Методы селекции — понятие, виды и основные характеристики

Принцип гибридизации

Заключается в том, что при оплодотворении происходит слияние двух различных по генотипу половых клеток с образованием зиготы, из которой развивается новый организм, наследующий признаки обоих родителей. Естественная гибридизация происходит в природе, искусственная осуществляется человеком в селекции или с другими целями. При этом у покрытосеменных цветки материнского растения опыляются пыльцой другого вида или сорта.

В селекции растений гибридизация используется чрезвычайно широко. Если данный метод необходим с целью соединения желательных свойств исходных организмов, это «комбинационная селекция». В том случае, когда преследуется цель получения и отбора генотипов более лучшего качества, по сравнению с родительскими формами, говорят о «трансгрессивной селекции».

В растениеводстве распространена гибридизация форм в пределах одного вида, или внутривидовая. В результате использования этого метода было создана большая часть сортов культурных растений. Отдаленная гибридизация является более сложным и трудоемким методом развития гибридов. Основная проблема при получении отдаленных гибридов – несовместимость гамет скрещиваемых форм и стерильность полученных гибридов.

Технологические процессы гибридизации различных сельско-хозяйственных культур существенно различаются между собой. Для получения гибридных форм кукурузы растения двух сортов высевают рядами поочередно, а султаны на материнских растениях срезают за несколько дней до цветения. У культур с перекрестным опылением цветков, например, ржи, используют кастрацию цветков материнских растений. У плодовых деревьев кастрация выполняется за 1-2 дня до того, как распустятся бутоны, а женские цветки изолируют, накрывая марлей. После раскрывания бутонов на рыльца пестиков наносят заранее заготовленную пыльцу. Из гибридных семян выращивают новые растения, помещая семена в специальную питательную среду и обеспечивая благоприятные условия для роста.

Виды гибридизации

Цель использования отдаленной гибридизации (аутбридинга) – получение сортов растений, обладающих ценными урожайными свойствами, устойчивых к заболеваниям и вредителям. Удачными примерами скрещивания различных видов растения служат межвидовые гибриды подсолнечника, отличающиеся иммунитетом к паразитам и болезням и содержащие более 50% масла в семенах; пшеницы с высокой урожайностью и другими ценными качествами; табака высшего качества; картофеля; капусты; редиса, и т.д.

Похожие материалы:

Селекция растенийМетоды селекции растенийПолиплоидия

Риски и особенности селекции

Критики органического сельского хозяйства утверждают, что оно слишком малоурожайно, чтобы быть жизнеспособной альтернативой стандартному сельскому хозяйству. Однако частично эта низкая производительность может быть результатом выращивания плохо адаптированных сортов. Выведение сортов, специально адаптированных к уникальным условиям органического сельского хозяйства, имеет решающее значение для того, чтобы этот сектор полностью осознал свой потенциал.

Это требует отбора по таким признакам, как:

1. Эффективность водопользования.
2. Эффективность использования питательных веществ (особенно азота и фосфора).
3. Конкурентоспособность сорняков.
4. Устойчивость к механической борьбе с сорняками.
5. Устойчивость к вредителям или болезням.
6. Устойчивость к абиотическим факторам (например, засуха, засоление и т.д.).

Селекция растений помогает увеличить биоразнообразие. Она принесла наибольшую пользу благодаря использованию своих продуктов. По сравнению с любыми другими методами селекция растений оказывается простой там, где процесс и идеи по улучшению урожая просты.

Селекция растений — это древняя практика скрещивания, отбора и улучшения сельскохозяйственных культур по ценным для человека признакам. Это продолжается с тех пор, как сельскохозяйственные культуры были одомашнены более 12 тысяч лет назад, и продолжается в полную силу сегодня, где бы эти культуры ни выращивались.

Большинство фруктов, овощей и злаков, которые мы едим сегодня, являются результатом поколений селекции растений. На самом деле, некоторые из самых популярных фруктов и овощей произошли от растений, которые сейчас было бы почти невозможно идентифицировать.

1. Морковь. Первоначально морковь была желтой и фиолетовой. В 1600-х годах люди начали разводить их, чтобы они были белыми и оранжевыми, а затем в 1700-х годах их вывели, чтобы они были красными. Фиолетовую морковь все еще выращивают в Европе и Азии, а красную морковь выращивают в Китае и Индии.
2. Арбузы. Около 5000 лет назад арбузы были всего два дюйма в диаметре и имели горький вкус, сильно отличающийся от крупных сладких фруктов, которыми мы наслаждаемся сегодня.
3. Бананы. Около 6500 лет назад люди начали разводить «муса заостренная», предка современного банана. Вид «муса заостренная» затем был скрещен с «муса бальбисианой» для получения близкого родственника банана.
4. Кукуруза. Около 10 тысяч лет назад люди открыли теосинте, которое представляло собой растение с маленькими тонкими початками длиной всего 5-8 сантиметров с такими твердыми ядрами, что они могли сломать зубы.
5. Цветная капуста, брокколи, капуста, брюссельская капуста. Эти обычные овощи произошли от обычного дикорастущего растения горчицы около 10 тысяч лет назад.

Виды селекции растений

Различные типы существующих процессов селекции растений включают:

• инбридинг;
• обратное скрещивание;
• селекцию мутаций;
• гибридную селекцию;
• генную инженерию.

Все эти процессы включают в себя свои собственные различные методы и способы, которые способствуют повышению урожайности сельскохозяйственных культур несколькими способами.

Обратное скрещивание

При этом растение с желаемыми признаками скрещивается с растением, которое не обладает желаемыми признаками, но обладает несколькими другими признаками.

Растение, обладающее желательным признаком, например, устойчивостью к плесени, скрещивается с растением, которое не обладает этим признаком, но желательно по всем остальным признакам. Существует этап контроля качества, чтобы убедиться, что единственным изменением исходного сорта является желаемый признак.

Инбридинг

В зависимости от вида некоторые растения могут быть оплодотворены сами по себе. Это делается для получения инбредного сорта, который из поколения в поколение остается точно таким же. Поскольку он сохраняет исходные черты, он полезен тремя способами: для исследований, в качестве новых сортов с истинной селекцией и в качестве родителей гибридов.

Гибридная селекция

В этой ситуации два разных инбредных сорта скрещиваются для получения потомства со стабильными характеристиками и гибридной энергией, где потомство намного более продуктивно, чем любой из родителей.

Селекция мутаций

Мутации в генах растений приводят к появлению новых сортов.

Естественные генетические мутации существуют во всем мире. Если эти случайные примеры будут найдены и восприняты как улучшение, их можно будет использовать для создания новых сортов. В качестве альтернативы мутации можно искусственно стимулировать, подвергая растения воздействию химических веществ или радиации.

Генная инженерия

Генная инженерия помогает в создании скрещивания с желаемыми признаками, вставляя интересующую игру в ДНК культуры. Такие культуры известны как генетически модифицированные культуры. Например, Bt-культуры.

Селекция и генетика растений

Грегор Мендель (1822-84) считается «отцом генетики». Он разработал законы наследования с помощью экспериментов с гибридизацией растений. Генетика стимулировала исследования по повышению урожайности сельскохозяйственных культур за счет селекции растений.

Генетическая модификация растений достигается путем добавления выбранного гена или генов к растению или путем уничтожения гена с помощью РНК-интерференции для получения желаемого фенотипа. Растения, полученные в результате добавления гена, часто упоминаются как трансгенные растения. Если гены генетической модификации вида или скрещиваемого растения используются для проверки их нативного промотора, то они называются цисгенными растениями. Иногда генетическая модификация может привести к появлению растения с заданным признаком или признаками быстрее, чем классическая селекция, потому что основная часть генома растения не изменяется.

Современная селекция растений

Иногда множество различных генов может влиять на желаемый признак в селекции растений. Использование таких инструментов, как молекулярные маркеры или ДНК-отпечатки пальцев, может нанести на карту тысячи генов. Это позволяет селекционерам проводить скрининг больших популяций растений на предмет людей, обладающих интересующей чертой. Скрининг основывается на наличии или отсутствии определенного гена, определяемого лабораторными процедурами, а не на визуальной идентификации выраженного признака внутри растения.

Классическая или традиционная селекция растений

Традиционная селекция в значительной степени основана на гомологичной рекомбинации между хромосомами для получения генетического разнообразия. Классический селекционер растений может также использовать различные методы in vitro, такие как слияние протопластов, спасение эмбрионов или мутагенез, для получения разнообразия и получения гибридных растений, которые могут не существовать в природе.

Другой метод заключается в преднамеренном скрещивании близкородственных или отдаленных особей для получения новых сортов или линий сельскохозяйственных культур с желаемыми свойствами. Растения для скрещивания используются для введения признаков или генов одного сорта или линии в замещающий генетический фон.

Гибридизация

Межвидовая

Проводят неродственное скрещивание. Здесь используют особей разных видов или сортов, с целью получения необходимого набора морфологических характеристик. Так создается новая популяция, сочетающая в себе лучшие качества обеих сторон. На основе данного метода возможно выведение новых видов, с улучшенными свойствами.

Существует отдаленная гибридизация, здесь организмы принадлежат к различным видам или родам. Такое скрещивание в ряде случаев может привести к бесплодному потомству. Пример мул – гибрид зебры и лошади.

Внутривидовая

Для закрепления полезных свойств применяют инбридинг. Последний подразумевает скрещивание представителей близкородственных линий, с наилучшими генотипами (их выявляют индивидуально). Такие организмы обладают родственными набором аллелей. 

Гомологичные аллели приводят к гетерозису — явлению гибридной силы, проявляющемуся в дочерних линиях. Скрещивание родственных видов направлено на сохранение генотипа популяции, что необходимо для закрепления полезных признаков.

Этапы селекции растений

Методы селекции растений претерпели множество изменений с тех пор, как они были начаты 9000-1000 лет назад. Современный метод селекции растений осуществляется в следующие этапы:

1. Изменчивость лежит в основе всех методов разведения. Первый шаг включает в себя сбор растений или семян для всех возможных аллелей для всех генов в данной культуре, которая известна как зародышевая плазма. В эту коллекцию входят даже дикорастущие сорта и родственники культивируемых видов.
2. Оценка и отбор родительских растений. Зародышевая плазма оценивается для отбора родительских растений с желаемыми характеристиками. Сочетание этих характеристик ожидается в гибридном потомстве. Например, растительная культура с высоким содержанием белка может быть выбрана для скрещивания с растением с более высокой устойчивостью к болезням.
3. Перекрестная гибридизация между выбранными родителями. На третьем этапе родители подвергаются перекрестной гибридизации для получения чистых линий потомства. Это утомительная и трудоемкая практика, осуществляемая обычным способом внесения пыльцы с одного растения на рыльце другого. Несмотря на затраченный труд, только одно или два потомства из нескольких сотен демонстрируют желаемое сочетание характеристик.
4. Отбор и тестирование превосходных рекомбинантов. Затем оценивают развитое потомство, и те, которые обладают желаемой комбинацией характеристик, самоопыляются для достижения гомозиготности.
5. Тестирование, выпуск и коммерциализация новых сортов. Новые сорта выращиваются на исследовательских полях, где они тестируются на их агрономические характеристики качества, урожайности, устойчивости к болезням и т.д. За этим следует выращивание этих культур на полях фермеров в разных местах страны, которые представляют различные агроклиматические зоны. При успешных результатах посевы выпускаются в коммерческих целях для общественного потребления.

Что такое селекция растений

Данный процесс включает в себя объединение родительских растений для получения следующего поколения с наилучшими характеристиками. Селекционеры улучшают растения, отбирая примеры с наибольшим потенциалом на основе данных о производительности, родословной и более сложной генетической информации. Растения улучшаются для производства продуктов питания, кормов, волокон, топлива, укрытий, ландшафтного дизайна, экосистемных услуг и множества других видов человеческой деятельности.

Селекция предполагает создание генетически разнообразных популяций нескольких поколений, на которых практикуется человеческий отбор для создания адаптированных растений с новыми комбинациями специфических желательных признаков. Процесс отбора определяется биологической оценкой в соответствующих целевых средах и знанием генов и геномов. Прогресс оценивается на основе прироста при отборе, который зависит от генетической изменчивости, интенсивности отбора и времени.

Отбор

В селекции действует естественный и искусственный отбор. Искусственный отбор бывает бессознательный и методический. Бессознательный отбор проявляется в сохранении человеком лучших особей для разведения и употреблении в пищу худших без сознательного намерения вывести более совершенный сорт или породу. Методический отбор осознанно направлен на выведение нового сорта или породы с желаемыми качествами.

В процессе селекции наряду с искусственным отбором не прекращает своего действия и естественный отбор, который повышает приспособляемость организмов к условиям окружающей среды.

Сравнительная характеристика естественного и искусственного отбора

Признак	Естественный отбор	Искусственный отбор
Исходный материал для отбора	Индивидуальные признаки организмов	Индивидуальные признаки организмов
Отбирающий фактор	Условия среды (живая и неживая природа)	Человек
Путь благоприятных изменений	Остаются, накапливаются, передаются по наследству	Отбираются, становятся производительными
Путь неблагоприятных изменений	Уничтожаются в борьбе за существование	Отбираются, бракуются, уничтожаются
Направленность действия	Отбор признаков, полезных особи, популяции, виду	Отбор признаков, полезных человеку
Результат отбора	Новые виды	Новые сорта растений, породы животных, штаммы микроорганизмов
Формы отбора	Движущий, стабилизирующий, дизруптивный	Массовый, индивидуальный, бессознательный (стихийный), методический (сознательный)

Отбор бывает массовый и индивидуальный. Массовый отбор — выделение из исходного материала целой группы особей с желательными признаками и получение от них потомства. Индивидуальный отбор — выделение отдельных особей с желательными признаками и получение от них потомства. Массовый отбор чаще применяют в селекции растений, а индивидуальный — в селекции животных, что связано с особенностями размножения растений и животных.

Полиплоидия

Явление полиплоидии в селекции характерно для растений. При этом происходит увеличение числа хромосом в два, три и более раз. Это количество или кратность носит название плоидности. Подвергаются последней как соматические, содержащие двойной набор хромосом, так и половые с одинарным. Причем гаплоидные клетки (одинарные) не имеют идентичной хромосомной пары по сравнению с соматическими (диплоидными).

Причины полиплоидии различны:

1. Изменение температурного режима.

2. Излучение.

3. Нарушение расхождения хромосом при митотическом и мейотическом делении. Например, вместо клетки, содержащей генетический материал от материнской и отцовской – диплоидной, формируется структура с тетраплоидным набором (содержащей хромосомы в удвоенном количестве).

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

Если число хромосом превышает исходное в три и более раз, говорят о геномных мутациях – эуплоидии. Участки, ответственные за передачу наследственной информации, могут кратно возрастать при скрещивании разных видов. Это аллополиплоидия. Последняя направлена на создание новых культур. Полиплоидные организмы обладают большей массой, объемом, но зачастую низкой плодовитостью.

Гибридизация

Методом отбора нельзя получить новые генотипы. Для создания новых благоприятных комбинаций признаков (генотипов) применяют гибридизацию. Различают внутривидовую и межвидовую (отдаленную) гибридизацию.

Внутривидовая гибридизация — скрещивание особей одного вида. Применяют близкородственное скрещивание и скрещивание неродственных особей.

Близкородственное скрещивание (инбридинг) (например, самоопыление у растений) ведет к повышению гомозиготности, что, с одной стороны, способствует закреплению наследственных свойств, а с другой приводит к снижению жизнеспособности, продуктивности и вырождению.

Скрещивание неродственных особей (аутбридинг) позволяет получить гетерозисные гибриды. Если сначала вывести гомозиготные линии, закрепив желательные признаки, а затем провести перекрестное опыление между разными самоопыляющимися линиями, то в результате в ряде случаев появляются высокоурожайные гибриды. Явление повышенной урожайности и жизнеспособности у гибридов первого поколения, полученных при скрещивании родителей чистых линий, называется гетерозисом. Основная причина эффекта гетерозиса — отсутствие проявления вредных рецессивных аллелей в гетерозиготном состоянии. Однако уже со второго поколения эффект гетерозиса быстро снижается.

Межвидовая (отдаленная) гибридизация — скрещивание разных видов. Используется для получения гибридов, сочетающих ценные свойства родительских форм (тритикале — гибрид пшеницы и ржи, мул — гибрид кобылы и осла, лошак — гибрид коня и ослицы). Обычно отдаленные гибриды бесплодны, так как хромосомы родительских видов отличаются настолько, что невозможен процесс конъюгации, в результате чего нарушается мейоз. Преодолеть бесплодие у отдаленных гибридов растений удается с помощью полиплоидии. Восстановление плодовитости у гибридов животных более сложная задача, так как получение полиплоидов у животных невозможно.

Полиплоидия — увеличение числа хромосомных наборов. Полиплоидия позволяет избежать бесплодия межвидовых гибридов. Кроме того, многие полиплоидные сорта культурных растений (пшеница, картофель) имеют более высокую урожайность, чем родственные диплоидные виды. В основе явления полиплоидии лежат три причины:

1. удвоение хромосом в неделящихся клетках,
2. слияние соматических клеток или их ядер,
3. нарушение процесса мейоза с образованием гамет с нередуцированным (двойным) набором хромосом.

Искусственно полиплоидию вызывают обработкой семян или проростков растений колхицином. Колхицин разрушает нити веретена деления и препятствует расхождению гомологичных хромосом в процессе мейоза.

Мутагенез

Метод, сопровождающийся изменением структуры генов организма в ходе мутагенного воздействия. Различают спонтанный и индуцированный, оба действуют, повреждая ДНК. Факторы, вносящие дефекты в генетический аппарат, носят определение мутагенов и ведут к мутациям (генным перестройкам).

Механизмы индукции: апуринизация, дезаминирование, образование тиминовых димеров.

Мутантов выбирают на основе мониторинга и фенотипических параметров. В первом случае селекционеры выполняют количественное исследование нового параметра среди организмов, оказавшихся влиянием мутагенного воздействия. При втором учитывают фенотип, развившийся вследствие воздействия мутагена: ауксотрофность, резистентность и др.

Основные методы селекции животных

Создание пород домашних животных началось вслед за их приручением и одомашниванием, которое началось 10-12 тыс. лет назад. Содержание в неволе снижает действие стабилизирующей формы естественного отбора. Различные формы искусственного отбора (сначала бессознательный, а затем методический) приводят к созданию всего многообразия пород домашних животных.

В селекции животных, по сравнению с селекцией растений, есть ряд особенностей. Во-первых, для животных характерно в основном половое размножение, поэтому любая порода является сложной гетерозиготной системой. Оценка качеств самцов, которые внешне у них не проявляются (яйценоскость, жирномолочность), оцениваются по потомству и родословной. Во-вторых, у них часто поздняя половозрелость, смена поколений происходит через несколько лет. В-третьих, потомство немногочисленное.

Основными методами селекции животных являются гибридизация и отбор. Различают те же методы скрещивания — близкородственное скрещивание, инбридинг, и неродственное — аутбридинг. Инбридинг, как и у растений, приводит к депрессии. Отбор у животных проводится по экстерьеру (определенным параметрам внешнего строения), т.к. именно он является критерием породы.

1. Внутрипородное разведение направлено на сохранение и улучшение породы. Практически выражается в отборе лучших производителей, выбраковке особей, не отвечающих требованиям породы. В племенных хозяйствах ведутся племенные книги, отражающие родословную, экстерьер и продуктивность животных за много поколений.

2. Межпородное скрещивание используют для создания новой породы. При этом часто проводят близкородственное скрещивание, родителей скрещивают с потомством, братьев с сестрами, это помогает получить большее число особей, обладающих нужными свойствами. Инбридинг сопровождается жестким постоянным отбором, обычно получают несколько линий, затем производят скрещивание разных линий.

Хорошим примером может служить выведенная академиком М.Ф.Ивановым порода свиней — украинская белая степная. При создании этой породы использовались свиноматки местных украинских свиней с небольшой массой и невысоким качеством мяса и сала, но хорошо приспособленных к местным условиям. Самцами-производителями были хряки белой английской породы. Гибридное потомство вновь было скрещено с английскими хряками, в нескольких поколениях применялся инбридинг, были получены чистые линии, при скрещивании которых получены родоначальники новой породы, которые по качеству мяса и массе не отличались от английской породы, по выносливости — от украинских свиней.

3. Использование эффекта гетерозиса. Часто при межпородном скрещивании в первом поколении проявляется эффект гетерозиса, гетерозисные животные отличаются скороспелостью и повышенной мясной продуктивностью. Например, при скрещивании двух мясных пород кур получают гетерозисных бройлерных кур, при скрещивании беркширской и дюрокджерсейской пород свиней получают скороспелых свиней с большой массой и хорошим качеством мяса и сала.

4. Испытание по потомству проводят для подбора самцов, у которых не проявляются некоторые качества (молочность и жирномолочность быков, яйценоскость петухов). Для этого производителей-самцов скрещивают с несколькими самками, оценивают продуктивность и другие качества дочерей, сравнивая их с материнскими и со среднепородными.

5. Искусственное осеменение используют для получения потомства от лучших самцов производителей, тем более что половые клетки можно хранить при температуре жидкого азота любое время.

6. С помощью гормональной суперовуляции и трансплантации у выдающихся коров можно забирать десятки эмбрионов в год, а затем имплантировать их в других коров, эмбрионы так же хранятся при температуре жидкого азота. Это дает возможность увеличить в несколько раз число потомков от выдающихся производителей.

7. Отдаленная гибридизация, межвидовое скрещивание, известно с древних времен. Чаще всего межвидовые гибриды стерильны, у них нарушается мейоз, что приводит к нарушению гаметогенеза. С глубокой древности человек использует гибрид кобылицы с ослом — мула, который отличается выносливостью и долгожительством. Но иногда гаметогенез у отдаленных гибридов протекает нормально, что позволило получить новые ценные породы животных. Примером являются архаромериносы, которые, как и архары, могут пастись высоко в горах, а, как мериносы, дают хорошую шерсть. Получены плодовитые гибриды от скрещивания местного крупного рогатого скота с яками и зебу. При скрещивании белуги и стерляди получен плодовитый гибрид — бестер, хорька и норки — хонорик, продуктивен гибрид между карпом и карасем.