов

К микроорганизмам относятся: прокариоты — бактерии, архебактерии и цианобактерии; эукариоты — грибы, микроскопические водоросли, простейшие.

В селекции микроорганизмов наиболее широко используются индуцированный мутагенез и последующий отбор групп генетически идентичных клеток (клонов), методы клеточной и генной инженерии.

Деятельность микроорганизмов используют в промышленности, сельском хозяйстве, медицине. Ферментативную активность микроорганизмов (грибов и бактерий) используют в производстве молочных продуктов, хлебопечении, виноделии и др. С помощью микроорганизмов получают аминокислоты, белки, ферменты, спирты, полисахариды, антибиотики, витамины, гормоны, интерферон и пр.

Выведены штаммы бактерий, способные разрушать нефтепродукты, что позволит использовать их для очистки окружающей среды. Ведутся работы по перенесению генетического материала азотфиксирующих микроорганизмов в геном почвенных бактерий, которые этими генами не обладают, а также непосредственно в геном растений. Это позволит избавиться от необходимости производить огромное количество азотных удобрений.

Значение генетики для селекции

Биологические основы выращивания
культурных растений и домашних животных

температурный режим, освещенность, влажность при выращивании в замкнутом пространстве;
поддержание санитарного состояния в помещении для содержания;
создание условий для выгула;
необходимость чистки животных;
наличие свежего и сухого подстилочного материала;
введение в рацион кормов высокого качества.

Основные продовольственные ресурсы создаются посредством культивирования сельскохозяйственных растений, полезных штаммов микроорганизмов, разведения домашних животных.

Начало сельскохозяйственной деятельности было положено примерно 6-10 тыс лет назад, когда человек приступил к культивированию ряда растений и содержанию животных. Заселение удобных для земледелия территорий имело огромное значение в истории человечества и в истории формирования государств. Период осваивания новых территорий с целью развития земледелия можно считать началом селекции, выражающейся в отборе лучших экземпляров животных и растений для их воспроизводства под контролем человека.

Что такое селекция?

Selectio — лат. — отбор

Говоря о селекции, имеют ввиду два значения:

1) процесс создания сортов растений, пород животных, штаммов полезных микроорганизмов

2) науку, разрабатывающую теорию и методы создания сортов растений, пород животных и штаммов полезных микроорганизмов.

Теоретическая база селекции — генетика. Итогом селекционного процесса являются сорт, порода, штамм.

Сорт растений, порода животных, штамм микроорганизмов — это совокупность организмов, созданных человеком в процессе селекции и имеющих определенные наследственные свойства. Все организмы, составляющие эту совокупность, имеют сходные, наследственно закрепленные особенности, однотипную реакцию на условия среды.

Приведем два примера

Породы собак такса и борзая относятся к одному виду, но в результате селекции приобрели очень характерные особенности.

Сорта пшеницы делятся на яровые и озимые. Первые высеваются весной, вторые — осенью. Если мы сделаем наоборот, то не получим урожая. Внешне яровые и озимые сорта могут быть очень схожими, но главное их отличие — в реакции на температурные и фотопериодические условия среды.

Как наука селекция сформировалась благодаря трудам Ч. Дарвина, который создал учение об искусственном отборе.

Основными разделами селекции как науки являются:

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

Вклад Н. И. Вавилова в развитие селекции

Выдающийся русский генетик и селекционер Н. И. Вавилов определил семь центров происхождения культурных растений,

собрал мировую коллекцию культурных растений Всероссийского института растениеводства (г. Санкт-Петербург), сформулировал закон гомологических рядов в наследственной изменчивости.

Генетически близкие виды и роды характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов.

По мнению ученых, данный закон объясняет направленность исторического развития родственных групп организмов.

Методы селекции и их генетические основы

Первым этапом селекции было одомашнивание (доместикация) около 150 видов растений и около 20 видов животных. Основные методы (этапы) селекции — гибридизация и искусственный отбор.

Гибридизация — это процесс образования или получения гибридов, в основе которого лежит объединение генетического материала разных клеток в одной клетке (скрещивание).

Для достижения результата в процессе гибридизации особое внимание уделяется подбору родительских пар. В селекции растений подбор ведется по определенным признакам с учетом генетической и географической удаленности; в селекции животных — только по хозяйственно ценным признакам, которые определяются по экстерьеру, родословной и потомству.

Выделяют родственную (инбридинг, инцест) и неродственную гибидизацию (аутбридинг).

Инбридинг, или близкородственное скрещивание, приводит к появлению чистых линий, но при этом снижается жизнеспособность потомства вследствие перехода различных летальных и полулетальных генов в гомозиготное состояние.

Аутбридинг, или неродственное скрещивание , бывает внутривидовым и межвидовым (отдаленная гибридизация). Аутбридинг в первом поколении дает эффект гетерозиса.

Гетерозис (от греч. гетерозис — изменение, перевоплощение) — явление повышения жизнеспособности и продуктивности у гибридов первого поколения по сравнению с исходными родительскими формами. Данное явление объясняется благоприятным сочетанием родительских генов, а также переходом сублетальных и летальных аллелей в гетерозиготное состояние. Во втором и последующих поколениях эффект гетерозиса ослабевает.

Искусственный отбор — процесс создания новых пород животных и сортов растений путем систематического сохранения и размножения особей с определенными, ценными для человека признаками и свойствами в ряду поколений.

Выделяют две формы искусственного отбора: бессознательный, ведущийся без определенного плана (пропалывание) и методический, производимый с определенной целью. Также он применяется в форме массового и индивидуального отбора. Массовый отбор является эффективным при высокой наследуемости признака (используется в селекции растений и микроорганизмов).

Массовым отбором называют такую форму отбора, при которой из исходной популяции сразу отбирается большое число растений, сходных по комплексу признаков (например, устойчивых к вредным организмам в сочетании с другими хозяйственно ценными признаками). После тщательной браковки урожай этих растений объединяется и высевается на следующий год на одной делянке.

Индивидуальный отбор основан на оценке по потомству отобранных и индивидуально размножаемых лучших по устойчивости растений. Метод однократного индивидуального отбора в селекции само-опыляющихся растений предусматривает проведение его через все этапы селекционного процесса однажды отобранных элитных растений. Одной из разновидностей индивидуального отбора у перекрестно-опыляющихся растений является индивидуально-семейственный отбор, при котором семена каждого элитного растения высеваются по семьям на отдельных изолированных площадках.

Теорию искусственного отбора создал английский ученый Чарльз Дарвин.

Роль клеточной теории в развитии селекции, становлении и развитии биотехнологии

Создание клеточной теории позволило связать наследственность и изменчивость с их материальной основой — ДНК, а также определить, что клетка является единицей строения, жизнедеятельности и развития живых организмов. Поэтому дальнейшее внимание исследователей было сосредоточено на клетке как основном объекте.

Методы выведения новых сортов растений, пород животных, штаммов микроорганизмов

Помимо гибридизации и искусственного отбора на современном этапе развития селекции используются также

— клеточной и генной инженерии

Искусственным, или экспериментальным, мутагенезом называют получение мутаций с помощью физических или химических агентов (рентгеновского излучения).

В селекции растений широко применяют различные формы гибридизации и искусственного отбора. Однако гибриды довольно часто являются бесплодными, и поэтому их либо каждый раз получают заново либо размножают вегетативно.

В плодоводстве и декоративном цветоводстве используют методы И. В. Мичурина: метод ментора, вегетативного сближения, смеси пыльцы и др. Например, метод ментора, благодаря сочетанию свойств привоя и подвоя, позволил ему вывести сорт груши Бере зимняя.

В селекции животных на определенных стадиях селекционного процесса прибегают к инбридингу. Более широко распространенный в животноводстве аутбридинг может давать эффект гетерозиса, но при межвидовой гибридизации гибриды в основном бесплодны (мул, лигр).

В селекции микроорганизмов используют искусственный мутагенез и различные формы переноса наследственной информации, в том числе с помощью бактериофагов.

Значение генетики для селекции

Генетика является теоретической основой селекции. Опираясь на частную генетику различных объектов, селекционеры подбирают исходный материал для создания новых сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов. При этом не только используются уже имеющиеся наследственные признаки, но и создаются новые благодаря применению метода искусственного мутагенеза, а также вносятся новые гены с помощью методов биотехнологии.

Значительную роль методы искусственного мутагенеза, клеточной и генной инженерии сыграли в выведении новых штаммов микроорганизмов, продуцирующих антибиотики, витамины, гормон роста человека, инсулин и др., а также в создании новых сортов растений и животных с измененными свойствами — генетически модифицированных организмов.

Биологические основы выращивания культурных растений и домашних животных

Для достижения генетически запрограммированной продуктивности сельскохозяйственные растения и животные нуждаются в создании оптимальных условий.

Растениям необходимы соответствующая интенсивность освещения, которая обеспечивает протекание процессов фотосинтеза (пшенице требуется высокая интенсивность освещенности, кофейные деревья необходимо выращивать в тени); достаточное количество влаги в почве (оросительные системы, капельный полив); обеспечение элементами минерального питания.

Растения и животные должны быть также устойчивыми к изменениям условий окружающей среды, вредителям и возбудителям заболеваний. Эта задача решается как средствами традиционной селекции, так и биологическими методами борьбы с вредителями, биотехнологическими методами.

Биотехнология и ее направления

Биотехнология — применение биологических процессов и использование живых организмов в промышленности, медицине, сельском хозяйстве и других отраслях человеческой деятельности.

Биологические процессы издавна используются человеком в хлебопечении, сыроварении, виноделии, пивоварении и других отраслях человеческой деятельности.

Основные направления биотехнологии — получение продуктов питания, кормовых добавок и ценных кормовых белков, лекарственных препаратов и средств диагностики, биотоплива, борьба с загрязнением окружающей среды, защита растений от вредителей и болезней, создание штаммов микроорганизмов, сортов растений и пород животных с новыми полезными свойствами.

Различные штаммы дрожжей используют в хлебопекарской и кондитерской промышленности, в производстве биотоплива (биодизеля). Другие грибы продуцируют антибиотики и лимонную кислоту, а вместе с бактериями — кефир, сыры и т.д.

Бактерии синтезируют промышленным способом витамины, гормоны и ферменты. Например, Escherichia coli (кишечная палочка) — синтезирует гормон инсулин. Уже выведены бактерии, способные разлагать пластмассы и полиэтилен. В процессе расщепления органических остатков бактерии могут выделять и горючие газы, в том числе и метан, что легло в основу технологий получения биогаза из отходов растениеводства и животноводства.

Бактерии, грибы, вирусы способны эффективно бороться с вредителями сельского и лесного хозяйства, а также с возбудителями и переносчиками заболеваний, поэтому их штаммы используют для приготовления биопрепаратов. Преимущества таких биологических методов борьбы состоит в их относительной безвредности для других организмов и окружающей среды.

Клеточная и генная инженерия. Клонирование

Клеточная инженерия — метод конструирования клеток нового типа на основе их культивирования на питательной среде, гибридизации и реконструкции. При этом в клетки вводят новые хромосомы, ядра и другие клеточные структуры.

Достижения клеточной инженерии нашли широкое применение в растениеводстве, селекции и медицине (искусственное оплодотворение).

Генная инженерия — это отрасль молекулярной биологии и генетики, задачей которой является конструирование генетических структур по заранее намеченному плану, создание организмов с новой генетической программой. Как правило сводится к переносу необходимых генов от одного вида живых организмов к другому, зачастую далекому по происхождению. Сначала нужные гены выделяют из клеток бактерий, растений или животных, затем встраивают их в генетический вектор (плазмиду, вирус, хромосому митохондрий и пластид) и вводят в клетки потенциального хозяина (организм-реципиент). Процесс введения чужеродного гена в ДНК клетки-реципиента называется трансформацией или трансгенезом. После этого генетически модифицированные организмы (трансгенные) сохраняют и размножают, а остальные уничтожают. (К настоящему моменту существуют трансгенные картофель, томаты, табак, кукуруза, устойчивые к разнообразным сельскохозяйственным вредителям).

Клонирование — это получение многочисленных копий гена, белка, клетки или организма. Клонирование генов чаще всего осуществляется с помощью бактерий и вирусов.

Клонирование растений никогда не представляло значительной трудности, поскольку клетки растений тотипотентны, т. е. из одной клетки можно восстановить целый организм.

Первым клонированным млекопитающим была овечка Долли (1997г). Для клонирования были взяты клетки молочной железы ее генетической матери и яйцеклетки суррогатной матери. Ядра яйцеклеток удалялись, а на их место вводились ядра клеток молочной железы. После стимуляции развития зиготы и непродолжительного культивирования на питательной среде делящийся зародыш вводили в матку суррогатной матери.

Заманчивые перспективы перед человечеством открываются в области терапевтического клонирования — воспроизведения отдельных органов. Так, в настоящее время широко используется клонированная кожа, клетки соединительной ткани и другие части организма.

Значение биотехнологии для развития селекции, сельского хозяйства, микробиологической промышленности, сохранение генофонда планеты.

Прогресс биотехнологии позволил совершить прорыв во многих отраслях человеческой деятельности. Появились возможности изменения свойств организмов и ускорения их создания. Введение в растения бактериальных генов устойчивости к поеданию насекомыми и поражению вирусами, а также способности расти на бедных и загрязненных почвах способствует решению продовольственной проблемы, особенно в странах с быстрорастущим населением.

Клонирование животных с генетически измененными признаками и свойствами позволяет вывести более продуктивные породы и добиться их быстрого размножения, но этот процесс пока еще слишком трудоемок и дорог, чтобы применяться в промышленном масштабе.

Трансформация бактерий позволяет использовать новые штаммы для получения биологически активных веществ и для очистки сточных вод, ликвидации нефтяных разливов, получения цветных металлов, биогаза и др.

В будущем предполагается возможность использования клонирования для восстановления исчезнувших и возобновления исчезающих видов.

Этические аспекты развития некоторых исследований в биотехнологии (клонирование человека, направленные изменения генома)

Расширение сферы влияния биотехнологии, с одной стороны, преследует благородные цели, поскольку с ее помощью стало возможным преодоление бесплодия, лечение многих наследственных и приобретенных заболеваний, а также решение продовольственных и экологических проблем современности.

С другой стороны, активное вторжение современных технологий в медицину не может не настораживать. Применение генных технологий в создании новых сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов, по некоторым данным, может вызывать бесплодие у человека и животных, неконтролируемое распространение ряда генов (например, рака), стимулирование появления сверх устойчивых к химическим и биологическим средствам борьбы сорняков.

Сравнительно слабая изученность проблем клонирования и применения генных технологий заставляет многие правительства принимать решения по ограничению сферы их применения и специальной маркировке продуктов питания, полученных таким способом, с целью информирования.

Читайте также: