Генетические опыты Менделя 4 страница

Широкомасштабные ботанико-географические исследования, участие в экспедициях, изучение богатейшего коллекционного материала и истории земледелия дали возможность Н.И. Вавилову сделать важные обобщения и вы­двинуть идеи, обогатившие теорию селекции и генетики, разработать теорию о центрах многообразия и происхождения культурных растений. Ученый уста­новил, в частности, что размеры и продуктивность культурных растений вы­ше, чем родственных им диких видов, но их генофонд менее разнообразен, чем генофонд исходного дикого вида. Поэтому изучение признаков диких предков культурной формы очень важно для выявления устойчивости расте­ний к болезням и паразитам, морозостойкости, засухоустойчивости, плодови­тости, чтобы использовать их при выведении новых сортов.

Таблица 4

Основные центры происхождения культурных растений

Название центра и количество возникших здесь культурных видов (% от 1000 — общего числа изученных)	Культурные растения, возникшие в этом центре от древних культур
1. Южноазиатский тро­пический (около 50%)	Сахарный тростник, огурец, баклажан, цитрусо­вые, шелковица, манго, банан, кокосовая пальма, черный перец.
2. Восточноазиатский (20%) 3. Юго-Западноазиатский (14%)	Соя, просо, овес, гречиха, чумиза, редька, персик, чай, актинидия. Пшеница, рожь, горох, чечевица, лен, конопля, дыня, яблоня, груша, слива, абрикос, вишня, виноград, миндаль, гранат, инжир, лук, чеснок, морковь, репа, свекла.
4. Средиземноморский (11%)	Пшеница, овес, рожь, капуста, сахарная свекла, укроп, петрушка, маслина, лавр, малина, дуб пробковый, клевер, вика.
5. Абиссинский	Сорго, твердая пшеница, рожь, ячмень, кунжут, хлопчатник, клещевина, кофе, финиковая паль­ма, масличная пальма.
6. Центральноамерикан­ский	Кукуруза, фасоль, картофель, тыква, батат, перец, хлопчатник, табак, махорка, сизаль (волокнистая агава), авокадо, какао, орех-пекан.
7. Андийский (Южноаме­риканский)	Картофель, кукуруза, ячмень, амарант, арахис, томат, тыква, ананас, папайя, маниок, гевея, хинное дерево, фейхоа, кока, бразильский орех (бертоллеция).

Н.И. Вавилов вначале выделил 8 центров происхождения культурных растений с рядом подцентров, но в более поздних работах укрупнил их в 7 основ­ных первичных центров (см. табл. 4 и рис. 42).

Большинство центров совпадают с древними очагами земледелия, при­чем это преимущественно горные, а не равнинные районы. Ученый выделил первичные и вторичные центры происхождения культурных растений. Первич­ные центры — это родина культурных растений и их диких предков. Вторич­ные центры — это районы возникновения новых форм уже не от диких пред­ков, а от предшествующих культурных форм, сосредоточенных в одном геогра­фическом месте, нередко далеком от первичного центра.

Не все культурные растения возделываются в местах своего происхожде­ния. Миграции народов, мореплавание, торговля, экономические и природные факторы во все времена способствовали многочисленному перемещению растений в другие районы Земли.

Растущий в Эфиопии дикий вид кофе (Coffea arabica) стал важнейшей широко рас­пространенной культурой в Латинской Америке. Арахис, родина которого — Север­ная Аргентина и Южная Боливия, выращивается теперь на огромных площадях в Тропической Африке. Дикорастущая в Амазонии гевея (дерево-каучуконос) одомашнена в Юго-Восточной Азии. Первичным центром подсолнечника масличного (Helianthus annuusj является Северная Америка, где он и сейчас распространен в диком виде, но Россия, куда он попал в XVII в., стала родиной уже культурного грызового и маслично­го подсолнечника. Первичный центр цитрусовых находится в Гималаях и Юго-Восточ­ной Азии, а вторичные центры возникли в Испании, Италии и Америке. Подобных примеров множество.

В иных местообитаниях растения изменялись и давали начало новым формам культурных растений. Их разнообразие объясняется мутациями и ре­комбинациями, появляющимися в связи с произрастанием растений в новых условиях.

Исследование происхождения культурных растений привело Н.И. Вавило­ва к выводу, что центры формообразования важнейших растительных культур в значительной мере связаны с очагами человеческой культуры и с центрами разнообразия домашних животных. Многочисленные зоологические исследо­вания подтвердили этот вывод.

Учение о происхождении и эволюции культурных растений считается одним из существенных разделов селекции. Н.И. Вавилов писал, что вся селекци­онная работа, начиная с исходного материала, установления основных областей происхождения видов и кончая созданием новых сортов, является, по существу, новым этапом в эволюции растений, а саму селекцию можно рассматривать как эволюцию, направляемую волей человека.

 

1. Поясните, в чем заключается различие между первичным и вторич­ным центрами происхождения культурных растений.

2*. Какое значение для практической селекции имеет учение о цент­рах происхождения культурных растений?

3. Какие закономерности выявил Н.И. Вавилов, исследуя центры происхождения культурных растений?

 

§ 30 Особенности селекции животных

Селекция животных — особая отрасль сельскохозяйственного произ­водства. Она проводится с целью увеличения плодовитости и продуктивнос­ти домашних животных или выведения новых пород с нужными человеку свойствами.

Домашние животные разводятся человеком с разными целями: для получения продовольственных продуктов (мясо, молоко, яйца), промыш­ленного сырья (шерсть, кожа, перо и др.), как тягловое и транспортное сред­ство, для удовлетворения многих других потребностей, в том числе эстети­ческих.

Искусственный отбор и последующее применение различных способов селекции создали те специализированные формы домашних животных, кото­рые используются человеком и в настоящее время в разных частях света.

В различные периоды жизни человеком были одомашнены многие животные: большин­ство видов крупного рогатого скота, лошади, овцы, свиньи, куры, утки, собаки, кошки, кролики и др. Первыми одомашниванию (приручению и разведению) подвергались животные, ведущие стадный или стайный образ жизни. Позже стали одомашнивать и животных, ведущих одиночный образ жизни: пушных зверей (соболь, серебристая лисица, норки, нутрия), виды, перспективные в продовольственном направлении (ан­тилопа, лось, марал, пятнистый олень, сазан), дающие лечебные яйца (перепел), а так­же отвечающие декоративным целям (птицы: волнистые попугайчики, канарейки; рыбы: гуппи, скалярии, мечехвосты и др.). В наши дни повторно происходит одомашнивание страуса для получения мяса, яиц и перьев.

Одомашнивание, или доместикация (лат. domesticus— «домашний»), живот­ных началось еще на заре истории человечества, т. е. более 10 тыс. лет назад. С ростом оседлости населения Земли этот процесс значительно ускорился и уве­личился по охвату приручаемых видов.

Районы одомашнивания животных совпадают с центрами происхожде­ния культурных растений.

Об этом писал Н.И. Вавилов, о том же свидетельствуют современные зоологические и археологические исследования и находки. Например, в райо­не Южноазиатского центра культурных растений были одомашнены собака, свинья, куры, гуси, утки, тутовый шелкопряд и индийский слон; в Юго-Западно-азиатском центре — овцы, козы, верблюд. В Средиземноморье (полагают, что это произошло в Греции) был одомашнен тур — предок европейских ви­дов крупного рогатого скота; в степях Причерноморья — лошади. В районе Южноамериканского центра вошли в состав домашних животных лама, альпака и индейка.

На первых этапах одомашнивание осуществлялось бессознательно. Люди оставля­ли нужных им животных без специальной цели изменить их свойства. Например, со­храняли для разведения лишь животных неагрессивных или способных размножать­ся в неволе. Человек бессознательным отбором сохранял и разводил полезных ему животных, изменяя их поведение, приучая к жизни в особых, домашних услови­ях. Но постепенно, как и в случае с растениями, человек перешел к осознанному способу изменения признаков у животных, их селекции.

Еще не зная законов наследственности, но опираясь на опыты разведения животных (от лучших производителей может быть лучшее потомство), человек стал сознательно осуществлять их отбор с заранее планируемой целью — полу­чить у потомства животных специальные признаки и свойства, которые соот­ветствуют запросам человека. Этот сознательный, методический искусствен­ный отбор послужил началом селекции животных. Вспомните пример родо­словной лошадей, записанной 6 тыс. лет назад в Двуречье (§ 17).

Искусственный отбор и селекция обеспечили большое разнообразие спе­циализированных форм домашних животных. У животных существенно изме­нялись морфофизиологические признаки (окраска, размеры и масса, общая форма тела, волосяной покров, жироотложение, плодовитость) и поведение.

Ученые отмечают, что особенно показательным признаком одомашнивания животных явилось уменьшение их головного мозга. Изменилось и поведение: домашние живот­ные утратили ряд инстинктов своих диких предков, связанных с необходимостью ори­ентироваться в окружающей среде, добывать пищу, выращивать потомство, но стали более спокойными, продуктивными и плодовитыми.

Со временем отбор и селекция обеспечи­ли у одомашненных видов большое разнообра­зие пород, т. е. групп животных, характеризу­ющихся сходным генотипом (и нормой реак­ции), определяющим их специализацию и про­дуктивность (рис. 43).

В селекционной работе всегда важно представлять конечную цель, к которой стре­мится селекционер. Эта цель определяет вы­бор методов и направлений селекции.

 

Общие основы в селекции животных те же, что и в селекции растений. Но из-за свое­образия свойств животного организма в этой области есть свои особенности.

Так, в селекции животных не использует­ся самооплодотворение и вегетативное раз­множение. Селекция животных всегда связана с подбором племенных производителей по нуж­ным человеку признакам. В подборе особей для скрещивания непременно учитывается их генотип по родословным, в которых отмеча­ются все признаки предков производителей, интересующие селекционера. Число особей в потомстве животных невелико, поэтому каж­дая гибридная особь представляет большую ценность для выявления новых признаков и свойств. Важен также учет совокупности на­ружных форм животного — его экстерьера, по­тому что многие признаки, например продук­тивности (молочность, мясистость), связаны с определенным строением тела. Данное об­стоятельство обязывает в селекции животных особое внимание уделять корре­ляционной (взаимосвязанной) зависимости между отдельными признаками, т. е. учитывать сцепленное наследование признаков.

В птицеводстве селекционеры стараются выявить и закрепить сцепленные с полом признаки, которые проявляются уже у суточных цыплят. Ведь очень важно в самом раннем возрасте отобрать будущих кур-несушек и отсадить от них петушков для выращивания на племя или для откорма на мясо. Поэтому для выявления пола цып­лят используют ген медленной оперяемости — курочки быстрее обрастают пером, чем петушки, и это заметно уже в первые дни после вылупления. В яичном птице­водстве часто используют сцепленную с полом окраску пера.

В гибридизации животных особенно широко употребляют два типа скре­щивания: близкородственное (инбридинг) и неродственное (аутбридинг).

Инбридинг (от англ. in — «внутри» и breeding— «разведение») — скрещива­ние особей, имеющих общих предков. Общность происхождения, родство скре­щиваемых организмов увеличивают вероятность присутствия одних и тех же аллелей любых генов. Это ведет к увеличению числа гомозиготных организмов, что важно для сохранения признаков, ценных с хозяйственной точки зрения.

Аутбридинг (англ. out — «вне») — скрещивание неродственных особей одного и того же вида. Неродственность подразумевает отсутствие общих предков в ближайших 4-6 поколениях. Аутбридинг противопоставляется ин­бридингу, так как в связи с неродственностью особей при их скрещивании увеличивается вероятность присутствия у них разных аллелей определенных генов. Аутбридинг используется для повышения или сохранения определен­ной степени гетерозиготности особей.

Современные методы селекции животных. В последние годы селек­ция животных обогатилась новыми методами улучшения пород.

1. В методике скрещивания стали применять искусственное осеменение.

2. При разведении сельскохозяйственных животных и в рыбоводстве увеличение потомства ценных животных-производителей достигается путем создания условий для одновременного созревания нескольких яйцеклеток. Яйцеклетки извлекаются после оплодотворения и пересаживаются прием­ным матерям менее ценных пород или менее продуктивным женским особям той же породы.

3. В настоящее время в селекции активно внедряются методы клонирова­ния — выращивания организмов из одной клетки.

4. С помощью мутагенов получают мутации, вызывающие мужскую сте­рильность (используемые далее в селекционных программах), или маркируют (метят) хромосомы рецессивными летальными генами, что позволяет контро­лировать сохранение потомства одного нужного пола.

Например, индуцированные гамма-лучами перестройки хромосом успешно исполь­зуются в селекции тутового шелкопряда. Известно, что коконы самцов этого шелко­пряда на 25-30% продуктивнее коконов самок (длина нити, целостность кокона, уложенность нити в коконе и пр.). Поэтому шелководы стремятся выкармливать и раз­водить преимущественно самцов. Обработанные гамма-лучами самцы при скрещи­вании с любой здоровой самкой шелкопряда обеспечивают гибель всего женского потомства и сохранность мужского. Таким же способом обрабатываются самцы неко­торых насекомых-вредителей сельскохозяйственных культур и растений леса для био­логической борьбы с ними.

Современные методы практической селекции, основанные на знаниях генетики, раздвинули рамки возможностей создания новых, нужных че­ловеку признаков и свойств у домашних животных.

 

1. Зачем в животноводческих хозяйствах ведут строгий учет призна­ков потомков на протяжении ряда поколений?

2*. Почему центры одомашнивания животных совпадают с центрами происхождения культурных растений?

3. Замените выделенные слова в каждом утверждении одним термином.

• Превращение диких животных в домашних путем приручения, содержа­ния и разведения обусловило развитие животноводства как отрасли сельского хозяйства.

• Близкородственное скрещивание особей, имеющих общих предков, широ­ко используется в гибридизации животных.

4. Завершите высказывание.

• Для повышения или сохранения определенной степени гетерозиготности особей в селекции животных используется...

 

§ 31 Основные направления селекции микроорганизмов

Микроорганизмы (микробы) — бактерии, микроскопические грибы и простейшие — играют важную роль в жизни природы и человека. Они ис­пользуются в разных областях промышленности (в хлебопечении и виноделии, в производстве кормового белка, молочнокислых продуктов, антибиотиков, витаминов, гормонов, аминокислот, ферментов), в сельском хозяйстве (при производстве силоса), для биологической защиты растений и очистки сточ­ных вод. В связи с этим развивается промышленная микробиология и ведется интенсивная селекционная работа по выведению новых штаммов микроорга­низмов с повышенной продуктивностью веществ, необходимых человеку.

Микроорганизмам свойственна наследственная изменчивость — мута­ции. С помощью отбора мутаций создаются активные штаммы микроорганиз­мов, ценных для человека. Особенно широко и успешно в создании новых штаммов используется искусственный (индуцированный) мутагенез.

Путем обработки плесневых грибов актиномицетов мутагенами получают различ­ные антибиотики, используемые в медицине для спасения жизни людей при самых различных заболеваниях. Искусственный мутагенез обеспечил создание целого ряда высокопродуктивных штаммов микроорганизмов, вырабатывающих витамины (например, витамины В₂, В₁₂), белки и аминокислоты намного эффективнее, чем это делают их исходные формы.

Мутационная селекция микроорганизмов сыграла большую роль в развитии микро­биологической промышленности. Промышленным путем на основе массового выра­щивания низших грибов и бактерий при создании штаммов-продуцентов производят белково-витаминные концентраты, антибиотики, витамины, гормоны, аминокислоты и другие биологически активные вещества.

Методы селекции микроорганизмов. В основном это те же методы, ко­торые используются и в селекции других организмов. Но микроскопические размеры и огромная скорость размножения микроорганизмов обусловливают разработку особых методов, ускоряющих процесс получения новых высоко­продуктивных штаммов.

Генная инженерия представляет собой целенаправленные манипуляции с генетическим материалом в клетках микроорганизмов — это совокупность методов воздействия на ДНК, позволяющих переносить наследственную инфор­мацию из одного организма в другой. В частности, создаются новые комбина­ции генетического материала, способного, размножаясь в клетке-хозяине, син­тезировать вещества, которые человек использует для своих нужд. Новые комбинации генетического материала сначала осуществляют in vitro, т. е. в про­бирке. Путем гибридизации молекул ДНК от разных одноклеточных организ­мов получают молекулы, в которых содержатся новые, ранее отсутствовавшие в ней гены. Созданная таким способом гибридная молекула ДНК затем вводит­ся в клетку-хозяина (обычно бактерий или дрожжей), которая после введения начинает синтезировать белок, кодируемый этими генами. Поскольку бакте­рии размножаются очень быстро, то таким способом удается получить сразу много идентичных копий от нужного гена и, следовательно, путем биосинтеза создать много нужных человеку веществ.

Один из методов генной инженерии, получивший развитие в наше время, — созда­ние гибридной (рекомбинантной) ДНК. Для этого ДНК одного организма вводятся в клетки другого организма. Например, гены высших организмов вносят в бактери­альные клетки. Сначала ген, предназначенный к переносу, вводят в кольцевую мо­лекулу ДНК и сращивают с ней. Затем такая гибридная ДНК помещается в бакте­риальную клетку, где ведет себя так же, как хромосома. Новый ген в гибридной ДНК перед делением клетки реплицируется (удваивается) вместе с бактериальной ДНК, а сама бактерия получает возможность вырабатывать белок, кодируемый ее новой ДНК (рис. 44).

Таким путем получают белок инсулин, необходимый больным диабе­том; интерферон, подавляющий размножение вирусов; антиген вируса гепати­та, необходимый для борьбы с этим инфекционным заболеванием; гормоны роста человека и другие важные биологические вещества.

Многие из этих лечебных средств раньше получали только одним, весьма трудоемким путем — экстрагируя (вытягивая) из клеток человека. Но в середине 80-х гг. XX в. сред­ствами генной инженерии удалось ввести в бактериальные клетки три гена человека, ответственных за синтез интерферона. Это позволило наладить его промышленное производство, выпускать в достаточном количестве и продавать по доступной цене. Подобные манипуляции были произведены и с другими генами, контролирующими синтез необходимых человеку биологически ценных веществ.

 

Клеточная инженерия — это метод конструирования клеток нового типа путем гибридизации их содержимого. При гибридизации искусственно объе­диняют целые клетки разных организмов, создавая новый гибридный геном (совокупность генов в гаплоидном наборе хромосом вида). Также путем мани­пуляций (реконструкции) создают новую жизнеспособную клетку из отдель­ных фрагментов разных клеток (ядра, цитоплазмы, хромосом и др.) пересадкой ядер, слиянием протопластов (т. е. всего содержимого клетки без ядра и кле­точной стенки) клеток разных видов.

Клеточная инженерия позволяет соединять в одной клетке наследствен­ные материалы очень далеких видов, даже принадлежащих к разным царствам.

Использование живых клеток и биологических процессов для получения веществ, необходимых человеку, называют биотехнологией (от греч. bios — «жизнь», techne— «мастерство» и logos — «учение»).

Генная и клеточная инженерия — это два направления биотехнологии. Они имеют важное практическое значение в микробиологической промыш­ленности для синтеза биологически активных веществ, нужных человеку.

Селекция микроорганизмов имеет важное значение для решения многих проблем микробиологической промышленности, а также для медицины, производства лекарств, сельскохозяйственной индустрии, для разработ­ки методов и средств очистки окружающей среды от загрязнений.

 

1. Какие методы применяются в селекции микроорганизмов?

2. В чем отличие генной инженерии от клеточной инженерии?

3*. Сравните методы селекционной работы для получения гибридов у растений и микроорганизмов.

4. Какое значение в народном хозяйстве имеет биотехнология?

 

Краткое содержание главы

Селекция — это наука и практика создания новых пород, сортов и штам­мов организмов. Теоретической основой селекции является генетика. В селек­ции нашли практическое воплощение законы наследственности и изменчиво­сти организмов.

Все культурные растения и домашние животные происходят от диких предков. Одомашнивание растений и животных началось на Земле в центрах происхождения культурных видов, совпадающих с центрами развития циви­лизации. Учение о центрах происхождения культурных видов создал отечест­венный ученый Н.И. Вавилов.

Одомашнивание растений и животных происходило искусственным от­бором, вначале бессознательным, но позже люди стали применять селекцию для улучшения качеств культурных растений и домашних животных. Основ­ными методами в селекции культурных видов растений и животных являются искусственный отбор, мутагенез, гибридизация и полиплоидия.

В последние годы стала активно развиваться селекция микроорганизмов. Она ведется теми же основными методами селекции, но способность микро­организмов очень быстро размножаться позволила широко внедрить в их селекцию методы генной и клеточной инженерии, представляющие новое на­правление в промышленном производстве — биотехнологию. Биотехнология, используя достижения биологии, генетики, экологии, микробиологии, молеку­лярной биологии, биохимии, иммунологии, широко развивается в настоящее время во всех странах.

 

Проверьте себя

1. Что называют сортом, породой, штаммом?

2. Какие особенности характерны для гетерозисных организмов?

3. Каковы отношения между искусственным отбором и селекцией?

4. Какую роль в народном хозяйстве выполняет селекция микроорга­низмов?

5. Назовите основные методы селекции.

6. Назовите известные вам сорта плодовых или овощных растений, пород животных.

 

Проблемы для обсуждения

1. Охарактеризуйте положительные и отрицательные стороны ин­бридинга у животных.

2. Почему мужская стерильность оказывается полезной при селекции некоторых культур?

3. Раскройте роль спонтанных и искусственных мутаций в селекции а) растений; б) животных; в) микроорганизмов.

4. Почему из большого разнообразия видов животных, обитающих на Земле, человек отобрал для одомашнивания очень немного видов?

 

Основные понятия