Основи селекції

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати


Зміст

Введення

1. Теоретичні основи селекції

2. Значення селекції

3. Селекція рослин, методи

4. Селекція тварин, методи

5. Селекція мікроорганізмів, методи

6. Біотехнологія, генетична та клітинна інженерія

Висновок

Список літератури

Додаток 1

Додаток 2

Додаток 3

Додаток 4

Введення

Селекція (від лат. - Вибір, добір) - це наука про шляхи та методи створення нових і поліпшення вже існуючих сортів культурних рослин, порід свійських тварин і штамів мікроорганізмів з цінними для практики ознаками і властивостями.

Завдання селекції випливають з її визначення - це виведення нових і вдосконалення вже існуючих сортів рослин, порід тварин і штамів мікроорганізмів. Сортом, породою і штамом називають стійку групу (популяцію) живих організмів, штучно створену людиною і має певні спадкові особливості. Всі особини всередині породи, сорту і штаму мають подібні, спадково закріплені морфологічні, фізіолого-біохімічні та господарські ознаки і властивості, а також однотипну реакцію на фактори зовнішнього середовища. Основними напрямками селекції є:

  1. висока врожайність сортів рослин, плодючість та продуктивність порід тварин;

  2. якість продукції (наприклад, смак, зовнішній вигляд, лежкість плодів і овочів, хімічний склад зерна - вміст білка, клейковини, незамінних амінокислот і т. д.);

  3. фізіологічні властивості (скоростиглість, посухостійкість, зимостійкість, стійкість до хвороб, шкідників і несприятливих кліматичних умов);

  4. інтенсивний шлях розвитку (у рослин - чуйність на добрива, полив, а у тварин - «оплата» корми і т. п.).

Мета даної роботи - вивчити селекцію та її види.

Завдання:

  • розглянути теоретичні основи селекції;

  • вивчити питання селекцію рослин, тварин і мікроорганізмів.

1. Теоретичні основи селекції

В останні роки особливе значення набуває селекція ряду комах і мікроорганізмів, що використовуються з метою біологічної боротьби з шкідниками і збудниками хвороб культурних рослин.

Селекція повинна враховувати також і потреби ринку збуту сільськогосподарської продукції, задоволення конкретних галузей промислового виробництва. Наприклад, для випічки хліба високоякісного з еластичним м'якушкою і хрусткою скоринкою необхідні сильні (склоподібні) сорти м'якої пшениці, з великим вмістом білка і пружною клейковини. Для виготовлення вищих сортів печива потрібні хороші борошнисті сорти м'якої пшениці, а макаронні вироби, ріжки, вермішель, локшина, виробляються з твердої пшениці.

Яскравим прикладом селекції з урахуванням потреб ринку служить хутрове звірівництво. При вирощуванні таких цінних звірів, як норка, видра, лисиця, відбираються тварини з генотипом, відповідним постійно мінливій моді відносно забарвлення і відтінків хутра.

У цілому розвиток селекції повинно бути засноване на законах генетики як науки про спадковість і мінливість, оскільки властивості живих організмів визначаються їх генотипом і схильні до спадкової та модифікаційної мінливості.

Теоретичною основою селекції є генетика. Саме генетика прокладає шляхи ефективного управління спадковістю та мінливістю організмів. Разом з тим селекція спирається і на досягнення інших наук: систематики та географії рослин і тварин, цитології, ембріології, біології індивідуального розвитку, молекулярної біології, фізіології та біохімії. Бурхливий розвиток цих напрямів природознавства відкриває абсолютно нові перспективи. Вже на сьогоднішній день генетика вийшла на рівень цілеспрямованого конструювання організмів з потрібними ознаками і властивостями.

Генетиці належить визначальна роль у розв'язанні практично всіх селекційних завдань. Вона допомагає раціонально, на основі законів спадковості і мінливості, планувати селекційний процес з урахуванням особливостей успадкування кожного конкретного ознаки. Досягнення генетики, закон гомологічних рядів спадкової мінливості, застосування тестів для ранньої діагностики селекційної перспективності вихідного матеріалу, розробка різноманітних методів експериментального мутагенезу і віддаленій гібридизації в поєднанні з поліплоїдізації, пошук методів управління процесами рекомбінації та ефективного відбору найбільш цінних генотипів з потрібним комплексом ознак і властивостей дали можливість розширити джерела вихідного матеріалу для селекції. Крім того, широке використання в останні роки методів біотехнології, культури клітин і тканин дозволили значно прискорити селекційний процес і поставити його на якісно нову основу. Цей далеко не повний перелік вкладу генетики в селекцію дає уявлення про те, що сучасна селекція немислима без використання досягнень генетики.

Успіх роботи селекціонера в значній мірі залежить від правильності вибору вихідного матеріалу (видів, сортів, порід) для селекції, вивчення його походження й еволюції, використання в селекційному процесі організмів з цінними ознаками і властивостями. Пошук потрібних форм ведеться з урахуванням усього світового генофонду в певній послідовності. Перш за все, використовуються місцеві форми з потрібними ознаками і властивостями, потім застосовуються методи інтродукції та акліматизації, тобто залучаються форми, які ростуть в інших країнах або в інших кліматичних зонах і, нарешті, методи експериментального мутагенезу та генетичної інженерії 1.

З метою вивчення різноманіття та географічного поширення культурних рослин М. І. Вавілов з 1924 р. і до кінця 30-х рр.. організував 180 експедицій по самим важкодоступним і часто небезпечними районами земної кулі. У результаті цих експедицій М. І. Вавілов вивчив світові рослинні ресурси і встановив, що найбільшу різноманітність форм виду зосереджено в тих районах, де цей вид виник. Крім того, була зібрана унікальна, найбільша в світі колекція культурних рослин (до 1940 р. колекція включала 300 тис. зразків), які щорічно розмножуються в кол лекціях Всеросійського інституту рослинництва імені М. І. Вавілова (ВІР) і широко використовуються селекціонерами як вихідний матеріал для створення нових сортів зернових, плодових, овочевих, технічних, лікарських та інших культур.

На підставі вивчення зібраного матеріалу Вавілов виділив 7 центрів походження культурних рослин (Додаток 1). Центри походження найважливіших культурних рослин пов'язані з древніми вогнищами цивілізації і місцем первинного обробітку та селекції рослин. Подібні осередки одомашнення (центри походження) виявлені й у домашніх тварин.

2. Значення селекції

Цілі і завдання селекції як науки обумовлені рівнем агротехніки і зоотехніки, рівнем індустріалізації рослинництва і тваринництва. Наприклад, в умовах дефіциту прісної води вже виведені сорти ячменю, які дають задовільні врожаї при зрошенні морською водою. Виведено породи курей, які не знижують продуктивності в умовах великої скупченості тварин на птахофабриках. Для Росії дуже важливим є створення сортів, продуктивних в умовах морозу без снігу при ясній погоді, пізніх заморозків і т. д.

Одним з найважливіших досягнень людини на зорі його становлення і розвитку було створення постійного і досить надійного джерела продуктів харчування шляхом одомашнення диких тварин та обробітку рослин. Головним чинником одомашнення служить штучний відбір організмів, що відповідають вимогам людини. У культурних форм рослин і тварин сильно розвинені окремі ознаки, часто непотрібні або навіть шкідливі для їхнього існування в природних умовах, але корисні для людини. Наприклад, здатність деяких порід курей давати більше 300 яєць на рік позбавлена ​​біологічного сенсу, оскільки така кількість яєць курка не зможе висиджувати. Продуктивність всіх культурних рослини також значно вище, ніж у споріднених диких видів, але разом з тим вони гірше адаптуються до постійно мінливих умов середовища і не мають засобів захисту від поїдання (гірких або отруйних речовин, шипів, колючок і т. п.). Тому в природних умовах культурні, тобто одомашнені форми існувати не можуть.

Одомашнення призвело до послаблення дії стабілізуючого відбору, що різко підвищило рівень мінливості: і розширювало його спектр. При цьому одомашнення супроводжувалося відбором, спочатку несвідомим (відбір тих особин, які краще виглядали, мали більш сумирний вдачу, володіли іншими цінними для людини якостями), потім усвідомленим, або методичним. Широке використання методичного відбору спрямоване на формування у рослин і тварин певних якостей, що задовольняють людини. Досвід багатьох поколінь людей дозволив створити методи та правила відбору і сформувати селекцію як науку.

Процес одомашнення нових видів рослин і тварин для задоволення потреб людини продовжується і в наш час. Наприклад, для отримання модною і високоякісної хутра в нинішньому столітті створена нова галузь тваринництва - хутрове звірівництво.

3. Селекція рослин, методи

На відміну від селекції мікроорганізмів селекція рослин не оперує мільйонами і мільярдами особин і швидкість їх розмноження вимірюється не хвилинами і годинами, а місяцями й роками. Однак у порівнянні з селекцією тварин, де кількість нащадків одинично, селекція рослин знаходиться в більш вигідному становищі. Крім того, розрізняються і методичні підходи до селекції само-і перекрестноопиляющіхся рослин, що розмножуються вегетативним і статевим шляхом, одно-і багаторічних рослин і т. д.

Основними методами селекції рослин є відбір та гібридизація. Для відбору необхідна наявність гетерогенності, тобто відмінностей, різноманітності у використовуваній групі особин. В іншому випадку відбір не має сенсу, він буде неефективний, Тому спочатку здійснюється гібридизація, а потім після появи розщеплення - відбір.

У випадку, якщо селекціонеру не вистачає природного різноманіття ознак, існуючого генофонду, він використовує штучний мутагенез (отримує генні, хромосомні або геномні мутації - поліплоїди), для маніпуляцій з окремими генами - генетичну інженерію, а для прискорення селекційного процесу - клітинну. Однак класичними методами селекції були і залишаються гібридизація і добір.

Розрізняють дві основні форми штучного відбору: масовий і індивідуальний.

Масовий відбір - це виділення цілої групи особин, що володіють цінними ознаками. Найчастіше він використовується при роботі з перекрестноопиляемимі рослинами. У цьому випадку сорт не є гомозиготним. Це сорт-популяція, що володіє складною гетерозиготність за багатьма генами, що забезпечує йому пластичність у складних умовах середовища і можливість прояву гетерозисного ефекту. Основною перевагою методу є те, що він дозволяє порівняно швидко і без великих витрат сил покращувати місцеві сорти, а недоліком - те, що не може контролюватися спадкова обумовленість відбираються ознак, в силу чого часто нестійкі результати відбору.

Схрещування, при якому батьківські форми відрізняються тільки по одній парі альтернативних ознак, називається моногибридном. Мендель до схрещування різних форм гороху проводив їх самозапилення. При схрещуванні білоквітковий горохів з такими ж білоквітковий він отримував у всіх наступних поколіннях тільки білоквітковий. Аналогічна ситуація спостерігалася і у випадку пурпурноцветкових. При схрещуванні ж Горохів, що мають пурпурні квітки, з білоквітковий рослинами всі гібриди першого покоління Р 1 мали пурпурні квітки, але при їх самозапиленні серед гібридів другого покоління Р 2 крім пурпурноцветкових рослин (три частини) з'являлися й білоквітковий (одна частина) (Додаток 2) .

Схрещування, при якому батьківські форми відрізняються по двох парах альтернативних ознак (по двох парах алелів), називається дигибридном.

Проводячи схрещування гомозиготних батьківських форм, які мають жовті насіння з гладкою поверхнею і зелені насіння з зморшкуватою, Мендель одержав всі рослини з жовтими гладкими насінням і зробив висновок, що ці ознаки є домінантними. У другому поколінні після самозапилення гібридів Р 1 він спостерігав наступне розщеплення: 315 жовтих гладких, 101 жовтих зморшкуватих, 108 зелених гладких і 32 зелених зморшкуватих. Використовуючи інші гомозиготні батьківські форми (жовті зморшкуваті і зелені гладкі), Мендель одержав аналогічні результати і в першому, і в другому поколіннях гібридів, тобто розщеплення у другому поколінні відносно 9: 3: 3: 1 (Додаток 3).

При індивідуальному відборі отримують потомство від кожної рослини окремо при обов'язковому контролі успадкування цікавлять ознак. Він застосовується у самоопилітелей (пшениця, ячмінь). Результатом індивідуального відбору є збільшення числа гомозигот. Це пов'язано з тим, що при самозапиленні гомозигот будуть утворюватися тільки гомозиготи, а половина нащадків самозапилення гетерозигот також будуть гомозиготами. При індивідуальному відборі формуються чисті лінії. Чисті лінії - це група особин, що є нащадками однієї гомозиготною самозапилення особини. Вони володіють максимальним ступенем гомозиготності. Однак абсолютно гомозиготних особин практично не буває, так як безперервно відбувається мутаційний процес, що порушує гомозиготність. Крім того, навіть найсуворіші самоопилітелі іноді можуть перезапилюватися перехресно. Це підвищує їх пристосованість до умов і виживання, оскільки народу з штучним відбором на всі органічні форми діє і природний.

Природний відбір відіграє важливу роль в селекції, так як при проведенні штучного відбору селекціонер не може уникнути того, щоб селекційний матеріал не піддавався впливу умов зовнішнього середовища. Більш того, селекціонерами часто залучається і природний відбір для добору форм, найбільш пристосованих до умов зростання - вологості, температури, стійкості до природних шкідників і хвороб 2.

Так як одним з методів селекції є гібридизація, то більшу роль відіграє вибір типу схрещувань, тобто система схрещувань.

Системи схрещування можуть бути розділені на два основних типи: близкородственное (інбридинг - розведення в собі) і схрещування між неспорідненими формами (аутбридинг - неродинне розведення). Якщо примусове самозапилення призводить до гомозиготизації, то неспоріднені схрещування - до гетерозіготізаціі нащадків від цих схрещувань.

Інбридинг, тобто примусове самозапилення перекрестноопиляющіхся форм, крім прогресуючої з кожним поколінням ступеня гомозиготності, призводить і до розпаду, розкладання вихідної форми на ряд чистих ліній. Такі чисті лінії будуть мати зниженою життєздатністю, що, мабуть, пов'язано з переходом з генетичного вантажу в гомозиготний стан всіх рецесивних мутацій, які в. основному є шкідливими.

Чисті лінії, отримані в результаті інбридингу, мають різні властивості. У них різні ознаки проявляються по-різному. Крім того, різна і ступінь зниження життєздатності. Якщо ці чисті лінії схрещувати між собою, то, як правило, спостерігається ефект гетерозису.

Гетерозис - явище підвищеної життєздатності, врожайності, плодючості гібридів першого покоління, що перевищують за цими параметрами обох батьків. Вже з другого покоління гетерозисний ефект згасає. Генетичні основи гетерозису не мають однозначного тлумачення, але передбачається, що гетерозис пов'язаний з високим рівнем гетерозиготності у гібридів чистих ліній (міжлінійні гібриди). Виробництво чістолінейного матеріалу кукурудзи з використанням так званої цитоплазматичної чоловічої стерильності було широко вивчено та поставлено на промислову основу в США. Її використання виключало необхідність каструвати квітки, видаляти пильовики, так як чоловічі квітки рослин, які використовуються в якості жіночих, були стерильні.

Різні чисті лінії володіють різною комбінаційної здатністю, тобто дають неоднаковий рівень гетерозису при схрещуваннях один з одним. Тому, створивши велику кількість чистих ліній, експериментально визначають найкращі комбінації схрещувань, які потім використовуються у виробництві.

Віддалена гібридизація - це схрещування рослин, що відносяться до різних видів. Віддалені гібриди, як правило, стерильні, що пов'язано з вмістом в геномі різних хромосом, які в мейозі НЕ кон'югують. У результаті цього формуються стерильні гамети. Для усунення даної причини в 1924 р. радянським ученим Г. Д. Карпеченко було запропоновано використовувати подвоєння числа хромосом у віддалених гібридів, яке призводить до утворення амфидиплоидов.

Таким методом крім тритикале були отримані багато цінні віддалені гібриди, зокрема багаторічні пшенично-пирійні гібриди та ін У таких гібридів у клітинах міститься повний диплоїдний набір хромосом одного і другого з батьків, тому хромосоми кожного батька кон'югують один з одним і мейоз проходить нормально. Шляхом схрещування з подальшим подвоєнням числа хромосом терену і аличі вдалося повторити еволюцію - провести ресинтез виду сливи домашньої.

Подібна гібридизація дозволяє повністю поєднати в одному виді не тільки хромосоми, а й властивості початкових видів. Наприклад, тритикале поєднує багато якості пшениці (високі хлібопекарські якості) і жита (високий вміст незамінної амінокислоти лізину, а також здатність рости на бідних піщаних грунтах).

Це один із прикладів використання в селекції поліплоїдії, точніше аллоплоідіі. Ще більш широко використовується автополіплоідія. Наприклад, у Білорусі обробляється тетраплоїдних жито, виведені сорти поліплоїдних овочевих культур, гречки, цукрового буряка. Всі ці форми мають більш високою врожайністю у порівнянні з вихідними формами, цукристістю (буряк), вмістом вітамінів та інших поживних речовин. Багато культур являють собою природні поліплоїди (пшениця, картопля та ін.)

Виведення нових високопродуктивних сортів рослин відіграє найважливішу роль у підвищенні врожайності та забезпечення населення продовольством. У багатьох країнах світу йде «зелена революція» - різка інтенсифікація сільськогосподарського виробництва за рахунок виведення нових сортів рослин інтенсивного типу. У нашій країні також отримані цінні сорти багатьох сільськогосподарських культур.

При використанні нових методів селекції отримані нові сорти рослин. Так, академіком М. В. Цицин шляхом віддаленої гібридизації пшениці з пирієм і подальшої поліплоїдізації виведені багаторічні пшениці. Такими ж методами отримані перспективні сорти нової зернової культури тритикале. Для селекції вегетативно розмножуваних рослин використовуються соматичні мутації (вони використовувалися і І. В. Мічуріним, але він називав їх почкових варіаціями). Широке застосування отримали багато методи І. В. Мічуріна після їх генетичного осмислення, хоча деякі з них теоретично так і не розроблені. Великі успіхи досягнуті у використанні результатів мутаційної селекції у виведенні нових сортів зернових, бавовнику та кормових культур. Проте найбільший внесок у всі оброблювані сорти внесли зразки колекції світового генофонду культурних рослин, зібрані М. І. Вавілов і його учнями.

4. Селекція тварин, методи

Хоча основні принципи селекції тварин істотно не відрізняються від принципів селекції рослин, все-таки вони мають ряд характерних особливостей. Так, у тварин існує тільки статеве розмноження, зміна поколінь відбувається рідко (через кілька років), кількість особин у потомстві невелика. У них особливо сильно виражено модифікуючий вплив факторів зовнішнього середовища і утруднений аналіз генотипу. Тому більшу роль набуває аналіз сукупності зовнішніх ознак, характерних для породи.

Одомашнення тварин почалося, ймовірно, 10 - 12 тис. років тому. Воно відбувалося в основному в тих же районах, де розташовані і центри різноманіття і походження культурних рослин. Одомашнення призвело до послаблення дії стабілізуючого відбору, що різко підвищило рівень мінливості й розширило його спектр. Тому одомашнення відразу ж супроводжувалося і відбором. Мабуть, спочатку це був несвідомий добір, тобто відбір тих особин, які краще виглядали, мали більш сумирний нрав і т. д. Однак поступово почав використовуватися відбір методичний, усвідомлений і направлений на формування у тварин певних якостей, що задовольняють ті чи інші потреби людини в даних конкретних природних і економічних умовах. Досвід багатьох поколінь дозволив створити методи і правила племінного відбору та підбору і сформувати селекцію тварин як науку.

Типи схрещування і методи розведення впроваджувалися в селекцію тварин часто шляхом екстраполяції з селекції рослин. Це було пов'язано з тим, що впровадження генетичних знань у селекцію рослин почалося набагато раніше, ніж в селекцію тварин через дорожнечу тварин об'єктів, меншої кількості їх у сім'ї і т. д. Така екстраполяція, що проводилася без урахування специфіки об'єкта, часто давала негативні результати. Так, зокрема, метод інбридингу був впроваджений з селекції рослин-самоопилітелей в селекцію тварин як основний метод, хоча пізніше було встановлено необгрунтованість його широкого використання, так як породи тварин скоріше відповідають сортам-популяціям перекрестноопилітелей. Породи є складними полігетерозіготнимі комплексами, генотипи усередині яких наведено у певну систему. Тому основний тип схрещувань - аутбридинг, хоча в селекції використовується і інбридинг - родинне схрещування між братами і сестрами або між батьками і потомством. Так як інбридинг веде до гомозиготності, то він послаблює тварин, знижує їх стійкість до умов середовища, підвищує захворюваність. Тим не менш, при виведенні нових порід часто виникає необхідність у інбридингу з метою закріплення в породі характерних господарсько цінних ознак, запобігання їх «розчинення», згладжування в неспоріднених схрещуваннях. Іноді його практикують навіть протягом кількох поколінь з метою отримання в чистому вигляді якогось важливої ​​ознаки, а потім обов'язково використовують аутбридинг і виводять гетерозисних потомство. Неродинне схрещування в межах породи і навіть між породами веде до підтримання та посилення цінних якостей породи, якщо таке схрещування супроводжується відбором характерних ознак (Додаток 4).

Гарним прикладом міжпородного схрещування може служити виведена академіком М. Ф. Івановим високопродуктивна порода свиней біла степова українська від схрещування місцевих безпородних українських свиней з високопродуктивними білими англійськими (на першому етапі). Потім застосовувалося повторне міжпородне схрещування, кілька поколінь інбридингу, що дав початок декільком відібраним чистим лініям, які були схрещені між собою. Таким чином, приділяючи належну увагу підбору вихідних виробників, їх якості, комбінуючи аутбридинг, інбридинг і використовуючи жорсткий відбір потомства по необхідних ознаками, селекціонер реалізує свою ідею, свої плани, своє уявлення про породу.

Основними методами аналізу спадкових господарсько цінних ознак у тварин виробників є аналіз екстер'єру та оцінка по потомству. Для виведення нової породи тварин, що володіє комплексом цінних ознак у відповідності з планом селекціонера і вимогами виробництва, велике значення мають правильний підбір і оцінка якості вихідних виробників. Оцінку проводять в першу чергу по екстер'єру, тобто фенотипу. Під екстер'єром розуміють всю сукупність зовнішніх форм і ознак тварин, включаючи їхню статуру, співвідношення частин тіла тварини і навіть масті і наявності для кожної породи своєї екстер'єрної «мітки». При цьому для досвідченого селекціонера несуттєві ознаки інтересу не представляють, їм вибираються головні. Але в той же час, дослідивши корелятивні зв'язки між ознаками, можна з чисто зовнішнім несуттєвим фенотипическим проявам простежити за успадкуванням важко контрольованих, пов'язаних з ними господарсько цінних ознак.

Так як підбір виробників у певному сенсі є вирішальним чинником, то щоб уникнути помилок селекціонерами часто використовується як би «пристрілювальний» попередній експеримент, суть якого полягає в оцінці виробників по потомству, що особливо важливо при оцінці ознак, не виявляються в самців. Для оцінки проводиться схрещування виробників-самців з декількома самками, визначаються продуктивність та інші якості потомства. Щоб оцінити якість спадковості, наприклад биків-виробників за жирномолочности, півнів за несучістю і т. д., ознаки отриманого потомства порівнюються з середньо-породними і материнськими ознаками.

Віддалена гібридизація домашніх тварин менш продуктивна, ніж у рослин, так як подолати стерильність віддалених гібридів неможливо, якщо вона проявляється. Правда, в деяких випадках віддалена гібридизація видів зі спорідненими хромосомними наборами не призводить до порушення мейозу, а веде до нормального злиття гамет і розвитку зародка у віддалених гібридів, що дозволило отримати деякі цінні породи, що поєднують корисні ознаки обох використаних у гібридизації видів. Наприклад, отримані породи тонкорунних архаромерінос, які, як і архари, можуть використовувати високогірні пасовища, недоступні для тонкорунних мериносів. Успішно завершилися спроби поліпшити породи місцевого великої рогатої худоби схрещуванням його з зебу і яками.

Слід зазначити, що не завжди необхідно домагатися плодовитого потомства від віддаленій гібридизації. Іноді корисні і стерильні гібриди, як, наприклад, століттями використовуються мули - стерильні гібриди коня і осла, що відрізняються витривалістю і довговічністю 3.

5. Селекція мікроорганізмів, методи

До мікроорганізмів відносяться, перш за все, прокаріоти (бактерії, актиноміцети, мікоплазми та ін) і одноклітинні еукаріоти - найпростіші, дріжджі й ін З понад 100 тис. видів, відомих у природі мікроорганізмів, у господарській діяльності людини використовується вже кілька сотень, і число це зростає. Якісний стрибок у їх використанні відбувся в останні 20-30 років, коли були встановлені багато генетичні механізми регуляції біохімічних процесів, що відбуваються в клітинах мікроорганізмів.

Мікроорганізми відіграють виключно важливу роль у біосфері і в житті людини. Багато хто з них продукують десятки видів органічних речовин - амінокислот, білків, антибіотиків, вітамінів, ліпідів, нуклеїнових кислот, ферментів, пігментів, Сахаров і т. п., широко використовуються в різних галузях промисловості та медицини. Такі галузі харчової промисловості, як хлібопечення, виробництво спирту, деяких органічних кислот, виноробство і багато інших, засновані на діяльності мікроорганізмів.

Мікробіологічна промисловість пред'являє до продуцентів різних сполук жорсткі вимоги, які важливі для технології виробництва: прискорене зростання, використання для життєдіяльності дешевих субстратів і стійкість до зараження мікроорганізмами. Наукова основа цієї промисловості - вміння створювати мікроорганізми з новими, заздалегідь певними генетичними властивостями і вміння використовувати їх у промислових масштабах.

Селекція мікроорганізмів (на відміну від селекції рослин і тварин) має ряд особливостей:

  • селекціонер є необмежену кількість матеріалу для роботи - за лічені дні в чашках Петрі або пробірках на поживних середовищах можна виростити мільярди клітин;

  • більш ефективне використання мутаційного процесу, оскільки геном мікроорганізмів гаплоїдний, що дозволяє виявити будь-які мутації вже в першому поколінні;

  • організація геному бактерій більш проста: менше генів у геномі, менш складна і генетична регуляція взаємодії генів.

Ці особливості накладають свій відбиток на методи селекції мікроорганізмів, які багато в чому істотно відрізняються від методів селекції рослин і тварин. Наприклад, в селекції мікроорганізмів зазвичай використовуються їх природні здібності синтезувати будь-які корисні для людини сполуки (амінокислоти, вітаміни, ферменти та ін.) У разі використання методів генної інженерії можна змусити бактерії та інші мікроорганізми продукувати ті сполуки, синтез яких у природних умовах їм ніколи не був властивий (наприклад, гормони людини і тварин, біологічно активні сполуки).

Природні мікроорганізми, як правило, володіють низькою продуктивністю тих речовин, які цікавлять селекціонера. Для використання в мікробіологічній промисловості потрібні високопродуктивні штами, які створюють різними методами селекції, у тому числі відбором серед природних мікроорганізмів.

Відбору високопродуктивних штамів передує цілеспрямована робота селекціонера з генетичним матеріалом вихідних мікроорганізмів. Зокрема, широко використовують різні способи рекомбінірованія генів: кон'югацію, трансдукція, трансформацію та інші генетичні процеси. Наприклад, кон'югація (обмін генетичним матеріалом між бактеріями) дозволила створити штам, здатний утилізувати вуглеводні нафти. Часто вдаються до трансдукції (перенос гена з однієї бактерії до іншої, за допомогою бактеріофагів), трансформації (перенесення ДНК, ізольованої з одних клітин, в інші) і ампліфікації (збільшення числа копій потрібного гена).

Так, у багатьох мікроорганізмів гени біосинтезу антибіотиків або їх регулятори знаходяться в плазміді, а не в основній хромосомі. Тому збільшення шляхом ампліфікації числа цих плазмід дозволяє істотно підвищити виробництва антибіотиків.

Найважливішим етапом в селекційній роботі є індукування мутацій. Експериментальне отримання мутацій відкриває майже необмежені перспективи для створення вихідного матеріалу в селекції. Імовірність (частота) виникнення мутацій у мікроорганізмів (10 -10 - 10 -6) нижче, ніж у всіх інших організмів (10 -6 -10 -4). Але ймовірність виділення мутацій з даного гену у бактерій значно вище, ніж у рослин і тварин, оскільки отримати багатомільйонний потомство у мікроорганізмів досить просто і швидко.

Для виділення мутацій служать селективні середовища, на яких здатні рости мутанти, але гинуть вихідні батьківські особини дикого типу. Проводиться так само відбір за забарвленням і формою колоній, швидкості росту мутантів і диких форм і т. д.

Відбір по продуктивності (наприклад, продуцентів антибіотиків) здійснюється за ступенем антагонізму і пригнічення росту чутливого штаму. Для цього штам-продуцент висівається на «газон» чутливої ​​культури. За розміром плями, де відсутній ріст чутливого штаму навколо колонії штаму-продуцента, судять про ступінь активності (в даному випадку антибіотичної). Для розмноження, природно, відбираються найбільш продуктивні колонії. У результаті селекції продуктивність продуцентів вдається збільшити в сотні - тисячі разів. Наприклад, комбінуючи мутагенез і відбір у роботі з грибом Penicillium, вихід антибіотика пеніциліну збільшили приблизно в 10 тис. разів у порівнянні з вихідним диким штамом.

Роль мікроорганізмів у мікробіологічній, харчовій промисловості, в сільському господарстві та інших областях важко переоцінити. Особливо важливо відзначити те, що багато мікроорганізмів для виробництва цінних продуктів використовують відходи промислового виробництва, нафтопродукти і тим самим роблять їх руйнування, оберігаючи від забруднення довкілля 4.

6. Біотехнологія, генетична та клітинна інженерія

Біотехнологія - це свідоме виробництво потрібних людині продуктів і матеріалів за допомогою живих організмів і біологічних процесів.

З незапам'ятних часів біотехнологія застосовувалася переважно в харчовій і легкій промисловості: у виноробстві, хлібопеченні, зброджуванні молочних продуктів, при обробці льону і шкір, заснованих на застосуванні мікроорганізмів. В останні десятиліття можливості біотехнології надзвичайно розширилися. Це пов'язано з тим, що її методи вигідніше Звичайних з тієї простої причини, що в живих організмах біохімічні реакції, каталізуються ферментами, йдуть при оптимальних умовах (температурі і тиску), більш продуктивні, екологічно чисті і не вимагають хімічних реактивів, отруйних середу.

Об'єктами біотехнології є численні представники груп живих організмів - мікроорганізми (віруси, бактерії, найпростіші, дріжджові гриби), рослини, тварини, а також ізольовані з них клітки і субклітинні компоненти (органели) і навіть ферменти. Біотехнологія базується на протікають в живих системах фізіолого-біохімічних процесах, в результаті яких здійснюються виділення енергії, синтез і розщеплення продуктів метаболізму, формування хімічних і структурних компонентів клітини.

Головним напрямом біотехнології є виробництво за допомогою мікроорганізмів і культивованих еукаріотичних клітин біологічно активних сполук (ферменти, вітаміни, гормони), лікарських препаратів (антибіотики, вакцини, сироватки, високоспецифічні антитіла та ін), а також цінних сполук (кормові добавки, наприклад, незамінні амінокислоти, кормові білки і т. д.). Методи генетичної інженерії дозволили здійснити синтез в промислових кількостях таких гормонів, як інсулін і соматотропін (гормон росту), які необхідні для лікування генетичних хвороб людини.

Одним з найважливіших напрямків сучасної біотехнології є також використання біологічних методів боротьби із забрудненням навколишнього середовища (біологічна очистка стічних вод, забрудненого грунту і т. п.).

Так, для вилучення металів із стічних вод можуть широко використовуватися штами бактерій, здатні накопичувати уран, мідь, кобальт. Інші бактерії пологів Rhodococcus і Nocardia з успіхом застосовують для емульгування та сорбції вуглеводнів нафти з водного середовища. Вони здатні розділяти водну і нафтову фази, концентрувати нафту, очищати стічні води від домішок нафти. Асимілюючи вуглеводні нафти, такі мікроорганізми перетворюють їх в білки, вітаміни з групи В і каротини.

Деякі з штамів галобактерій з успіхом застосовують для видалення мазуту з піщаних пляжів. Отримані також генно-інженерні штами, здатні розщеплювати октан, камфору, нафталін, ксилол, ефективно утилізувати сиру нафту.

Велике значення має використання методів біотехнології для захисту рослин від шкідників і хвороб.

Біотехнологія проникає у важку промисловість, де мікроорганізми використовуються для видобутку, перетворення і переробки природних копалин. Вже в давнину перший металурги отримували залізо з болотних руд, вироблених железобактериями, які здатні концентрувати залізо. Тепер розроблені способи бактеріальної концентрації ряду інших дених металів: марганцю, цинку, міді, хрому та ін Ці методи використовуються для розробки відвалів старих копалень і бідних родовищ, де традиційні методи видобутку економічно невигідні 5.

Генетична інженерія - один з найважливіших методів біотехнології. Вона передбачає цілеспрямоване штучне створення певних комбінацій генетичного матеріалу, здатних нормально функціонувати в клітці, тобто розмножуватися і контролювати синтез кінцевих продуктів. Можна виділити кілька різновидів методу генетичної інженерії в залежності від рівня та особливостей його використання.

Генетична інженерія використовується в основному на прокаріотів і мікроорганізмах, хоча останнім часом почала застосовуватися і на вищих еукаріот (наприклад, на рослинах). Цей метод включає виділення з клітин окремих генів або синтез генів поза клітинами (наприклад, на основі матричної РНК, синтезованої даним геном), спрямовану перебудову, копіювання і розмноження виділених або синтезованих генів (клонування генів), а також їх перенесення і включення в підлягає зміні геном. Таким шляхом можна домогтися включення в клітини бактерій «чужих» генів і синтезу бактеріями важливих для людини сполук. Завдяки цьому в геном кишкової палички вдалося ввести ген синтезу інсуліну з генома людини. Інсулін, синтезований бактеріями, використовується для лікування хворих на цукровий діабет.

Розвиток генетичної інженерії стало можливим завдяки відкриттю двох ферментів - рестриктаз, розрізають молекулу ДНК в суворо визначених ділянках, і лігази, зшиваючих шматочки різних молекул ДНК один з одним. Крім того, в основі генетичної інженерії лежить відкриття векторів, які являють собою короткі, самостійно розмножуються в клітинах бактерій кільцеві молекули ДНК. За допомогою рестриктаз і лігази в вектори і вбудовують необхідний ген, домагаючись згодом його включення в геном клітини-господаря.

Клітинна інженерія - це метод конструювання кліток нового типу на основі їх культивування, гібридизації та реконструкції. Вона базується на використанні методів культури клітин і тканин. Виділяються два напрямки клітинної інженерії: 1) використання клітин, переведених в культуру, для синтезу різних корисних для людини сполук; 2) застосування культивованих клітин для отримання з них рослин-регенерантів.

Рослинні клітини у культурі - це важливе джерело найцінніших природних речовин, тому що вони зберігають здатність синтезувати властиві їм речовини: алкалоїди, ефірні масла, смоли, біологічно активні сполуки. Так, переведені в культуру клітини женьшеню продовжують синтезувати, як і в складі цілісного рослини, цінна лікарська сировина. Причому, в культурі з клітинами і їх геномами можна проводити будь-які маніпуляції. Використовуючи індукований мутагенез, можна підвищувати продуктивність штамів культивованих клітин і проводити їх гібридизацію (у тому числі і віддалену) набагато легше і простіше, ніж на рівні цілісного організму. Крім цього, з ними, як і з прокариотическими клітинами, можна проводити генно-інженерні роботи.

Шляхом гібридизації лімфоцитів (клітин, що синтезують антитіла, але неохоче і недовго ростуть в культурі) з пухлинними клітинами, що володіють потенційним безсмертям і здатними до необмеженого росту в штучному середовищі, вирішена одна з найважливіших завдань біотехнології на сучасному етапі - отримані клітини гібридоми, здатні до нескінченного синтезу високоспецифічних антитіл певного типу.

Таким чином, клітинна інженерія дозволяє конструювати клітини нового типу з допомогою мутаційного процесу, гібридизації і, більше того, комбінувати окремі фрагменти різних кліток (ядра, мітохондрії, пластиди, цитоплазму, хромосоми і т. д.), клітини різних видів, що відносяться не тільки до різних родів, родин, а й царствам. Це полегшує вирішення багатьох теоретичних проблем і має практичне значення.

Клітинна інженерія широко використовується в селекції рослин. Виведено гібриди томата і картоплі, яблуні і вишні. Одержані з таких клітин рослини зі зміненою спадковістю дозволяють синтезувати нові форми, сорти, які мають корисними властивостями і стійкі до несприятливих умов середовища і хвороб. Цей метод широко використовується і для «порятунку» цінних сортів, уражених вірусними хворобами. З їхніх паростків у культурі виділяють кілька верхівкових клітин, ще не уражених вірусом, і домагаються регенерації з них здорових рослин спочатку в пробірці, а потім пересаджують у грунт і розмножують.

Висновок

Для того щоб забезпечити себе доброякісної їжею і сировиною і при цьому не привести планету до екологічної катастрофи, людству необхідно навчитися ефективно змінювати спадкову природу живих організмів. Тому не випадково головним завданням селекціонерів в наш час стало вирішення проблеми створення нових форм рослин, тварин і мікроорганізмів, добре пристосованих до індустріальних способів виробництва, стійко переносять несприятливі умови, що ефективно використовують сонячну енергію і, що особливо важливо, що дозволяють одержувати біологічно чисту продукцію без надмірного забруднення навколишнього середовища. Принципово новими підходами до вирішення цієї фундаментальної проблеми є використання в селекції генної та клітинної інженерії.

Біотехнологія вирішує не тільки конкретні завдання науки і виробництва. У неї є більш глобальна методологічна завдання - вона розширює і прискорює масштаби впливу людини на живу природу і сприяє адаптації живих систем до умов існування людини, тобто до ноосфери. Біотехнологія, таким чином, виступає в ролі потужного чинника антропогенного адаптивної еволюції.

У біотехнології, генетичної та клітинної інженерії багатообіцяючі перспективи. При появі все нових і нових векторів людина з їх допомогою буде впроваджувати потрібні гени в клітини рослин, тварин і людини. Це дозволить поступово позбутися багатьох спадкових хвороб людини, змусити клітини синтезувати необхідні ліки та біологічно активні сполуки, а потім - безпосередньо білки і незамінні амінокислоти, що споживаються в їжу.

Список літератури

  1. Біологія. / Н. П. Соколова, І. І. Андрєєва та ін - М.: Вища школа, 1987. 304с.

  2. Колесніков С.І. Екологія. - Ростов-на-Дону: Фенікс, 2003. - 384с.

  3. Лемеза Н.А., Камлюк Л.В., Лисов Н.Д. Біологія .- М.: Айрис-пресс, 2005. 512с.

  4. Петров Б.Ю. Загальна біологія. - СПб.: Хімія, 1999. - 420С

  5. Петров К.М. Взаємодія суспільства і природи: Навчальний посібник для вузів. - СПб: Хімія, 1998. - 408с.

Додаток 1

Центри походження культурних рослин (по М. І. Вавілова)

Центри походження

Розташування

Культурні рослини

Південноазійський тропічний

Тропічна Індія, Індокитай, Південний Китай, о-ва Південно-Східної Азії

Рис, цукровий очерет, цитрусові, огірок, баклажани та ін (50% культурних рослин)

Східноазіатський

Центральний і Східний Китай, Японія, Корея, Тайвань

Соя, просо, гречка, плодові та овочеві культури - слива, вишня та ін (20% культурних рослин)

Південно-західноазіатські

Мала і Середня Азія, Іран, Афганістан, Південно-Західна Індія

Пшениця, жито, бобові культури, льон, коноплі, ріпа, морква, виноград, часник, груша, абрикос і ін (14% культурних рослин)

Середземноморський

Країни по берегах Середземного моря

Капуста, цукровий буряк, маслини, кормові трави (11% культурних рослин)

Абіссінський

Абіссінське нагір'я Африки

Тверда пшениця, ячмінь, сорго, кавове дерево, банани

Центральноамериканський

Південна Мексика

Кукурудза, какао, гарбуз, тютюн, бавовник

Південноамериканський

Західне узбережжя Південної Америки

Картопля, ананас, кокаїновий кущ, хінне дерево

Додаток 2

Схема менделевської схрещування горохів пурпурноцветкових з білоквітковий

пурпурний квітка біла квітка


чорними кружками позначені домінантні алелі; білими - рецесивні

Додаток 3

Дигибридное схрещування горохів, що розрізняються за формою і забарвленням насіння

Додаток 4

Спадкування форми гребеня у курей

1 Петров Б.Ю. Загальна біологія. - СПб.: Хімія, 1999. - 420С.

2 Біологія. / Н. П. Соколова, І. І. Андрєєва та ін - М.: Вища школа, 1987. - 304с.

3 Петров К.М. Взаємодія суспільства і природи: Навчальний посібник для вузів. - СПб: Хімія, 1998. - 408с.

4 Колесніков С.І. Екологія. - Ростов-на-Дону: Фенікс, 2003. - 384с.

5 Лемеза Н.А., Камлюк Л.В., Лисов Н.Д. Біологія .- М.: Айрис-пресс, 2005.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Біологія | Курсова
110.2кб. | скачати


Схожі роботи:
Основи селекції картоплі
Гамогенез рослин Основи генетики та селекції
Методи селекції
Методи селекції тварин і мікроорганізмів
Організація методи та програми селекції бджіл
Оцінка і відбір тварин за походженням і їх значення в селекції
Створення вихідного матеріалу для селекції сорго різного напряму використання
Морфолічно-біологічні особливості формування урожайності зерна гібридами кукурудзи селекції компанії
Морфобіологічні оцінка батьківських пар сорго-суданковим гібридів при селекції на гетерозис
© Усі права захищені
написати до нас