ОСНОВИ І ЗАВДАННЯ СУЧАСНОЇ СЕЛЕКЦІЇ. ПОНЯТТЯ СОРТУ РОСЛИН, ПОРОДИ ТВАРИН, ШТАМУ МІКРООРГАНІЗМІВ. ШТУЧНИЙ ДОБІР ТА ЙОГО ФОРМИ

«Еволюція, що спрямовується волею людини»

Завдання  сучасної селекції.

Найважливішою галуззю практичного застосування генетики є селекція.

Селекція (від лат. селекціо - вибір, добір) - наука про теоретичні основи та методи створення нових і поліпшення вже існуючих сортів рослин, порід тварин і штамів мікроорганізмів.

Теоретичною основою селекції є генетика та вчення про штучний добір. Селекціонер має бути добре обізнаним з біологією розмноження та розвитку тих видів, з якими він працює, особливостями їхніх фізіологічних процесів.

Завдання сучасної селекції - це підвищення продуктивності існуючих, а також виведення нових, продуктивніших, сортів культурних рослин, порід свійських тварин, штамів мікроорганізмів, пристосованих до умов сучасного автоматизованого сільського господарства та промисловості.

Селекція бере участь у вирішенні основного завдання сільського господарства - забезпеченні максимального виробництва харчових продуктів за мінімальних затрат.

Особливе значення для успіху селекційної роботи має генетична різноманітність вихідного матеріалу.  Вчені шукають потрібні ознаки серед диких нидів, які є резервом для проведення селекційної роботи.

У селекційному процесі, як правило, виділяють кілька етапів:
- обґрунтування мети й завдань селекції;
- створення й добір вихідного матеріалу;
- розробка схеми селекції, селекційний процес (включно з різноманітними методами селекції);
- сортовипробування.
        Виникнення наукової селекції пов'язане з еволюційним ученням Ч. Дарвіна, експериментальними дослідженнями Ґ. Менделя, В. Йогансена, селекціонерів І. Мічуріна та Л. Бербанка, праці яких послугували основою для розробки теорії селекції. У свою чергу, відкриття в генетиці сприяли розробці методів селекційного процесу й підвищенню ефективності штучного добору. Так, наприклад, відкриття законів Менделя дозволило цілеспрямовано вести добір пар для схрещування, а встановлення М. І. Вавиловим центрів походження культурних рослин і обґрунтування закону гомологічних рядів у спадковій мінливості дали можливість селекціонерам розробляти методи ефективного пошуку вихідного матеріалу. Вивчення характеру успадковування цінних для господарства ознак сприяло створенню цілої системи схрещувань і дозволило комбінувати різні властивості рослин.
        Академік М. І. Вавилов багато зробив для розробки теоретичних основ селекції й уточнення визначення селекції як самостійної науки. Даючи загальне визначення селекції як науки, М. І. Вавилов писав: “Селекція по суті є втручанням людини у формоутворення тварин і рослин; іншими словами, селекція являє собою еволюцію, що спрямовується волею людини”.

Визначаючи завдання селекції, видатний російський селекціонер М.І.Вавилов наголошував на тому, що для поліпшення якостей існуючих і створення нових порід і сортів необхідно вивчати і враховувати різноманіття вихідного матеріалу, спадкову мінливість організмів, роль середовища у формуванні фенотипу, закономірності успадкування при гібридизації та визначити форми штучного добору, які застосовуватимуться у селекційній роботі.
   Використання різних методів у селекційному процесі привело до створення нового напрямку — синтетичної селекції. Вона заснована на застосуванні вихідного матеріалу, створюваного шляхом гібридизації різних сортів і форм. Основа синтетичної селекції — перекомбінація і трансгресія. За комбінаційної синтетичної селекції в одній гібридній рослині сполучаються ознаки й властивості двох чи більше батьківських форм.

Завдання селекціонера — відібрати й генетично стабілізувати гібридні рослини, що поєднають ці ознаки та властивості найбільш вдало.

Трансгресивна синтетична селекція заснована на доборі в поколіннях, які розщепилися після гібридизації, особин із трансгресіями, тобто з позитивними ознаками, вираженими більшою мірою, ніж у батьків. Успіх трансгресивної синтетичної селекції залежить від правильного визначення батьківських пар, здатних при схрещуванні давати трансгресії.

   Поняття про сорт, породу, штам.

Породою тварин або сортом рослин називають сукупності особин одного виду (популяції) із певними спадковими особливостями: продуктивністю, морфологічними та фізіологічними ознаками, створених людиною у результаті штучного добору.

Штамом (від нім. штам - стовбур, родина) називають чисту культуру (тобто потомство однієї клітини) мікроорганізмів. Від однієї клітини можна дістати різні штами, які відрізняються за своїми властивостями: продуктивністю, чутливістю до антибіотиків тощо.

На відміну від природних популяцій, порода, сорт чи штам не здатні існувати без постійного втручання людини. Для кожної породи, сорту або штаму характерна певна реакція на умови довкілля. Це означає, що їхні позитивні якості можуть проявитися лише за певної інтенсивності чинників навколишнього середовища (умов утримання тварин, агротехніки рослин, культивування мікроорганізмів, певних кліматичних чинників тощо). Породи тварин і сорти рослин, які мають високу продуктивність в одних географічних зонах, не завжди придатні для використання в інших. Тому вчені у науково-практичних закладах всебічно досліджують властивості нових порід і сортів та перевіряють їх придатність до використання в певній кліматичній зоні, тобто здійснюють їхнє районування.

Районування - комплекс заходів, спрямованих на перевірку відповідності якостей тих чи інших порід або сортів до умов певної природної зони, що є необхідною умовою їхнього раціонального використання на території будь-якої країни.

Відмінність природних популяцій від породи, сорту, штаму:

- сорт, порода, штам не здатні існувати без постійного втручання людини;

- для кожного сорту, породи, штаму характерні певні реакції на умови довкілля.

   Основні методи селекції - це штучний добір та гібридизація.

Теорію штучного добору створив видатний англійський вчений Чарльз Дарвін,  основні положення якої він виклав у своїй праці «Походження видів шляхом природного добору, або збереження сприятливих порід у боротьбі за життя» і розвинув в книзі «Зміни свійських тварин та культурних рослин під впливом одомашнення». За твердженням ученого, формування порід і сортів почалося з приручення людиною диких видів тварин і вирощування диких видів рослин. Він показав, що в основі значного різноманіття порід і сортів лежить лише невелика кількість видів диких предків.

Таким чином, порода тварин або сорт рослин не є самостійним видом, а лише групою особин певного виду, яка відрізняється від інших подібних сукупностей за певними спадковими ознаками.

Розвиваючи у різних напрямах ознаки одного чи кількох видів диких предків, людина створила чимало порід і сортів. Наприклад, предками усіх порід собаки свійського, яких нараховують понад 350, вважають кілька близьких видів вовків (мал. Роздатковий матеріал), а голуба (понад 450) - скельного голуба.

Ці положення Ч.Дарвін проілюстрував такими прикладами. Всі породи свійського голуба мають риси подібності до дикого предка: вони будують гнізда не на деревах, а на карнизах будівель, балконах (скельний голуб будує їх на виступах скель) і подібно до нього відкладають лише пару яєць, мають однакову шлюбну поведінку тощо. У результаті схрещування різних порід між собою отримано плодючі гібриди, які іноді мають ознаки дикого предка.

За Ч.Дарвіном, механізм штучного добору такий. Серед багатьох тварин чи рослин певного виду людина підмічає окремі особини, які відрізняються від інших за ознаками, що її зацікавили, і відбирає їх для подальшого розмноження. Серед потомства відібраних плідників проводять добір: особин, що успадкували від батьків бажані для людини ознаки, залишають для подальшого розмноження. З покоління в покоління бажана ознака все більше розвивається, бо як плідників обирають особин, у яких вона виражена найкраще.

Водночас шляхом гібридизації людина може поєднувати (комбінувати) в потомках різні корисні для неї ознаки батьківських форм. Добір за певними ознаками, як правило, приводить до змін і деяких інших ознак (корелятивна, або співвідносна мінливість), а згодом і до корінної перебудови організмів, тобто до створення нового сорту або породи.

Ч.Дарвін показав, що на початкових етапах створення культурних форм діяв несвідомий добір. Надаючи переваги при розмноженні певним особинам, людина не ставила свідомо перед собою завдання вивести нові породи та сорти і не застосовувала різних систем схрещувань і типів штучного добору. Згодом, у другій половині XVIII сторіччя, несвідомий штучний добір був замінений на плановий (методичний). У його основі - підбір батьківських пар, застосування різних варіантів схрещування та плановий добір серед отриманого потомства за певними ознаками, що дає змогу виводити породи або сорти зі заздалегідь запланованими властивостями.

         Отже, штучний добір - це вибір людиною найцінніших у господарському відношенні тварин, рослин, мікроорганізмів для одержання від них нащадків з бажаними ознаками.

Штучний добір - найважливіший елемент будь-якої селекційної роботи. Він необхідний не тільки для виділення кращих за своїми показниками форм і збереження досягнених результатів, а й для їхнього подальшого вдосконалення.

Як зазначалося, неодмінною умовою ефективного штучного добору є різноманітність вихідного матеріалу. Її збільшенню сприяє використання для селекційної роботи плідників різного географічного походження, впливу різноманітних чинників довкілля, зокрема мутагенних тощо. Якщо різноманітність вихідного матеріалу незначна, штучний добір виявляється малоефективним.

Ознаки чи їхні стани, які добирає людина, не завжди виявляються корисними для самих організмів; створені породи і сорти часто вже нездатні до самостійного існування і потребують повсякчасного піклування людини. Наприклад, важко собі уявити, яким чином можуть врятуватись від хижаків у природі тварини м'ясних порід великої рогатої худоби із масивним тілом і коротенькими ногами.

 В процесі штучного добору фенотипна мінливість організмів зростає, а їхня загальна життєздатність знижується. На породу чи сорт, створені людиною, водночас діє і весь комплекс чинників довкілля (кліматичні, вплив інших організмів тощо). Тож людина повинна створювати умови, найсприятливіші для розвитку тих чи інших ознак або їхніх станів.

Застосовують масову та індивідуальну форми штучного добору.

За масового добору з вихідного матеріалу виділяють особин із фе-нотипними особливостями, що цікавлять селекціонерів. Хоча масовий добір простий у застосуванні і може давати непогані результати, він має і ряд недоліків. Групи особин, подібних за фенотипом, можуть виявитися генотипно різнорідними (гомозиготними або гетерозиготними за певними домінантними алелями). Це неодмінно впливатиме на ефективність добору: при схрещуванні гетерозиготних організмів між собою у гібридів перших поколінь зміни ознак у бік, бажаний для селекціонерів, відбуватимуться досить швидко, але у міру накопичення гомозиготних особин ефективність добору знижуватиметься.

Кращі результати дає індивідуальний добір, коли для подальшого розмноження залишають окремих особин на підставі вивчення як їхнього фенотипу, так і генотипу. Про спадковість цих організмів можна дізнатися, досліджуючи їхні фенотипи, родоводи, за допомогою аналізуючих схрещувань тощо.

  УЗАГАЛЬНЕННЯ, СИСТЕМАТИЗАЦІЯ Й КОНТРОЛЬ ЗНАНЬ ТА ВМІНЬ УЧНІВ

Дати відповіді на запитання

                Назвіть галузі практичного застосування генетики (Селекція — це наука про теоретичні основи та методи створення нових і поліпшення вже існуючих порід тварин, сортів рослин та штамів мікроорганізмів.)

                Перелічіть основні завдання сучасної селекції ( це підвищення продуктивності існуючих, а також виведення нових, продуктивніших, сортів культурних рослин, порід свійських тварин, штамів мікроорганізмів, пристосованих до умов сучасного автоматизованого сільського господарства та промисловості.)

                Які основні методи селекції вам відомі? (Основними методами сучасної селекції є штучний добір і гібридизація.)

                Що таке сорт, порода? Дайте визначення.(Породою тварин чи сортом рослин називають сукупність особин одного виду (популяцію), штучно створену людиною і яка характеризується певними спадковими властивостями: продуктивністю, особливими морфологічними та фізіологічними ознаками.)

                Що називають штамами? (Штам - це чиста культура (тобто нащадки однієї клітини) мікроорганізмів.)

                Яким є механізм штучного добору (Штучний добір - це вибір людиною найцінніших у господарському відношенні тварин, рослин, мікроорганізмів для одержання від них потомства з бажаними ознаками. Застосовують дві основні форми штучного добору - масову та індивідуальну.)

Селекція – наука про теоретичні основи та методи створення нових і поліпшення вже існуючих сортів рослин, порід тварин і штамів мікроорганізмів.

Сорт , порода - сукупність особин одного виду (популяції) з певними спадковими особливостями – продуктивністю, морфологічними та фізіологічними ознаками, створених людиною у процесі штучного добору;

Штамом (від нім. штам – стовбур, родина) називають чисту культуру м\о. Від однієї клітини можна дістати різні штами.

Завдання сучасної селекції: підвищення продуктивності існуючих, виведення нових сортів, порід та штамів м\о, пристосованих до умов сучасного автоматизованого с\г та промисловості; бере участь у забезпеченні максимального виробництва харчових продуктів за мінімальних витрат; вивчає і враховує різноманіття вихідного матеріалу, спадкову мінливість, роль середовища у формуванні фенотипу, закономірності успадкування при гібридизації з метою поліпшення якостей існуючих і створення нових порід, сортів та штамів.

Що таке штучний добір? Механізм штучного добору за Ч.Дарвіном: виділення окремих особин з ознаками, що цікавлять людину; добір особин, що успадкували від батьків бажані для людини ознаки;  розмноження особини з корисними ознаками; розвиток бажаної ознаки, її закріплення.

Види штучного добору:

несвідомий — при цій формі людина зберігає найкращі екземпляри без встановлення певної мети. Здійснювався людиною вже на перших етапах одомашнення тварин та окультурювання рослин. Був основним фактором появи порід тварин та сортів рослин.

методичний — людина цілеспрямовано підходить до створення нової породи або сорту, ставлячи перед собою певні завдання. Сформувався до другої половини XVIII ст. та зберігає своє значення нині у сучасному рослинництві та тваринництві.

 — творчий процес, що дає швидші результати, ніж несвідомий.

Штучний добір має дві форми:

Масовий — вибраковування усіх особин, які за фенотипом не відповідають породним або сортовим стандартам (його значення − збереження сталості породних та сортових якостей).

Індивідуальний — добір окремих особин з урахуванням спадкової стійкості їхніх ознак, що забезпечує удосконалення породних та сортових якостей.А) несвідомий та методичний.  На початкових етапах створення культурних форм діяв несвідомий вибір, потім – методичний.

Гібридизація це комбінування в нащадків різних корисних для людини ознак батьківських форм. Форми: внутрішньовидова та міжвидова (віддалена). Внутрішньовидова буває споріднена та неспоріднена, тобто споріднене та неспоріднене схрещування. Віддалена гібридизація – це схрещування особин, які належать до різних видів, родів з метою поєднання у гібридів цінних спадкових ознак. Наприклад, жито і пшениця = тритікале; кобила і осел = мул.

Споріднене схрещування – інбридинг (ін – усередині, бридінг – розведення) – схрещування організмів, що мають безпосередніх спільних предків. Результати інбридингу: з кожним наступним поколінням підвищується гомозиготність гібридів; він часто призводить до появи організмів з різними спадковими аномаліями. Інбридинг застосовують для отримання чистих ліній – АА або аа. Він також дає можливість дістати цінні ознаки в гомозиготному стані і закріпити їх серед нащадків.

Неспоріднене схрещування – аутбридинг (аут – поза англ.) – гібридизація організмів, які не мають тісних родинних зв’язків. Результат аутбридингу: підвищення гетерозиготності нащадків. Часто спостерігається явище гетерозису – “гібридної сили”.

 Гетерозис – явище, за якого перше покоління має підвищені життєздатність і продуктивність порівняно з вихідними батьківськими формами (Летальні і сублетальні рецесивні гени переходять у гетерозиготний стан).

Особливості селекції рослин: характерне як статеве так і безстатеве (вегетативне) розмноження;  велика кількість нащадків;  невибагливі до умов середовища; незначні економічні затрати.

 Методи селекції рослин: використання різних форм штучного добору – індивідуального та масового; використання різних форм гібридизації – споріднене схрещування, неспоріднене та міжвидове; поліплоїдія – метод подолання стерильності рослинних міжвидових гібридів. Поліплоїдія виникає в результаті подвоєння хромосом, яке не супроводжується поділом клітини, злиттям соматичних клітин, утворенням гамет із нередукованим числом хромосом. Мутагенами є колхіцин, іонізуюча радіація, у\ф промені, критична температура… Серед поліплоїдних рослин є: картопля, суниці, цукрові буряки, пшениця, жито, гречка, кукурудза, просо, льон, кавуни. Поліплоїдні рослини характеризуються інтенсивним ростом, більшими розмірами, масою плодів та насіння, підвищеною стійкістю до несприятливих факторів та умов; щеплення – особливий спосіб штучного об’єднання частин різних рослин. Воно не є справжньою гібридизацією, бо призводить лише до не спадкових змін фенотипу.

Особливості селекції тварин: характерне тільки спадкове розмноження; нечисленне потомство; кожен об’єкт є значною селекційною цінністю; складні взаємодії з оточуючим середовищем через розвинену нервову систему;  значні економічні витрати утримання.

Методи у селекції тварин такі як і рослин, але є відмінності:  не застосовують масовий добір, застосовують штучне запліднення та одержання цінних порід у штучних умовах – у “пробірці”.

Особливості селекції мікроорганізмів: не мають статевого процесу; мають гаплоїдний набір хромосом або кільцеву молекулу ДНК, що дає змогу мутаціям проявлятися уже в першому поколінні нащадків; швидкі темпи розмноження дають можливість одержати велику кількість клітин-нащадків.

1. Особливості селекції рослин 

- Рослини, як об’єкт селекції характеризуються певними рисами, що і зумовлюють специфіку  селекційної роботи з ними.

- Рослини як об’єкт селекції, володіють наступними характеристиками:

Ø висока плідність (велика кількість нащадків);

Ø крім статевого розмноження, їм властиве і нестатеве (а саме вегетативне);

Ø рослинам притаманне явище поліплоїдії;

Ø не надто вибагливі до умов середовища;

Ø не вимагають великих економічних витрат.

- Виходячи з цього, в селекції рослин застосовують наступні методи:

а) висока плідність, численність потомства дозволяють використовувати метод масового добору, тому в селекції рослин можуть  використовуватися обидві форми штучного добору: як індивідуальний, так і масовий;

б) наявність видів, що самозапилюються і самозапліднюються, дає можливість виводити чисті лінії шляхом застосування індивідуального добору;

в) завдяки вегетативному розмноженню можна тривалий час зберігати цінні гетерозиготні комбінації, або ж соматичні мутації, які, як нам відомо, не успадковуються при статевому розмноженні;

г) впливаючи на проросле насіння, сходи певними хімічними речовинами чи радіацією (тобто, здійснюючи штучний мутагенез) селекціонерам вдається одержувати матеріал для добору;

д) у селекції рослин можна застосовувати поліплоїдію – дин із шляхів поліпшення сортів культурних рослин.

- Виникнення поліплоїдних рослин може відбуватися у результаті:

v подвоєння кількості хромосом, яке не супроводжується поділом клітини;

v злиття соматичних клітин;

v утворення гамет із не редукованим числом хромосом.

- Щоб досягти таких мутацій у клітинах рослин, вчені-селекціонери з метою отримання поліплоїдних організмів використовують різноманітні мутагени: колхіцин, ультрафіолетове випромінювання, іонізуючу радіацію, критичну температуру.

- Останнім часом у сільському господарстві використовуються висопродуктивні поліплоїдні сорти картоплі, суниць садових, цукрових буряків, м’якої пшениці, жита, гречки, кукурудзи, проса, льону, кавунів.

- Поліплоїдні рослини характеризуються інтенсивним ростом, більшими розмірами, більшою масою плодів, насіння, підвищеною стійкістю до несприятливих факторів і хвороб.

- Широко застосовують у селекції рослин такий метод як щеплення. (малюнок)

Щеплення – це особливий спосіб штучного об’єднання частин різних рослин.

Завдання: прочитати частину § 21 на ст. 98 та з’ясувати:

1 ряд – Як проводиться щеплення? Які рослини для цього використовують?

2 ряд – Чому щеплення не є справжньою гібридизацією? (призводить лише до не спадкових змін фенотипу)

3 ряд – Більшість сортів, отриманих І. В. Мічуріним, являли собою складні гетерозиготи. Чому для збереження якостей їх розмножують вегетативним шляхом?

2. Особливості селекції тварин

- Селекційна рота у тваринництві спрямована на продуктивність порід і якість продукції, яку вони дають, їх плідність.

- Як матеріал для селекції тварини суттєво відрізняються від рослин. Особливості тварин, які зумовлюють специфіку їхньої селекції, такі:

Ø нечисленність потомства (часто одне або декілька нащадків)

Ø значна тривалість життя, повільніший темп розвитку (часто статевої зрілості тварини досягають не в перший рік розвитку, а через кілька років)

Ø роздільностатевість (що ускладнює інбридинг – споріднене схрещу-вання)

Ø наявність (у вищих тварин) тільки статевого способу розмноження

Ø необхідна гомозиготність чистих ліній досягається за рахунок близькоспорідненого схрещування, але це  в свою чергу має негативні наслідки  і призводить до деякої депресії (зниження життєздатності організмів, виродження)

Ø у тварин виникають більш складні стосунки із зовнішнім середовищем завдяки наявності розвиненої нервової системи

Ø кожен об’єкт являє собою значну селекційну цінність

Ø тварини вимагають значних економічних витрат на утримання

- Всі ці особливості суттєво впливають на вибір методів селекційної роботи з тваринами.

- В зв’язку з такими особливостями тварин до них неприйнятні:

v вегетативне розмноження;

v щеплення;

v одержання поліплоїдів;

v крім того, важко вивчати генотип тварин, оскільки вони в більшості випадків гетерозиготні, а гени у них знаходяться у складній взаємодії.

- Отже, особливості селекції тварин (на відміну від рослин):

а) не застосовується масовий добір, з огляду на співвідносну (кореляційну) мінливість, коли зміна структури або функції однієї спадкової одиниці нерідко обумовлює також зміну інших;

б) використовується метод визначення якості плідників за якостями нащадків; цей метод використовують тому, що у великої рогатої худоби серед самців не проявляються такі ознаки як молочність, жирність молока (наприклад, бугая залишають як плідника, якщо його  сестри дають багато молока); у півнів не проявляється така ознака як несучість;

в) здійснюється вивчення родоводу та проводиться відбір за якістю нащадків, це найбільш надійний, але найповільніший шлях;

г) використовується  штучне запліднення, завдяки чому можливе одержання цінних порід великої рогатої худоби у штучних умовах („у пробірці”); потім ембріон пересаджують у матку самки іншої породи для подальшого розвитку. У такий спосіб можна одержати значну кількість нащадків з важливими практичними можливостями.

3. Особливості селекції мікроорганізмів

- Мікроорганізми (бактерії, деякі одноклітинні мікроскопічні гриби, наприклад, дріжджі) зараз широко використовуються у різних галузях народного господарства: у харчовій, виноробній, мікробіологічній промисловості (для одержання антибіотиків, вітамінів, амінокислот, гормонів, стимуляторів росту). Тому серед мікроорганізмів  також проводиться селекційна робота.

- Мікроорганізми як об’єкти селекції характеризуються наступними ознаками:

Ø не мають типового статевого процесу

Ø мають гаплоїдний набір хромосом, а прокаріоти – кільцеву молекулу ДНК, що дає можливість мутаціям виявлятися вже в першому покоління нащадків

Ø швидкі темпи розмноження дають можливість одержувати велику кількість клітин-нащадків.

- Методи селекції мікроорганізмів:

а) штучний добір;

б) індукований мутагенез;

в) штучне схрещування різних штамів за допомогою вірусів-бактеріофагів;

г) застосування методів генної та клітинної інженерії;

д) не використовується метод гібридизації.

 Закріплення та узагальнення знань.

Розв’язати  вправи:

1.     Яким буде число хромосом у гібрида, одержаного внаслідок схрещування м’якої пшениці ( 2n = 42) і жита ( 2n = 14)? Чому житньо-пшеничні гібриди безплідні? Як можна одержати плідні житньо-пшеничні гібриди? (21+7=28, відсутні гомологічні хромосоми, утворити поліплоїдну форму)

2.     Курка була схрещена з трьома півнями (А, В, С) і від кожного з цих схрещувань відібрано по 20 дочок, яких виростили в однакових умовах. Середня яйценосність дочок півня А становила 240, півня В – 250, півня С – 280 яєць на рік. Якого з цих півнів треба використати для поліпшення стада? (півня С)