18. Застосування біологічних знань в селекції

11 Б 15.04.2020 (карантин)

12/16 15.04.2020 (карантин)

13/19 17.04.2020 (карантин)

17 Д-2 30.03.2020 (карантин)

18 А-2 10.04.2020 (карантин)

Застосування біологічних знань в селекції

1. Поняття про селекцію. Історичні передумови селекції. [4] с.257-261

2. Селекція рослин і тварин. [4] с.263-265

3.Селекція мікроорганізмів. [4] с.270-273

(при роботі з матерілом зверніть увагу на кольорові мітки тексту: бордовим кольором виділені варті для запам"ятовування місця, темно-зеленим кольором - приклади, на які варто звернути увагу)

1. Поняття про селекцію. Історичні передумови селекції.

Селекція чи ГМО https://info.sibnet.ru/article/553087/

2. Селекція рослин і тварин.

Зміни у породах собак: https://tsn.ua/ampstories/hvori-ta-neproporciyni-yak-selekciya-zminila-porodi-sobak-za-100-rokiv

1. Поняття про селекцію. Історичні передумови селекції.

Історичні передумови селекції.

Ще 10 тисяч років тому на Близькому Сході наші предки займалися полюванням і збиральництвом. Маленькі групи мисливців почали осідати навколо плодючих територій, де рослин і тварин було достатньо, утворюючи невеликі поселення. Із часом їхні мешканці збирати й доглядати, а згодом висаджувати деякі дикі рослини на підготовлених ділянках. Вони почали займатися сільським господарством.

Такий перехід від привласнювальної економіки до виробничої отримав назву неолітична революція. Подібні процеси відбувалися не лише на Близькому Сході, але й у інших регіонах.

Із збільшенням чисельності осіб у поселеннях поряд із людиною почали з'являтися нові екологічні ніші. У них проникали рослини і тварини, що могли співіснувати з людиною. Серед них були ті, що слугували джерелом їжі. Окультурення рослин і одомашнення тварин від початку не було свідомим і цілеспрямованим процесом. Воно відбувалося спонтанно, коли тварини й рослини, які мали певний набір ознак, заселяли нову екологічну нішу, що сформувалася унаслідок людської діяльності.

Рослини були окультурені в різних регіонах

Для переходу до сільськогосподарської діяльності потрібні були рослини і тварини, придатні до вирощування й розведення людиною.

Завдяки експедиціям біолога Миколи Вавілова та його послідовників вдалося з'ясувати, що культурні рослини походять із різних регіонів, у яких росте чи ріс їхній предок, і кількість різновидів певної рослини у таких місцях є набагато більшою, ніж у інших. Ці регіони отримали назву центри різноманіття й походження культурних рослин.

1. Південноазіатський тропічний (тропічна Індія, Індокитай, Південний Китай, острови Південно-Східної Азії): батьківщина рису, цукрової тростини, огірків, кількох видів цитрусових, бананів, багатьох інших плодових і овочевих культур.

2. Східноазіатський (Центральний і Східний Китай, Японія, Корея, Тайвань): батьківщина сої, гречки, редьки, яблуні, груші, сливи, шовковиці, кількох видів проса, деяких цитрусових.

3. Південно-Західноазіатський (Мала і Середня Азія, Кавказ, Іран, Афганістан, Північно-Західна Індія): батьківщина гороху посівного, сочевиці, кількох видів м"якої пшениці, жита, ячменю, вівса, деяких інших зернових і бобових, моркви, цибулі ріпчастої, бавовнику, льону, винограду, абрикосу, груші, мигдалю, волоського горіха та деяких інших плодових культур.

4. Середземноморський (країни, розташовані по узбережжю Середземного моря): батьківщина цукрового буряка, капусти, маслини, деяких кормових культур (конюшини, люпину тощо).

5. Абіссінський (Абіссінське нагір"я, частина Аравійського півострова): батьківщина твердої пшениці, особливої форми ячменю, зернового сорго, одного виду бананів та інших рослин.

Одомашнення тварин

Не всі види диких тварин були придатні для одомашнювання. Так, носоріг занадто агресивний, а лань занадто ляклива, щоб співіснувати з людиною. Для того, щоб тварина могла бути одомашнена, вона повинна мати ряд характеристик. Навіть якщо одна з них відсутня, одомашнювання неможливе. Це правило називають принципом Анни Кареніної. Принцип Анни Кареніної пояснює причини одомашнення лише окремих видів тварин – Роман Льва Толстого «Анна Кареніна» починається словами: «Усі щасливі сім'ї схожі одна на одну, кожна нещаслива сім’я нещаслива по-своєму»

Виходячи з цього принципу, сформульованого Джаредом Даймондом, усі одомашнені тварини схожі між собою, а кожна неодомашнена не може бути одомашнена через свої причини.

Ознаки, які є в одомашнених тварин:

· невибагливість у харчуванні;

· швидкий ріст;

· здатність розмножуватись у неволі;

· товариське ставлення до людини;

· відсутність схильності до паніки.

Як і у випадку з рослинами, одомашнення тварин було прив'язане до певних географічних регіонів.

Найпоширенішими методами селекції є штучний добір і гібридизація

Після окультурення рослин і одомашнення тварин люди продовжували поліпшувати якості організмів, які використовували.

Ще тисячі років тому було зроблено спостереження, що нащадки успадковують властивості предків, а отже, добираючи організми з потрібними властивостями, можна значно покращити якість нащадків. Із розвитком уявлень людини про успадкування ознак, такий добір отримав цілеспрямований характер. Поступово сформувалася наука селекція, що вивчає методи покращення властивостей організмів і створення їхніх нових різновидів із заданими характеристиками.

Селекціонери рухаються у двох напрямах: частина намагалася ввести в культуру нові види рослин і тварин, а інші ж займалися вдосконаленням тих, що є. Зрозуміло, що нові види рослин і тварин повинні були мати якісь унікальні властивості й бути чимось корисними людству: шовкопрядів одомашнили для отримання шовку, качок — для отримання пір'я та м'яса, а золотих рибок – для краси.

Більш поширеною метою селекції є виведення нових сортів, порід і штамів на основі тих, що вже існують. При цьому намагаються посилити корисні для людини властивості: швидкість росту, невибагливість до умов проживання, стійкість до хвороб, покращити виживання, зробити смачнішими чи поживнішими як продукти харчування, посилити вироблення корисних речовин чи надати нового, кращого або дивовижнішого, зовнішнього вигляду. Наразі основним стимулом селекції є економічна вигода: якщо сорт, породу чи штам куплять, то й сенс у його виведенні є.

2. Селекція рослин і тварин.

Штучний добір може бути масовим або індивідуальним

Штучний добір наприкінці XIX ст. значно змінив характер своєї дії. Якщо до цього він відбувався шляхом несвідомого добору рослин і тварин, для отримання потомства, то із розвитком уявлень про успадкування ознак набув цілеспрямованого характеру.

Штучний добір буває двох видів: масовий та індивідуальний. Під час масового добору селекціонери виділяють із початкової популяції групу особин із бажаними ознаками й використовують їх для отримання потомства. Найчастіше такий добір застосовують до перехреснозапильних рослин.

Індивідуальний добір ґрунтується на виокремленні особин із бажаними ознаками з метою отримання потомства лише від них. Для цього оцінюють не тільки фенотип (прояв ознаки), але й генотип (його першопричину) шляхом проведення аналізувального схрещування або дослідження родоводу. Такий вид добору найчастіше застосовують до самозапильних рослин і до більшості видів тварин.

Існують різні способи використання гібридизації в селекції

Інший важливий метод селекції — гібридизація (схрещування). Гібридизація дозволяє створювати нові комбінації ознак у потомства. Залежно від того, чи належать організми, що схрещуються, до одного виду, розрізняють внутрішньовидову й міжвидову гібридизацію.

Під час внутрішньовидової гібридизації схрещують організми одного виду. Вирізняють два підвиди внутрішньовидової гібридизації: споріднену (інбридинг) і неспоріднену. У першій із них для схрещування використовують організми, що є родичами й належать до одного сорту чи породи. За такого схрещування цінна ознака в нащадків зберігається й посилюється, оскільки гени, що її визначають, переходять до гомозиготного стану (Це зумовлено подібністю генотипів організмів, що схрещуються (бо вони є родичами).).

У самозапильних рослин, зрештою, формуються групи особин, що при схрещуванні між собою не дають розщеплення ознак, оскільки є гомозиготними — чисті лінії. У інбридингу є й другий бік — до гомозиготного стану переходять також гени, що пригнічують життєдіяльність. Унаслідок цього у нащадків проявляються різноманітні порушення, що роблять їх менш плодовитими й життєздатними.

Натомість неспоріднена гібридизація посилює життєздатність нащадків. Під час схрещування представників різних сортів або порід, отриманий гібрид має вищу врожайність, родючість, стійкість до несприятливих факторів, ніж предкові лінії — це явище називають гетерозис.

Так, за дослідженням 2013 року гібриди собак, отримані при схрещуванні різних порід, у середньому живуть довше на 1,2 роки, ніж чистопородні тварини.

Але наступні схрещування між представниками гетерозисного сорту чи породи є спорідненим схрещуванням і спричиняють поступову втрату переваги, оскільки серед нащадків зростає кількість гомозигот. Тому гетерозис найбільше проявляється в першому поколінні, яке в рослин надалі підтримують шляхом вегетативного розмноження. Значна кількість сортів плодових дерев, а також швидкорослі і швидкостиглі бройлерні кури є зразками гетерозисних гібридів.

Завдяки міжвидовій гібридизації вдається поєднати ознаки різних видів

Унікальні риси мають гібриди, отримані шляхом міжвидової гібридизації. Зазвичай у природі різні біологічні види не схрещуються між собою — у цьому полягає суть принципу репродуктивної ізоляції видів (Однак із цього правила існують і винятки: алича є гібридом сливи й терну, а людський геном містить гени неандертальців, які не були нашими основними предками. Тому міжвидове схрещування, згідно із синтетичною теорією еволюції є одним із шляхів видоутворення.).

Але завдяки селекції вдається отримати такі гібриди. Яскравим прикладом є тритікале – гібрид пшениці й жита, що поєднує врожайність і харчові якості пшениці з невибагливістю та стійкістю до захворювань жита (рис. 40.3). Іншими зразками є логанова ягода (гібрид ожини й малини), перцева м'ята (гібрид водяної і колосовидної м'ят). Хоча не завжди гібрид набуває бажаних властивостей. За схрещування редьки й капусти дослідники сподівалися, що гібрид отримає «вершки» від капусти, а «корінці» — від редьки. Але в результаті він мав листя, як у редьки та невеликий корінь, як у капусти.

У процесі отримання міжвидового гібриду серйозною проблемою виявляється його подальше розмноження.Через те, що набір хромосом гібрида містить два гаплоїдні набори різних видів, під час мейозу не відбувається правильне розподілення хромосом і гамети не утворюються. Тому дуже часто міжвидові гібриди є стерильними.

Так, під час схрещування віслюка й кобили народжується мул, що є безплідним (рис. 40.4, А). Проте він знаходить практичне застосування — завдяки силі коня, але витривалості й розмірам віслюка, він здатний перевозити вантажі вузькими гірськими стежками. У рослин ця стерильність (безплідність) була подолана природою, а згодом і людиною, шляхом подвоєння набору хромосом.

Поліплоїдія дозволяє збільшувати розмір рослин і долати безпліддя міжвидових гібридів.

Характерною особливістю рослин є схильність до поліплоїдії — кратного збільшення кількості гаплоїдних хромосомних наборів (n). Така геномна мутація спричиняє виникнення організмів із три- (3n), тетра- (4n), пента- (5n), гексаплоїдними (6n) наборами хромосом (і навіть більше). Зазвичай такі поліплоїдні рослини більші за диплоїдні за розміром (рис. 40.5, А).

Зростання кількості хромосомних наборів можна легко досягти хімічною обробкою рослини, що веде до руйнування веретена поділу.

Особини із непарною кількістю наборів хромосом є стерильними, бо не можуть здійснити мейоз. Тому при схрещуванні тетраплоїдної рослини кавуна з диплоїдною з’являтимуться триплоїдні кавуни без насіння (рис. 40.5, Б). Подібна безнасінність у триплоїдних бананів виникла під час міжвидової гібридизації в природі (рис. 40.5, В). Надалі ці рослини розмножують вегетативним способом.

3.Селекція мікроорганізмів.

Здавна людина використовує мікроорганізми для господарських потреб

Людина з найдавніших часів навчилася застосовувати мікроорганізми: бактерії, одноклітинні еукаріоти, а також мікроскопічні гриби й водорості.

Отримання кисломолочних продуктів, пива, вина, сиру, квашених овочів неможливе без роботи мікроорганізмів-бродильників.

Найімовірніше, першим продуктом, отриманим із використанням мікроорганізмів, є пиво. Найдавніші пивні дріжджі було знайдено ще в єгипетських гробницях. Спочатку дикі дріжджі випадково потрапляли до замоченого зерна, що призводило до початку бродіння. Потім люди під час виготовлення пивних напоїв почали додавати до нового сусла закваску від попередньої, що вже містила дріжджі.

Більша частина штамів дріжджів, які використовуються людиною у випіканні хліба, виноробстві й пивоварінні, отримана з пекарських дріжджів Saccharomyces cerevisiae, але є і штами, отримані від інших видів.

Людина, сама того не усвідомлюючи, почала культивувати дріжджі. Пізніше виявилося, що закваски відрізняються: із деяких виходить пиво кращої якості, ніж з інших. Так почався процес штучного добору. Подібний добір працював і під час отримання інших продуктів. Унаслідок цього було виведено нові штами дріжджів, бактерій і грибків, продуктивніших або зручніших у застосуванні. Кожен із цих штамів адаптований до спеціальних умов, що використовуються в технології отримання того чи того продукту. Цікаво, але про роль дріжджів у бродінні людство дізналося лише в середині XIX ст., завдяки роботам великого французького мікробіолога Луї Пастера.

Також мікроорганізми застосовуються для виробництва антибіотиків. Найвідомішими виробниками антибіотиків є плісняві гриби пеніцили, а також бактерії стрептоміцети й актиноміцети. Виділення антибіотиків є способом конкуренції за відмерлі органічні рештки: пригнічення чи смерть конкурентів підвищує кількість поживного субстрату, доступного продуцентам антибіотиків.

Шляхом штучного добору було отримано штами цих мікроорганізмів, які виробляють антибіотики в значно більшій кількості, ніж їхні природні предки.

Окрім продуктів харчування й антибіотиків, організми мікроскопічного розміру культивують для отримання білків, вітамінів, спиртів і карбонових кислот, амінокислот, ферментів, пігментів та інших біологічно активних речовин.

Селекція мікроорганізмів суттєво відрізняється від селекції тварин і рослин. По-перше, селекціонер має доступ до практично необмеженої кількості індивідів – 1 мл поживного середовища може містити мільйони клітин мікроорганізмів. Окрім того, швидкість росту культури є надзвичайно високою, оскільки проміжок між клітинними поділами обчислюється десятками хвилин (прокаріоти) або годинами (еукаріоти). Тому зміна поколінь відбувається надзвичайно швидко й отримання нового штаму займає лічені дні.

Через різноманіття штамів у природі можливості штучного добору для мікроорганізмів є дуже великими. З другого боку, щоб знайти, наприклад, найпродуктивніший штам, знадобиться багато часу на перевірку всіх доступних штамів.

Гібридизацію практично не використовують для отримання нових штамів мікроорганізмів. Річ у тім, що в їх більшості (у прокаріотів, багатьох одноклітинних еукаріотів) відсутнє статеве розмноження. Але навіть для тих мікроорганізмів, у яких статеве розмноження наявне (наприклад, у пекарських дріжджів), його досить важко контролювати.

Однак, перенести спадкову інформацію від одного мікроорганізму до іншого можливо. Для цього існує ряд методів, наприклад, під час кон'югації чи за допомогою бактеріофага. Таке явище має назву трансдукція і є основою горизонтального перенесення генів у прокаріотів — потрапляння генів із геному організмів одного виду до геному організмів іншого неспорідненого виду. Завдяки цим методам корисні властивості одного штаму чи виду можуть передаватися іншому.

Традиційними напрямами селекції є пошук найпродуктивніших, найстійкіших і найбільш економічно вигідних штамів

Селекція мікроорганізмів має на меті виведення штамів, що є найкращими в застосуванні. Найчастіше такі штами характеризуються високою продуктивністю цільової речовини. З другого боку, чим більше клітин існуватиме в культурі в певний проміжок часу, тим більшою буде загальна кількість корисної речовини, яку вона виробляє.