ГМ-19 Біологія

Виконані завдання надіслати на електронну пошту

nataliasuhina15@gmail.com до 04.05.2020

30.04.2020

Лекція (2 год.)

Тема 7.1. Завдання та досягнення сучасної селекції.

Опрацювати: Біологія 11 клас (за посиланням «Підручники»), с.162-179, §§44-47, лекційний матеріал

https://drive.google.com/file/d/1PiUPXT85fn7p4hKmixKD7f9tZUTvNrwE/view?usp=sharing

Виконати (письмово):

1. Що таке селекція?

2. Які основні завдання селекції?

3. Які методи застосовує сучасна селекція?

4. Що таке гетерозис?

5*. Часто можна почути про те, що бродячі собаки та коти мають більше шансів вижити у випадку інфекційного захворювання, ніж породисті тварини. Чи згодні ви з такою думкою? Обґрунтуйте свою точку зору.

6. Про що йдеться в законі гомологічних рядів спадкової мінливості? 

7*. Складіть перелік із 5-10 видів рослин, які продаються в магазинах нашого регіону, і визначте, звідки походять ці рослини.

Селекція як наука

Селекція — це наука про методи створення нових і вдосконалення існуючих сортів рослин, порід тварин і штамів мікроорганізмів. Завдяки селекції вдалося отримати велику різноманітність форм одомашнених живих організмів.

Селекція виникла давно, ще в період, коли людина тільки почала опановувати землеробство та тваринництво. На перших етапах селекції наукові методи не застосовувалися, але це компенсувалося багатим практичним досвідом людей, які займалися цим усе життя, і значною тривалістю селекційного процесу.

Поступово сформувалися певні правила та прийоми селекції. Так, уже за часів Давньої Фінікії (більше трьох тисяч років тому) застосовувалися методи штучного запилення фінікових пальм. До XIX століття практика селекції, зокрема, містила складання родоводів у тварин цінних порід та планування пар для схрещування.

Інтенсивність роботи селекціонерів суттєво зросла після того, як виникла генетика. Саме тоді селекція отримала теоретичне підґрунтя для своєї роботи. Було встановлено характер успадкування багатьох ознак у культурних рослин і домашніх тварин. Почали практикувати індукований мутагенез, коли на рослини або тварин діяли хімічними чи радіаційними мутагенами, отримуючи велику кількість нових форм серед їхніх нащадків. А після встановлення структури ДНК розпочалася ера молекулярно-біологічних методів у селекції.

Залежно від об’єктів, із якими працюють селекціонери, виокремлюють кілька галузей селекції: тварин, рослин, мікроорганізмів тощо.

Завдання селекції

Дослідження селекції спрямовані на задоволення потреб життєдіяльності людини: отримання високоякісної сільськогосподарської продукції, зокрема продуктів харчування і технічних культур.

Основними завданнями селекції є:

• виведення сортів рослин із високою врожайністю;

• виведення порід тварин із високою продуктивністю;

• виведення стійких до захворювань та дії несприятливих факторів форм рослин і тварин;

• забезпечення адаптації сортів і порід до умов сучасного сільськогосподарського виробництва;

• зниження витрат на вирощування рослин і тварин.

Досягнення селекції

Результати роботи селекціонерів стали запорукою підвищення ефективності сільського господарства. Якщо у XIX столітті середня врожайність пшениці становила не більше 5-8 центнерів із гектара, то на початку XXI століття в країнах ЄС вона досягла 55 центнерів із гектара.

Саме завдяки копіткій селекційній роботі в середині XX століття у світовому сільському господарстві вдалося здійснити «Зелену революцію», результатом якої було значне підвищення у світі виробництва сільськогосподарської продукції. На той момент без такої революції було б неможливо забезпечити населення планети (яке стрімко зростало) достатньою кількістю продовольства.

Результатом селекційної роботи стало утворення тисяч сортів культурних рослин та десятків і сотень порід домашніх тварин.

Досягнення селекції деяких домашніх тварин

Вид	Кількість порід
Коза	665
Вівця	1385
Курка	1671
Качка	278
Гуска	205
Собака	337
Кішка	58
Велика рогата худоба	1196
Кінь	828
Свиня	610

Досягнення селекції деяких культурних рослин

Вид	Кількість сортів
Яблуня	2500
Груша	3000
Манго	283
Вишня	1200
Огірок	7000
Рис	40000
Батат	7000
Томат	10000
Банан	1000
Перець чілі	6200

Наочним доказом ефективної роботи селекціонерів є зростання середньої врожайності сільськогосподарських культур у різних країнах. У пшениці були два періоди різкого зростання — у середині XIX та в середині XX століть. У картоплі і кукурудзи також наявний значний приріст урожайності у 40-60-ті роки XX століття. Це було наслідком «Зеленої революції» і дуже добре засвідчує успіхи селекційної роботи, побудованої на технологіях класичної генетики.

Ще одним досягненням селекції є покращення якісних показників одомашнених видів. Наприклад, якщо порівняти кавуни, зображені на картині XVII століття, із сучасними кавунами, можна побачити, що чотириста років тому їстівної м’якоті в кавунах було дуже мало. Шкірка в них була товстою, а насіння чимало. Сучасні кавуни їсти набагато приємніше і зручніше завдяки наполегливій праці селекціонерів.

• На сьогодні картопля і соняшник є важливими харчовими рослинами. Але в той період, коли вони потрапили в Європу з Америки, їх не використовували в їжу. Обидві ці культури спочатку були декоративними рослинами.

• Перші одомашнені свині потрапили в Європу з Близького Сходу і походили з Азії. Але протягом приблизно 500 років ці свині були витіснені одомашненими формами європейського кабана. І до початку нашої ери всі свині Європи були вже місцевого походження. Лише 300-400 років тому в Європу знову почали завозити свиней з Азії і використовувати їх для схрещувань із місцевими породами.

Різноманіття методів селекції

Методи селекції рослин, тварин і мікроорганізмів достатньо різноманітні, і використовуються вони з урахуванням особливостей біології кожної з цих груп. Тому технології селекційних досліджень для всіх цих організмів дещо різняться.

Методи селекції можна поділити на класичні методи і методи з використанням сучасних біотехнологій. Слід відзначити, що класичні методи в сучасній селекції продовжують широко використовувати. Наявність молекулярно-біологічних методів тільки розширила можливості селекційної роботи.

Класичні методи селекції організмів

Метод селекції	Сутність методу	Де застосовується
Масовий добір	Добір особин із потрібними ознаками без урахування ознак батьків. Найдавніший і найпростіший метод селекції	Переважно в селекції рослин І мікроорганізмів. У селекції тварин дуже рідко через малу кількість у них нащадків
Індивідуальний добір	Добір особин із потрібними ознаками з урахуванням ознак батьків і складанням родоводів (у селекції тварин)	У селекції тварин і рослин
Створення чистих ліній	Виведення гомозиготних особин з однаковим генотипом за великою кількістю генів	У селекції рослин і тварин. У прокаріотів усі лінії чисті, бо вони є гаплоїдами
Гібридизація	Схрещування особин Із різними генотипами, які є представниками одного виду	У селекції тварин і рослин
Віддалена гібридизація	Схрещування особин, які є представниками різних видів	Переважно в селекції рослин. У тварин більша частина таких гібридів є неплідною
Споріднене схрещування (інбридинг)	Схрещування особин однієї породи або навіть з однієї родини	У селекції тварин
Неспоріднене схрещування (аутбридинг)	Схрещування особин різних порід	У селекції тварин

Деякі методи селекції з використанням сучасних біотехнологій

Метод швидкого мікроклонального розмноження

Одним із найбільш перспективних сучасних методів селекції є метод швидкого мікроклонального розмноження. Він полягає у вирощуванні культури клітин рослин на поживних середовищах. Для цього шматочки калусної (недиференційованої) тканини рослини розміщують на поживному середовищі, де під впливом доданих фітогормонів відбувається диференціація клітин і утворюються корінь і пагін нової рослини. Метод отримав назву мікроклонального через дуже малі розміри зразків тканин (у малини — 2 мм, у хмелю — 0,1 мм тощо), потрібних для вирощування нової рослини. Головними перевагами методу є можливість здійснювати дослідження (або вирощувати нові організми) протягом усього року незалежно від зовнішніх умов, і це потребує незначної площі. Крім того, ця технологія дозволяє швидко розмножувати деревні рослини, яким за звичайних умов для розмноження потрібно багато років.

До переваг методу належить і можливість швидкого розмноження рослин, які погано розмножуються вегетативно або взагалі не здатні до такого виду розмноження. Таким чином удається розмножувати, наприклад, хвойні рослини, живці яких у природі укорінюються вкрай повільно (більше року). Значно полегшує така технологія і поширення цікавих генетичних форм для селекційної роботи. З одного унікального зразка рослини можна виростити кілька тисяч екземплярів, не змінюючи унікального генотипу в процесі статевого розмноження.

Метод соматичної гібридизації

Ще один дуже перспективний метод, який активно використовується в селекції,— це соматична гібридизація. Вона відбувається шляхом злиття соматичних клітин. Таким способом можна отримувати навіть гібриди між тими організмами, які не здатні до схрещування (пацюка і миші, вівса і кукурузи тощо), або між клітинами різних тканин представників одного виду.

Одним із перспективних напрямів соматичної гібридизації є отримання гібридом (гібридних клітин, які створюються шляхом злиття лімфоцитів і ракових клітин). Гібридоми використовуються в галузі біотехнології під час створення високоефективних ліній клітин для виробництва цінних препаратів, які застосовують для діагностики і лікування багатьох захворювань (онкологічних захворювань, ревматоїдного артриту, бронхіальної астми тощо).

Гібридоми об’єднали в собі здатність лімфоциту утворювати необхідні антитіла (одного типу, так звані моноклональні антитіла) і здатність пухлинних клітин безкінечно довго розмножуватись на штучних середовищах. За допомогою гібридом можна отримати антитіла необхідного типу в необмежених кількостях.

Цікаво знати. Цитрусові — це велика група рослин із родини Рутові, найвідоміші представники якої належать до роду Цитрус (Citrus). Лимони, мандарини, грейпфрути, апельсини — усі вони є добре відомими представниками цього роду рослин.

Цитрусові виникли на території Південно-Східної Азії і були одомашнені в тому ж регіоні. Основними методами селекції в цій групі були гібридизація та відбір мутантних варіантів переважно соматичного походження. Крім видів із роду Цитрус, до селекції домашніх рослин цієї групи залучалися представники інших родів із групи цитрусових, таких як кумкват або мікранта (деякі дослідники і ці рослини відносять до роду Цитрус).

Вихідними формами для селекції цитрусових були три види: цитрон (Citrus medica), мандарин (Citrus reticulata) і помело (Citrus maxima). Більшість культурних цитрусових (лимони, грейпфрути, апельсини тощо) є гібридами цих трьох видів. Вони гібридизувалися в різній послідовності та різних напрямках і містять різний відсоток генів кожного з видів.

Частина цитрусових є гібридами двох видів. Так, помаранч є гібридом помело і мандарина, червоний лимон — мандарина і цитрона, каламондин — кумквата і мандарина. Цікава історія створення різних сортів апельсину. Вони походять від єдиного гібриду мандарина, помело і цитрона, але утворилися в результаті різних соматичних мутацій, які могли виникати в певній частині дерева або навіть в окремій гілці. А грейпфрут утворився в результаті гібридизації апельсина і помело.

Досить заплутаною виявилася генетична історія мандаринів. їх можна поділити на три групи. Перша з них утворена мандарином Тачибану та кількома китайськими сортами. Її представники є вихідною формою для цитрусових і не мають ознак схрещування з іншими видами. Друга і третя групи сортів мандаринів виникли в результаті гібридизації мандаринів першої групи з помело. Вони різняться між собою за вмістом генів помело. У мандаринів другої групи таких генів до 10%, а в мандаринів третьої — від 12 до 38%.

Що таке гетерозис

Ще здавна люди помітили одну цікаву закономірність. Якщо схрещувати різні породи тварин або сорти рослин, то можна отримати нащадків, які будуть перевищувати за певними ознаками обох своїх батьків. Але тривалий час такі результати не вдавалося передбачити, бо інколи ефект спостерігався, а інколи ні.

Ситуацію вдалося зрушити з місця тільки з початком наукової організації селекційного процесу. Саме тоді й було доведено, що перше покоління гібридів, одержаних у результаті неспорідненого схрещування, має цілу низку цінних показників, за якими воно значно перевищує обох своїх батьків. Такими показниками були життєздатність, продуктивність, ріст, стійкість до захворювань тощо. Для опису цього ефекту американський генетик Г. Шелл запропонував термін «гетерозис» (1914). Характерною рисою гетерозису було те, що найбільше він проявлявся в першому поколінні гібридів. У наступних поколіннях (другому, третьому тощо) прояв гетерозису поступово зменшувався, а потім і зовсім зникав.

У рослин розрізняють три основні типи гетерозису відповідно до тих показників, які спостерігаються в певного гібриду найбільше: репродуктивний, соматичний та адаптивний. Репродуктивний гетерозис проявляється у збільшенні виробництва насіння і врожайності. Рослини із соматичним гетерозисом мають значно більшу вегетативну масу та більші лінійні розміри. Адаптивний гетерозис проявляється у збільшенні стійкості рослин до дії несприятливих факторів середовища (як фізичних, так і біологічних).

Генетичні основи гетерозису

Для пояснення явища гетерозису було запропоновано дві основні гіпотези, які, до речі, не виключали одна одну. Перша з них — гіпотеза домінування. Основна її ідея — блокування дії рецесивних алелів генів, які зумовлюють несприятливий ефект, домінантними алелями цього ж гена. Гіпотеза виходила з того, що у двох батьківських лініях у стані гомозиготи за рецесивним алелем будуть перебувати різні гени. І після схрещування більшість генів матиме хоч один домінантний алель, який не дасть проявитися негативному впливу рецесивного алеля. Ця гіпотеза добре пояснювала той факт, що ефект гетерозису починав різко знижуватися вже у другому поколінні гібридів і через кілька поколінь зникав узагалі.

Другою була гіпотеза переваги (наддомінування). Вона стверджувала, що перевагу гетерозисним гібридам дають унікальні комбінації алелей, які утворювалися в результаті такого схрещування, тобто гетерозигота Аа дає більший ефект, ніж гомозиготи АА або аа. Ця гіпотеза теж адекватно пояснювала зменшення ефекту гетерозису в наступних поколіннях гібридів.

Тривалі дослідження виявили деяку перевагу гіпотези домінування. Але і гіпотеза переваги отримала кілька експериментальних підтверджень на свою користь. А вже у XXI столітті з’явилися дані, які свідчать про значний внесок у це явище епігенетичних механізмів.

Практичне значення гетерозису

Явище гетерозису широко використовується в сільськогосподарській практиці. Його застосовують під час вирощування кукурудзи, рису, цукрових буряків та інших зернових і овочів. Майже вся кукурудза, яка зараз вирощується у світі, є гетерозисною. Гібридною є і значна частина рису, який вирощується в Китаї та Індії.

Для отримання гібридних рослин у насінних господарствах вирощуються спеціальні так звані інбредні лінії рослин, у яких шляхом постійного самозапилення підтримується високий рівень гомозиготності. Для одержання насінин гетерозисних гібридів різні інбредні лінії кожного року схрещуються між собою, а насіння, яке утворилося в результаті схрещування, використовується для одержання високих урожаїв.

Використовують явище гетерозису і у тваринництві. Воно дає гарний ефект для деяких гібридів великої рогатої худоби і свиней. Застосовують гетерозисні гібриди і на птахофермах для отримання гібридів курей. Нещодавно було проведено цікаве дослідження гібридів собак. У його процесі було встановлено, що гібридні породи собак живуть у середньому на 1,2 роки довше, ніж чисті породи.

Переваги й недоліки використання ефекту гетерозису

в сільському господарстві

Переваги

Недоліки

• суттєве збільшення врожайності рослин порівняно з батьківськими формами • більша стійкість гібридних рослин до захворювань • утворення гібридними рослинами більшої кількості зеленої маси, яку можна використовувати у тваринництві • отримання гібридів тварин із більшими темпами росту • збільшення продуктивності гібридних тварин (м'ясної, молочної тощо) • більша стійкість гібридних тварин до захворювань і несприятливих умов існування

• суттєве зниження ефекту гетерозису починаючи з другого покоління гібридів • потреба в утриманні і розведенні інбредних ліній для забезпечення прояву ефекту гетерозису і їх гібридів • неможливість передбачити ступінь прояву ефекту гетерозису і його напрям (підвищиться стійкість, темп росту чи врожайність), що потребує здійснення попередніх досліджень для розробки потрібної схеми схрещувань

Різні сорти одного виду рослин або породи одного виду тварин можуть давати під час схрещувань різні ефекти гетерозису. В одних схрещуваннях гібриди будуть мати більші розміри, в інших — більшу стійкість до захворювань або високу врожайність. А в деяких випадках після схрещувань ефект гетерозису може не проявлятися.

Гомологічні ряди спадкової мінливості

На початку XX століття М. І. Вавилов досліджував мінливість ознак у кількох родів злаків. Він звернув увагу на те, що у представників різних родів мінливість ознак відбувається схожим чином. Якщо в одному роді є карликові форми або форми з довгою остю, то ці ж варіанти можна буде виявити і в інших родах. Таких ознак було багато, і вони утворювали цілі послідовності тотожних варіантів мінливості.

Власне, саме це явище на той час було вже відоме. Його, наприклад, описував у своїй роботі ще Ч. Дарвін, посилаючись на більш ранні дослідження інших учених. Але М. І. Вавилов уперше сформулював його у вигляді окремого закону гомологічних рядів мінливості і дав генетичне пояснення цьому явищу. Формулювання цього закону є таким: «Генетично близькі роди і види мають схожі ряди спадкової мінливості. Знаючи, які існують форми в одного виду, можна передбачити існування таких самих форм у інших, споріднених із ним, видів і родів».

Він уважав, що наявність таких рядів мінливості у споріднених родів є наслідком їх походження від спільного предка. Цей предок передав своїм нащадкам дуже схожі набори генів, кожний із яких може змінюватися тільки в певних межах. Тому мінливість у споріднених систематичних груп є схожою. І чим більша спорідненість, тим більш схожі ряди мінливості.

Наявність такої закономірності М. І. Вавилов запропонував використовувати в практичній роботі селекціонерів. Знаючи, які варіанти трапляються в близьких родів, можна було цілеспрямовано шукати потрібні форми у виду, з яким проводилася селекційна робота. Знання цього закону йому вдалося використати для аналізу процесів одомашнення культурних рослин і встановлення центрів їх походження.

Одомашнення культурних рослин

Одомашнення — це процес змін популяцій рослин або тварин, завдяки якому вони стають пристосованими до утримання в неволі й використання їх людиною. Одомашнення відбувається з метою отримання від рослин і тварин продуктів харчування, промислової продукції (шкіра, волокно тощо) або в інших цілях (транспорт, охорона та ін.). Більша частина видів була одомашнена в період від 2 до 12 тисяч років тому.

Одомашнення рослин людиною відбувалося незалежно в різних регіонах нашої планети. І всі ці регіони мали певні особливості. Крім сприятливих кліматичних умов, потрібна була ще наявність деяких видів рослин із досить великими плодами й достатня кількість населення та певні соціальні умови для можливості утворення осілих поселень. Наприклад, клімат певних регіонів Австралії є дуже сприятливим для вирощування зернових. Але всі австралійські види злаків мають дуже дрібне насіння. І вирощувати їх для отримання зерна немає сенсу. А от після привезення в цю країну зерна злаків із Європи ситуація змінилася, і Австралія стала одним зі світових лідерів із виробництва зерна.

Тому існувало лише кілька центрів походження рослин. Виявив ці центри видатний учений, генетик і селекціонер М. І. Вавилов.

Центри походження культурних рослин

Найдавнішим центром походження культурних рослин уважають регіон «Родючого півмісяця», названого так за силует цього регіону відповідної форми на карті. Перехід до вирощування культурних рослин стався там приблизно 10-12 тисяч років тому. Усі інші центри походження рослин виникли пізніше.

Основні центри походження культурних рослин

№	Назва центру	Місце розташування	Рослини, які походять із цього центру
1	Східноазійський	Китай	Просо, соя, мандарин, ліщина, волоський горіх
2	Індо-малайський	Малайський архіпелаг, Філіппіни, Індокитай	Банан, кокосова пальма, помаранча, чорний перець, рис
3	Індійський	Індія, Мьянма	Баклажан, лимон, манго, гречка, огірок
4	Середньоазійський	Частина Пакистану, Афганістан, Таджикистан, Узбекистан	Диня, цибуля городня, часник, конопля
5	Передньоазійський («Родючий півмісяць»)	Мала Азія, Іран, Єгипет	Пшениця, полба, жито, ячмінь, горох, слива, груша, фінікова пальма, льон, інжир
6	Середземноморський	Балкани, Греція, Італія	Оливкове дерево, виноград, гірчиця, капуста, морква, буряк, кріп
7	Ефіопський	Ефіопія, Судан, Еритрея	Сорго, кава, кавун, кола, кунжут
8	Центральноамериканський	Центральна Америка, Антильські острови	Кукурудза, какао, батат, соняшник, тютюн
9	Південноамериканський	Гірські області Колумбії, Еквадору, Перу, Болівії	Картопля, помідор, арахіс, ананас, гевея

Великого значення для розвитку цивілізацій у регіонах центрів походження культурних рослин набула кількість одомашнених видів. Чим більшу кількість видів було одомашнено, тим більш різноманітним і збалансованим ставало харчування населення. Відповідно, кращим був стан здоров’я населення, а його чисельність збільшувалася великими темпами.

Слід відзначити, що з центрами походження культурних рослин збігаються і центри походження домашніх тварин. Хоча не в усіх центрах походження рослин відбувалося одомашнення тварин. Це було пов’язано з наявністю в регіоні одомашнення рослин тих видів тварин, яких можна було одомашнювати. Ці два процеси відбувалися паралельно і впливали один на одного. Наприклад, одомашнення великої рогатої худоби і коней на території Євразії дозволило створити систему обробки землі сохою або плугом, які могли тягти воли чи коні. В Америці таких тварин не було, і вирощування злаків там потребувало великих об’ємів ручної праці.