История и методология генетики и селекции

5. Биохимический метод.

  Наследственные  заболевания, которые обусловлены  генными мутациями, изменяющими  структуру или скорость синтеза  белков, обычно сопровождаются нарушением углеводного, белкового, липидного  и других типов обмена веществ.

  Наследственные  дефекты обмена можно диагностировать посредством определения структуры измененного белка или его количества, выявления дефектных ферментов или обнаружения промежуточных продуктов обмена веществ во внеклеточных жидкостях организма (крови, моче, поте и т.д.). Например, анализ аминокислотных последовательностей мутационно измененных белковых цепей гемоглобина позволил выявить несколько наследственных дефектов, лежащих в основе ряда заболеваний, — гемоглобинозов. Так, при серповидно-клеточной анемии у человека аномальный гемоглобин вследствие мутации отличается от нормального заменой только одной аминокислоты (глутаминовой кислоты на валин).

  В практике здравоохранения кроме  выявления гомозиготных носителей  мутантных генов существуют методы выявления гетерозиготных носителей некоторых рецессивных генов, что особенно важно при медико-генетическом консультировании. Так, у фенотипически нормальных гетерозигот по фенилкетонурии (рецессивный мутантный ген; у гомозигот нарушается обмен аминокислоты фенилаланина, что приводит к умственной отсталости) после приема фенилаланина обнаруживается повышенное его содержание в крови. При гемофилии гетерозиготное носительство мутантного гена может быть установлено с помощью определения активности фермента, измененного в результате мутации.

  В генетическом анализе используют и многие другие методы: онтогенетический, иммуногенетический, сравнительно-морфологические и сравнительно-биохимические методы, разнообразные математические методы и т. д. 
 

Селекция

  Селекция (лат. selectio — выбор, отбор, от seligo — выбираю, отбираю) - наука о методах создания сортов и гибридов растений, пород животных.  Отрасль сельскохозяйственного производства, занимающаяся выведением сортов и гибридов сельскохозяйственных культур, пород животных. Селекция разрабатывает способы воздействия на растения и животных с целью изменения их наследственных качеств в нужном для человека направлении. Она является одной из форм эволюции растительного и животного мира, которая подчиняется тем же законам, что и эволюция видов в природе, но естественный отбор здесь частично заменен искусственным отбором. Селекция играла и играет большую роль в обеспечении населения земного шара продовольствием. Благодаря одомашниванию и примитивной селекции человечество уже в эпоху неолита имело почти все современные продовольственные культуры, многие виды домашнего скота. С развитием промышленной и научной селекции значительно возросла продуктивность растений и животных. Сорт растений и порода стали средствами сельскохозяйственного производства, важными факторами интенсификации растениеводства и животноводства, способствующими переводу их на промышленную основу (например, создание короткостебельных неполегающих сортов зерновых культур, хорошо приспособленных к уборке комбайном; сортов овощных культур для выращивания в теплицах; винограда, томата, приспособленных к машинной уборке; групп крупного рогатого скота — к условиям содержания в животноводческих комплексах).

  Селекция  тесно связана с систематикой, анатомией, морфологией, физиологией, экологией растений и животных, биохимией, иммунологией, растениеводством, зоотехнией, фитопатологией, энтомологией и другими науками, использует их приёмы и методы исследования. Исключительно большое значение для  селекции имеют знания биологии опыления и оплодотворения, эмбриологии, гистологии и молекулярной биологии.

  По  определению Н. И. Вавилова, селекция как наука характеризуется высокой комплексностью: она заимствует от других наук методы и законы о растениях и животных, трансформирует их, дифференцирует в соответствии с конечной задачей выведения сорта, разрабатывает свои методы и устанавливает закономерности, ведущие к созданию сорта (или породы). Теоретической основой селекции является генетика, основные положения которой стали фундаментом для селекционной практики. Эволюционная теория Ч. Дарвина, законы Г. Менделя, учение о чистых линиях и мутациях позволили селекционерам разработать методы сознательного управления наследственностью растительных и животных организмов. В основе индивидуального отбора растений и животных лежат генетические представления о чистых линиях, гомо- и гетерозиготности, о нетождественности фенотипа и генотипа. Закономерности независимого наследования и свободного комбинирования признаков в потомстве послужили теоретической основой гибридизации и скрещивания, являющихся вместе с отбором основными методами селекции. Дальнейшее развитие генетики привело к созданию гетерозисных гибридов кукурузы, сорго, огурца, томата, свёклы, пшеницы, помесей крупного рогатого скота, птицы, к использованию в селекции растений цитоплазматической мужской стерильности, к получению искусственных мутаций и полиплоидных форм. Большую роль в селекционной практике играет гибридологический анализ. В свою очередь, генетика черпает в селекцию данные для обобщения и благодаря им развивает свои теории.

    История селекции.

  Возникновение селекции связано с введением в культуру растений и одомашниванием животных. Начав возделывать растения и разводить животных, человек стал отбирать и размножать наиболее продуктивные, что способствовало их непроизвольному улучшению. Так на заре человеческой культуры возникла примитивная селекция. Её история исчисляется тысячелетиями. Древние селекционеры создали прекрасные сорта плодовых растений, винограда, многие сорта пшеницы, породы домашних животных. Им были известны некоторые современные селекционные приёмы. Например, искусственное опыление финиковой пальмы применяли в Египте и Месопотамии за несколько веков до н. э. С развитием земледелия и животноводства искусственный отбор лучших форм приобрёл массовый сознательный характер — появилась народная селекция. В России крестьяне создали сорта пшеницы (Крымка, Белотурка, Полтавка, Гарновка и др.), подсолнечника (Зелёнка, Фуксинка), высокорослые кряжи льна-долгунца (Смоленский, Псковский), сорта клевера (Пермский), яблони (Антоновка, Грушовка) и другие, получившие название местных, или стародавних, хорошо приспособленные к местным условиям произрастания. Лучшие сорта хлопчатника СССР и США берут своё начало от форм, происхождение которых связано с культурой майя. В Перу выращивают кукурузу с очень крупным зерном (относится к Куско-группе), созданную много веков назад. В результате длительной народной селекции получены каракульская и романовская породы овец, арабская и ахалтекинская породы лошадей, серый украинский скот, ярославская и холмогорская молочные породы крупного рогатого скота и др. В дальнейшем местные сорта и породы были использованы для выведения селекционных сортов и пород.

  Развитие  капитализма оказало большое  влияние на селекционную практику, привело к зарождению промышленной селекции. В конца 18 — начала 19 вв. в Великобритании были впервые созданы селекционные питомники, организовано племенное животноводство. Р. Бекуэлл вывел лейстерскую породу овец с выдающимися мясными и шёрстными качествами, братья Ч. и Р. Коллинги — шортгорнскую породу крупного рогатого скота. Племенными животными Великобритания снабжала многие страны. Во 2-й половине 19 в. повысился интерес к выведению новых сортов растений. В Германии Ф. Ахард заложил основы селекции сахарной свёклы на повышенное содержание сахара и высокую урожайность. Стали известны сорта пшеницы английских селекционеров-практиков П. Ширефа, Ф. Галлета, немецкого учёного В. Римпау. В Европе и Америке были созданы промышленные семенные фирмы, крупные селекционно-семеноводческие предприятия. В 1774 под Парижем основана селекционная фирма «Вильморен» (см. Вильморен), снабжающая семенами всю Францию и экспортирующая их во многие страны. В России организованы Полтавское опытное поле (1884), где изучался сортовой состав пшеницы Верхнячская (1883), Немерчанская (1886) и Уладово-Люлинецкая (1886), опытно-селекционные станции по сахарной свёкле (см. Опытные поля, Опытные сельскохозяйственные станции). И. В. Мичурин успешно работал в области С. плодовых культур. В Швеции создана Свалёвская селекционная станция (1886, ныне институт), сыгравшая большую роль в развитии селекции в Западной Европе. Её сорта овса (Золотой дождь, Победа, Лигово II) и других культур получили мировую известность. В США опытно-селекционые станции и лаборатории были организованы в каждом штате. Селекцией занимались также семеноводческие компании. Л. Бёрбанк вывел сорта плодовых и декоративных растений. В это же время в США, Франции, Великобритании, Швеции и других странах проводилась большая работа по сбору растительных ресурсов, интродукции растений. Растительные коллекции стали исходным материалом для выведения новых сортов. Большое влияние на развитие селекции оказали открытия в области ботаники, зоологии, микроскопической техники. С изобретением специальных приборов, инструментов, машин селекционный процесс всё более механизировался, Несмотря на значительные успехи, промышленная селекция была лишена тех научных предпосылок, которые позволили ей в дальнейшем превратиться в теоретически обоснованную селекционную науку. Селекционеры 18—19 вв. действовали лишь на основании опыта и интуиции, хотя и применяли многие современные методы. Решающую роль в возникновении научной селекции сыграло эволюционное учение Ч. Дарвина, становление и развитие общей генетики, а затем генетики растений и генетики животных, радиационной генетики, Первые теоретические обоснования методов приведены в трудах датского генетика В. Иогансена (1903), шведского селекционера и генетика Г. Нильсона-Эле (1908, 1911, 1912). Работы по химическому и радиационному мутагенезу (советские генетики М. Н. Мейсель, 1928, В. В. Сахаров, 1933, И. А. Рапопорт, 1943; английский — Ш. Ауэрбах, 1944), эволюционной генетике (советский учёный С. С. Четвериков, 1926; американский — С. Райт; английский — Дж. Холдейн, 20—30-е гг.) имели и имеют важное значение для развития селекции. Создав теоретическую базу, используя новые методы, селекция стала наукой об управлении наследственностью организмов.

    В России началом развития научной селекции считается 1903 — год организации Д. Л. Рудзинским при Московском сельскохозяйственном институте (ныне Московская сельхоз академия им. К. А. Тимирязева) селекционные станции, на которой были выведены первые в стране сорта зерновых культур и льна. В этом же году началось чтение лекций по селекции и семеноводству в Московском сельхоз институте, а впоследствии преподавание курса селекции в других высших учебных заведениях. В 1909—14 созданы Харьковская, Саратовская, Безенчукская, Одесская опытные станции. В 1911 состоялся первый съезд селекционеров и семеноводов России (в Харькове), на котором были подведены итоги селекционно-семеноводческие работы опытных учреждений, Значительную роль в развитии научной селекции сыграло Бюро по прикладной ботанике, генетике и селекции (организовано в 1894 Р. Э. Регелем), которое провело успешное изучение сортового состава культурных растений.

    Больших успехов достигла селекция после Октябрьской революции 1917. В 1921 был принят декрет «О семеноводстве», подписанный В. И. Лениным, заложивший основы единой государственной системы селекционно-семеноводческие работы в СССР. В 20—30-е гг. создана сеть новых научно-исследовательских селекционных учреждений, организовано государственное сортоиспытание, проводится сортовое районирование, развернулись большие генетические и селекционные исследования. Открытый Н. И. Вавиловым гомологических рядов закон в наследственной изменчивости, обоснованные им теория центров происхождения культурных растений, эколого-географические принципы селекции, учение об исходном материале растений и иммунитете растений стали широко использовать в селекционной практике. В развитие генетических основ селекции животных крупный вклад внесли М. Ф. Иванов, П. Н. Кулешов, А. С. Серебровский. С именами Г. Д. Карпеченко и И. В. Мичурина связана разработка теории отдалённой гибридизации. Созданный в 1924 Всесоюзный институт прикладной ботаники и новых культур, преобразованный затем во Всесоюзный институт растениеводства, ВИР, под руководством Н. И. Вавилова становится мировым центром по сбору и изучению растительных ресурсов. Многочисленные коллекции растений ВИР и послужили исходным материалом (генофондом) для многих сортов растений.

  Направления и методы селекции.

  В селекции растений выделилось нескольких направлений. Селекция на урожайность, которая является главным критерием сорта, продолжает оставаться основным направлением селекции. Всё большее значение приобретает селекция на качество: высокое содержание желаемых веществ (крахмала в картофеле, белка в пшенице, кормовом ячмене, кукурузе, масла в семенах подсолнечника, сои, рапса, сахара в сахарной свёкле и т. п.); более низкое содержание нежелательных соединений (алкалоидов в люпине, белка в пивоваренном ячмене, азотистых веществ в сахарной свёкле); хорошую пригодность для переработки (высокие мукомольные и хлебопекарные качества у пшеницы, пригодность для консервирования плодов и овощей, разваримость зерна крупяных культур); легкость плодов, овощей, картофеля, кормовых корнеплодов и т. п. Ведётся также селекция на содержание в белке зерновых культур незаменимых аминокислот (лизина, триптофана), на химический состав масла, на длину волокна. Проводят селекцию на устойчивость к болезням и вредителям и их комплексу, на холодостойкость, зимостойкость, морозостойкость, засухоустойчивость, приспособленность к орошаемым условиям, высоким дозам удобрений, машинной уборке и другое. Сочетание различных направлений в селекции обеспечивает создание сортов с комплексом свойств и признаков, обладающих высокой урожайностью и приспособленных к определённым почвенным, климатическим и хозяйственным условиям. В животноводстве ведётся селекция на продуктивность и качество продукции (жирномолочность, белковость и аминокислотный состав молока, длину и тонину шерсти, крупность яиц), плодовитость (особенно в овцеводстве и свиноводстве), окраску шкурок, приспособленность к местным условиям и др.

  Основные методы, применяемые в селекции: отбор, гибридизация с использованием гетерозиса и цитоплазматической мужской стерильности, полиплоидия и мутагенез.

  Отбор (массовый и индивидуальный) составляет сущность селекционной работы и ведётся по комплексу свойств и признаков. Гибридизация даёт возможность искусственно создавать исходный материал, объединять в одном организме свойства и признаки родительских форм, исправлять отдельные недостатки сорта или породы. При гибридизации, особенно отдалённой (например, географически отдалённых форм, разных видов и даже родов), можно получать новые формы, не похожие на исходные. Подбор пар для скрещивания часто определяет успех последующей селекционной работы. В качестве исходного материала используют естественные и гибридные популяции, самоопылённые линии, искусственные мутанты, полиплоидные формы; в СССР — также коллекцию ВИРа, иностранные сорта. Эффективен подбор пар, основанный на генетике селектируемых признаков. Если известно число генов, определяющих наследование признаков, то можно предвидеть частоту появления нужных сочетаний родительских признаков у гибридных растений. Всеобщее признание получил подбор пар по экотипам (эколого-географический метод подбора пар), различающихся генотипически, а также хозяйственно-ценными и биологическими свойствами и признаками. Наилучший результат даёт скрещивание отдалённых экотипов. Используют ступенчатую и возвратную гибридизацию, основанную на системе повторных скрещиваний; она позволяет добиться сочетания в гибридном потомстве тех ценных свойств, которые не удаётся получить при однократных скрещиваниях. Методом гибридизации и последующим отбором выведены многие современные сорта зерновых, масличных, кормовых, овощных, плодовых и других культур.

    В селекции используют явление гетерозиса, позволяющего получать гибриды, обладающие повышенной продуктивностью в первом поколении. Наиболее широко его применяют в селекции кукурузы, сорго, огурца, томата, сахарной свёклы и других растений. Основной путь использования гетерозиса — скрещивание специально подобранных пар сортов или самоопылённых линий (инцухт-линий). У свеклы, сорго и других культур получение гибридных семян и выращивание гибридов возможно только при наличии у материнских растений цитоплазматической мужской стерильности. Большинство гибридов кукурузы также переведено на стерильную основу.

  С помощью полиплоидии можно получать растения — полиплоиды с увеличенным  числом хромосом (триплоиды, тетраплоиды), отличающиеся от обычных (диплоидных) более интенсивной окраской, толстыми листьями и стеблями, мощным развитием, а нередко повышенным содержанием белка, сахара, крахмала. В производстве распространены триплоиды сахарной свёклы, получаемые при скрещивании тетраплоидов с диплоидами и обладающие гетерозисом. Триплоиды в основном стерильны, поэтому у них используют только первое поколение. На основе применения полиплоидии выведены высокоурожайные сорта ржи, красного клевера и других растений.