Селекция растений

Селекция растений: методы и значение

Селе́кция расте́ний — совокупность методов создания сортов и гибридов растений с нужными человеку свойствами, которые повышают урожайность и качество культур.

Высокая концентрация почвенных солей губительна для многих сортов пшеницы (справа). Но новая гибридная форма (слева) показывает значительно бо́льшую устойчивость

Значение селекции растений

Селекция растений успешно практикуется человеком на протяжении тысяч лет, с самого начала человеческой цивилизации. Используется по всему миру как отдельными людьми: садоводами, фермерами, так и профессиональными селекционерами в организациях, университетах и исследовательских центрах.

По мнению международных агентств развития, важное значение имеет выведение новых сортов сельскохозяйственных культур, имеющих высокую урожайность, устойчивых к болезням, засухам и адаптированных к региональным условиям выращивания.

Методы селекции растений

Массовый и индивидуальный отбор

Для перекрёстно опыляемых растений применяют массовый отбор особей с желаемыми свойствами. В противном случае невозможно получить материал для дальнейшего скрещивания. Таким образом получают, например, новые сорта ржи. Эти сорта не являются генетически однородными. Если же желательно получение чистой линии — то есть генетически однородного сорта, то применяют индивидуальный отбор, при котором путём самоопыления получают потомство от одной единственной особи с желательными признаками.

Другие методы

Основные методы селекции растений также включают в себя внутривидовую и отдалённую гибридизацию, инбридинг, полиплоидию и экспериментальный мутагенез.

Повышение гомозиготности и проблемы

Для закрепления полезных наследственных свойств необходимо повысить гомозиготность нового сорта. Иногда для этого применяют самоопыление перекрёстноопыляемых растений. При этом могут фенотипически проявиться неблагоприятные воздействия рецессивных генов. Основная причина этого — переход многих генов в гомозиготное состояние. У любого организма в генотипе постепенно накапливаются неблагоприятные мутантные гены.

Они чаще всего рецессивны и фенотипически не проявляются. Но при самоопылении они переходят в гомозиготное состояние, и возникает неблагоприятное наследственное изменение. В природе у самоопыляемых растений рецессивные мутантные гены быстро переходят в гомозиготное состояние, и такие растения погибают, выбраковываясь естественным отбором.

Генетика и селекция растений: методы улучшения сортов и видов

Несмотря на неблагоприятные последствия самоопыления, его часто применяют у перекрёстноопыляемых растений для получения гомозиготных (чистых) линий с нужными признаками.

Это приводит к снижению урожайности. Однако затем проводят перекрёстное опыление между разными самоопыляющимися линиями и в результате в ряде случаев получают высокоурожайные гибриды, обладающие нужными селекционеру свойствами.

Межлинейная гибридизация

Это метод, при котором часто наблюдается эффект гетерозиса. Гибриды первого поколения обладают высокой урожайностью и устойчивостью к неблагоприятным воздействиям. Гетерозис характерен для гибридов первого поколения, получаемых при скрещивании разных линий, сортов и видов.

Полиплоидия и искусственные полиплоиды

В селекции растений широко применяется экспериментальная полиплоидия из-за быстрого роста, крупных размеров и высокой урожайности полиплоидов.

Искусственный мутагенез

Для создания новых сортов при помощи искусственного мутагенеза используют закон гомологических рядов Н. И. Вавилова. Большинство мутантов, полученных в результате мутации, имеют сниженную жизнеспособность и отсеиваются в процессе естественного отбора.

Преодоление бесплодия межвидовых гибридов

Современные методы позволяют преодолевать бесплодие межвидовых гибридов. Примером этого является получение культурного растения тритикале, гибрида пшеницы с рожью, при отдалённой гибридизации.

Передовые методы генетики и селекции позволяют существенно обогатить сортовое и видовое разнообразие растений, что в конечном итоге повышает эффективность селекции и качество сельскохозяйственных культур.

Основные методы селекции

Искусственное перекрёстное опыление

Искусственное самоопыление

Вегетативное размножение

Кроссовер межвидовых гибридов

Карпеченко впервые получил плодовитый межвидовой гибрид при скрещивании редьки и капусты, каждый из которых имеет в кариотипе по 18 хромосом. Сколько хромосом имеет плодовитый гибрид этих растений?

Повышение разнообразия исходного материала

Назовите метод в селекции растений, который используется для повышения разнообразия исходного материала?

• a) метод ментора
• b) скрещивание отдалённых форм
• c) массовый отбор
• d) индивидуальный отбор
• e) близкородственное скрещивание

Причины неблагоприятного влияния близкородственного скрещивания

Укажите основную причину неблагоприятного влияния близкородственного скрещивания перекрёстноопыляющихся растений на их потомство

• a) Появление новых рецессивных вредных мутаций
• b) Появление новых доминантных вредных мутаций
• c) Переход многих вредных рецессивных мутаций в гомозиготное состояние
• d) Нарушение процесса расхождения хромосом при мейозе

Источник наследственных изменений в чистых линиях

Что служит источником наследственных изменений в чистых линиях?

• a) комбинативная изменчивость
• b) мутационная изменчивость
• c) модификационная изменчивость

Наследование и изменения

Фенотип и генотип

Вся совокупность наружных форм животных, их телосложение и соотношение частей тела

• a) фенотип
• b) экстерьер
• c) норма реакции
• d) модификационная изменчивость
• e) фен

Выделим группы методов получения растений

• а) генная инженерия
• б) гетерозис
• в) инбридинг
• г) отдалённая гибридизация
• д) полиплоидия

Методы преодоления нескрещиваемости в культуре

• a) генная инженерия
• б) микробиологический синтез
• в) клеточная инженерия

Великий ученый

Ученый, который проанализировал огромный материал по одомашниванию животных и выведению растений в культуре и на этом основании создал учение об искусственном отборе

• a) Мичурин
• b) Вавилов
• c) Дарвин
• d) Ламарк
• e) Линней

Сходство селекции и эволюции

• a) протекают очень быстро
• b) в результате формируются признаки, полезные для человека
• c) имеет место искусственный отбор
• d) первичным материалам служат мутации

Задачи современной селекции

• изучение закономерностей наследования
• выведение новых сортов растений
• совершенствование уже существующих сортов
• изучение влияния среды на формирование генотипа

Селекционный процесс

• искусственное выведение новых форм
• изучение местных форм с нужными признаками
• изучение форм, произрастающих в других климатических зонах

Основоположники селекции

• Мендель
• Иванов
• Вавилов
• Мичурин

Слайд 2 Основные методы селекции отбор

Слайд 3

В селекции различают два основных вида искусственного отбора

Массовый и индивидуальный

Сходных по одному или комплексу желаемых признаков, без проверки их генотипа. Например, из всей популяции злаков того или иного сорта для дальнейшего размножения оставляют только те растения, которые отличаются устойчивостью к возбудителям болезней и полеганию, имеют крупный колос с большим числом колосков и т. д. При их повторном посеве снова отбирают растения с нужными качествами. Сорт, полученный таким способом, генетически однороден, и отбор периодически повторяют.

Основным достоинством данного метода является то, что он технически прост, экономичен и позволяет сравнительно быстро улучшать местные сорта, а его недостаток состоит в невозможности индивидуальной оценки по потомству, в силу чего результаты отбора неустойчивы.

Индивидуальный отбор

При индивидуальном отборе (по генотипу) получают и оценивают потомство каждого отдельного растения в ряду поколений при обязательном контроле наследования интересующих селекционера признаков. В результате индивидуального отбора увеличивается число гомозигот, т. е. полученное поколение становится генетически однородным. Подобный отбор обычно применяют среди самоопыляемых растений (пшеницы, ячменя и др.) для получения чистых линий. Чистая линия — это группа растений, являющихся потомками одной гомозиготной самоопыляемой особи. Они обладают максимальной степенью гомозиготности и представляют очень ценный исходный материал для селекции.

Методы гибридизации

Методы гибридизации (типы скрещивания) в селекции. Все разнообразие типов скрещивания сводится к инбридингу и аут-бридингу. Инбридинг — это близкородственное (внутрисортовое), а аутбридинг — неродственное (межсортовое) скрещивание. При инбридинге, т. е. в случае принудительного самоопыления перекрестноопыляющихся форм, происходит гомозиготизация потомков, а при аутбридинге — их гетерозиготизация.

Родственное скрещивание применяют в тех случаях, когда желают перевести большинство генов сорта в гомозиготное состояние и, как следствие, закрепить хозяйственно ценные признаки, сохраняющиеся у потомков.

Вместе с тем чистые линии, полученные в результате инбридинга, отличаются не только различными признаками, но и степенью снижения жизнеспособности (часто наблюдается ослабление организмов, их постепенное вырождение), обусловленной переходом в гомозиготное состояние всех рецессивных мутаций, которые преимущественно являются вредными. Если эти чистые линии скрещиваются между собой, то обычно наблюдается эффект гетерозиса.

Особенности селекции растений

Отбор. Применяют различные формы гибридизации совместно с мутагенами. Бесплодие межвидовых гибридов

преодолевают: – получение полипептидных форм, – самоопыление, – вегетативное размножение.Широко применяют прививки.

Слайд 8 Центры происхождения культурных растений В результате многочисленных

Экспедиций

Н.И. Вавилов и его сотрудники изучили многообразие и географическое распространение культурных растений.

Слайд 9 Южноазиатский.Восточноазиатский.Юго-Западноазиатский.4. Средиземноморский.Абиссинский (Эфиопский).Центральноамериканский.7. Южноамериканский (Андийский)1. Южноазиатский центр2.

Восточноазиатский центр3. Юго-Западноазиатский центр4. Средиземноморский центр5. Абиссинский (Эфиопский) центр6.

7. Южноамериканский (Андийский) центр

Слайд 10 ПшеницаЮго-Западназиатскийский центр

Слайд 11 КартофельЮжноамериканский центр

Слайд 12 АрбузАбиссинский (Эфиопский)

Слайд 20 ГорохЮго-Западноазиатскийский центр

Слайд 23 ПерецЦентральноамериканский центр

Селекция ? разработка научно обоснованных методов создания и совершенствования сортов культурных растений и пород домашних животных, а также применение этих методов в растениеводстве (селекция растений) и животноводстве (селекция животных). В результате селекционной работы создают сорта растений и породы животных с нужными биологическими свойствами и хозяйственными качествами. Например, ведут селекцию на плодовитость и продуктивность скота и птицы, урожайность с.-х. культур, устойчивость к вредителям и болезням, качество продукции, приспособленность к механизированной уборке и др.

История селекции исчисляется тысячелетиями. Селекционеры древности, «бессознательно» используя искусственный отбор, создавали сорта винограда, плодовых культур, пшеницы, хорошо приспособленные к местным условиям и дающие устойчивые урожаи. Впоследствии отбор приобрёл массовый характер ? появилась народная селекция растений и животных. Ею были созданы местные засухоустойчивые сорта пшеницы, зимостойкие сорта подсолнечника, яблони (Антоновка, Грушовка), местные породы скота (аборигенный скот), на основе которых позднее были выведены холмогорская, ярославская и др. известные породы крупного рогатого скота, отличающиеся лучшими, чем у местного скота, адаптационными (приспособительными) качествами и более высокой продуктивностью.

Научная селекция стала развиваться с начала 20 в., одновременно с развитием генетики (теоретическая основа селекции). Открытие законов наследственности и изменчивости, научно обосновавших искусственный отбор, дало возможность сознательно управлять наследственностью растительных и животных организмов.

Современная селекция базируется на методическом отборе, который ведётся в двух направлениях ? на сохранение сортовых и породных признаков (массовый отбор) и на их совершенствование (индивидуальный отбор). Для внесения в генофонд ценных генов и получения оптимальных комбинаций признаков (например, сочетание высокой урожайности с засухоустойчивостью) применяют гибридизацию с последующим отбором.

В животноводстве обычно применяют индивидуальный отбор и гибридизацию, используя различные виды скрещивания ? близкородственное (инбридинг), неродственное (аутбридинг) и др. Цель близкородственного скрещивания ? перевод большинства генов породы в гомозиготное состояние. Задача неродственного скрещивания ? комбинация нескольких полезных признаков. При скрещивании разных пород животных или сортов растений, а также при межвидовых скрещиваниях наблюдается мощное развитие гибридов первого поколения, их высокая жизнеспособность. Удалось получить гетерозисные гибриды огурца, томата и др., урожайность которых на 10-30 % выше, чем у обычных сортов. Разработаны способы преодоления бесплодия межвидовых гибридов, благодаря чему были получены гибриды пшеницы с рожью (тритикале) и с пыреем (пшенично-пырейные гибриды), удачно сочетающие лучшие качества исходных форм (высокую урожайность зерна и зелёной массы с холодостойкостью).

На рис. Тритикале

В селекции широко используют метод искусственного мутагенеза (воздействуя мутагенами на исходный материал, нарушают строение молекул ДНК, что приводит к резкому росту числа мутаций, среди которых часто появляются формы с полезными признаками). Путём искусственного мутагенеза получены высокоурожайные сорта ярового и озимого ячменя, яровая пшеница Новосибирская 67, а также полиплоидные растения, отличающиеся более крупными размерами плодов, цветков, стеблей и др. органов и повышенным содержанием сахара (сахарная свёкла), белков (зернобобовые), масла (подсолнечник) и др. полезных веществ.

В связи с бурным развитием производств, основанных на биотехнологиях, стала актуальной селекция микроорганизмов (выведение новых их штаммов, имеющих значение для производства кормового белка, ферментативных и витаминных препаратов, антибиотиков, используемых в сельском хозяйстве, медицине, пищевой промышленности). При этом используют способность микроорганизмов непрерывно синтезировать белки при благоприятных условиях. Разработаны способы внедрения в бактериальную клетку определённых генов, в т. ч. человека. Это обеспечивает интенсивную выработку ею белка, кодируемого чужим геном. На методах генной инженерии основано производство интерферонов (белков, подавляющих размножение вирусов), инсулина (регулятор уровня глюкозы в крови), гормонов роста и др.

Методы селекции растений. Основными методами селекции растений являются отбор и гибридизация. Однако методом отбора нельзя получить формы с новыми признаками и свойствами; он позволяет только выделить генотипы, уже имеющиеся в популяции. Для обогащения генофонда создаваемого сорта растений и получения оптимальных комбинаций признаков применяют гибридизацию с последующим отбором.

В селекции различают два основных вида искусственного отбора: массовый и индивидуальный.

Табл. 1. Центры происхождения культурных растений (по И. Я Вавилову)

Тропическая Индия, Индокитай, Южный Китай Рис, сахарный тростник, цитрусовые, огурец, баклажан и др. (50% культурных растений)

Центральный и Восточный Китай, Япония, Корея, Тайвань Соя, просо, гречиха, плодовые и овощные культуры — слива, вишня и др. (20% культурных растений)

Малая и Средняя Азия, Иран, Афганистан, Юго-Западная Индия Пшеница, рожь, бобовые культуры, лен, конопля, репа, морковь, виноград, чеснок, груша, абрикос и др. (14% культурных растений)

Страны по берегам Капуста, сахарная свекла, маслины, кормовые травы (11% культурных растений)

Абиссинское нагорье Африки Твердая пшеница, ячмень, сорго, кофейное дерево, банан

Кукуруза, какао, тыква, табак, хлопчатник

Западное побережье Южной Америки

Массовый отбор — это выделение группы особей, сходных по одному или комплексу желаемых признаков, без проверки их генотипа. Например, из всей популяции злаков того или иного сорта для дальнейшего размножения оставляют только те растения, которые отличаются устойчивостью к возбудителям болезней и полеганию, имеют крупный колос с большим числом колосков и т. д. При их повторном посеве снова отбирают растения с нужными качествами. Сорт, полученный таким способом, генетически однороден, и отбор периодически повторяют.

При индивидуальном отборе (по генотипу) получают и оценивают потомство каждого отдельного растения в ряду поколений при обязательном контроле наследования интересующих селекционера признаков. В результате индивидуального отбора увеличивается число гомозигот, т. е. полученное поколение становится генетически однородным. Подобный отбор обычно применяют среди самоопыляемых растений (пшеницы, ячменя и др.) для получения чистых линий. Чистая линия — это группа растений, являющихся потомками одной гомозиготной самоопыляемой особи. Они обладают максимальной степенью гомозиготности и представляют очень ценный исходный материал для селекции.

Отбор в селекции отличается наибольшей эффективностью в том случае, если сочетается с определенными типами скрещиваний.

Методы гибридизации (типы скрещивания) в селекции

Все разнообразие типов скрещивания сводится к инбридингу и аутбридингу.

Инбридинг — это близкородственное (внутрисортовое), а аутбридинг — неродственное (межсортовое) скрещивание. При инбридинге, т. е. в случае принудительного самоопыления перекрестноопыляющихся форм, происходит гомозиготизация потомков, а при аутбридинге — их гетерозиготизация.

Гетерозис, или гибридная мощность, — это явление повышенной жизнеспособности и продуктивности гибридов первого поколения по сравнению с обеими родительскими формами. В дальнейших поколениях его эффект ослабляется и исчезает. Предполагается, что гетерозис связан с высоким уровнем гетерозиготности межлинейных гибридов.

На рис. Пример гетерозиса

Кукуруза была первым растением, у которого получение высокопродуктивных гетерозисных гибридов было поставлено на промышленную основу. Валовые сборы зерна такого гибрида были на 20-30% выше, чем у родительских организмов. Однако нередко сочетание разных признаков у чистых линий оказывается неблагоприятным; поэтому, создав большое количество чистых линий, экспериментально определяют наилучшие комбинации гибридизации, которые затем используются в производстве.

Полиплоидия и отдаленная гибридизация. При создании новых сортов растений селекционеры широко используют метод автополиплоидии, который приводит к увеличению размеров клеток и всего растения вследствие умножения числа наборов хромосом. Кроме того, избыток хромосом повышает их устойчивость к патогенным организмам (вирусам, грибам, бактериям) и ряду других неблагоприятных факторов, например к радиации: при повреждении одной или даже двух гомологичных хромосом аналогичные остаются неповрежденными. Полиплоидные особи жизнеспособнее диплоидных.

Ценные результаты дает также использование в селекции явления аллополиплоидии, в основе которого лежит метод отдаленной гибридизации, т. е. скрещивания организмов, относящихся к разным видам и даже родам. Например, выведены межвидовые полиплоидные гибриды капусты и редьки, ржи и пшеницы. Гибридизация пшеницы (Triticum) и ржи (Secale) позволила получить ряд форм, объединенных общим названием тритикале. Они обладают высокой урожайностью пшеницы и зимостойкостью и неприхотливостью ржи, устойчивостью ко многим болезням, в том числе к линейной ржавчине, являющейся одним из главных факторов, ограничивающих урожайность пшеницы.

На основе гибридизации пшеницы и пырея российским академиком Н. В. Цициным получены пшенично-пырейные гибриды, отличающиеся высокой урожайностью и устойчивостью к полеганию. Однако отдаленные гибриды, как правило, бесплодны. Это связано с содержанием в геноме различных хромосом, которые в мейозе не конъюгируют. Для восстановления плодовитости у межвидовых гибридов в 1924 г. советский генетик Г. Д. Карпеченко предложил использовать у отдаленных гибридов удвоение числа хромосом, которое приводит к образованию амфидиплоидов.

Г. Д. Карпеченко проводил скрещивание редьки и капусты. Число хромосом у этих растений одинаково (2л = 18). Соответственно, их гаметы несут по 9 хромосом. Гибрид капусты и редьки имеет 18 хромосом, но он бесплоден, так как хромосомы этих растений в мейозе не конъюгируют, поэтому процесс образования гамет не может протекать нормально. В результате удвоения числа хромосом в бесплодном гибриде оказалось 36 хромосом, слагающихся из двух полных диплоидных наборов редьки и капусты. Это создало нормальные возможности для мейоза: хромосомы капусты и хромосомы редьки конъюгировали между собой. Каждая гамета несла по одному гаплоидному набору редьки и капусты (9 + 9 = 18). В зиготе вновь оказалось 36 хромосом; межвидовой гибрид стал плодовитым. По фенотипу новый растительный организм совмещал признаки редьки и капусты, например, в строении стручка.

Спонтанный и индуцированный мутагенез. Спонтанные мутанты используются преимущественно в селекции растений. Так, на основе мутанта желтого безалколоидного люпина получено несколько сортов сладкого люпина, которые выращивают на корм скоту. Люпин, содержащий алкалоиды, для этой цели непригоден, поскольку животные его не едят.

На рис. Люпин Кормовой

Создание пород домашних животных началось вслед за их приручением и одомашниванием, которое началось 10–12 тыс. лет назад. Содержание в неволе снижает действие стабилизирующей формы естественного отбора. Различные формы искусственного отбора (сначала бессознательный, а затем методический) приводят к созданию всего многообразия пород домашних животных.

В селекции животных, по сравнению с селекцией растений, есть ряд особенностей. Во-первых, для животных характерно в основном половое размножение, поэтому любая порода является сложной гетерозиготной системой. Оценка качеств самцов, которые внешне у них не проявляются (яйценоскость, жирномолочность), оцениваются по потомству и родословной. Во-вторых, у многих видов имеет место позднее половое созревание, смена поколений происходит через несколько лет. В-третьих, потомство немногочисленное.

Основными методами селекции животных являются?гибридизация?и?отбор. Различают те же методы скрещивания — близкородственное скрещивание,?инбридинг, и неродственное,?аутбридинг. Инбридинг, как и у растений, приводит к депрессии. Отбор у животных проводится по экстерьеру (определенным параметрам внешнего строения), т.к. именно он является критерием породы.

Направлено на сохранение и улучшение породы. Практически выражается в отборе лучших производителей, выбраковке особей, не отвечающих требованиям породы. В племенных хозяйствах ведутся племенные книги, отражающие родословную, экстерьер и продуктивность животных многих поколений.

Используют для создания новой породы. При этом часто проводят близкородственное скрещивание — родителей скрещивают с потомством, братьев с сестрами, что помогает получить большее число особей, обладающих нужными свойствами. Инбридинг сопровождается жестким постоянным отбором; обычно получают несколько линий, затем производят скрещивание разных линий.

Примером может служить выведенная академиком М.Ф. Ивановым порода свиней — украинская белая степная. При создании этой породы использовались свиноматки местных украинских свиней с небольшой массой и невысоким качеством мяса и сала, но хорошо приспособленных к местным условиям. Самцами-производителями были хряки белой английской породы. Гибридное потомство вновь было скрещено с английскими хряками, в нескольких поколениях применялся инбридинг. Были получены линии, при скрещивании которых появились родоначальники новой породы, которые по качеству мяса и массе не отличались от английской породы, по выносливости — от украинских свиней.

Использование эффекта гетерозиса

Часто при межпородном скрещивании в первом поколении проявляется эффект гетерозиса; гетерозисные животные отличаются скороспелостью и повышенной мясной продуктивностью. Например, при скрещивании двух мясных пород кур получают гетерозисных бройлерных кур, при скрещивании беркширской и дюрокджерсейской пород свиней получают скороспелых свиней с большой массой и хорошим качеством мяса и сала.

На рис. Бройлер

Испытание по потомству

Проводят для подбора самцов, у которых не проявляются некоторые качества («молочность и жирномолочность» быков, «яйценоскость» петухов). Для этого производителей-самцов скрещивают с несколькими самками, оценивают продуктивность и другие качества дочерей, сравнивая их с материнскими и со среднепородными.

Используют для получения потомства от лучших самцов производителей, тем более что половые клетки можно хранить при температуре жидкого азота любое время.

Гормональная суперовуляция и трансплантация эмбрионов

С помощью этого метода у выдающихся коров можно забирать десятки эмбрионов в год, а затем имплантировать их другим коровам; эмбрионы так же хранятся при температуре жидкого азота. Это дает возможность увеличить в несколько раз число потомков от выдающихся производителей.

Межвидовое скрещивание известно с древних времен. Чаще всего межвидовые гибриды стерильны (нарушение мейоза и, как следствие, отсутствие гаметогенеза). С глубокой древности человек использует гибрид кобылицы с ослом — мула, который отличается выносливостью и долгожительством. Но иногда гаметогенез у отдаленных гибридов протекает нормально, что позволило получить новые ценные породы животных. Примером являются архаромериносы, которые, как и архары, могут пастись высоко в горах, а как мериносы, дают хорошую шерсть. Получены плодовитые гибриды от скрещивания местного крупного рогатого скота с яками и зебу. При скрещивании белуги и стерляди получен плодовитый гибрид — бестер, хорька и норки — хонорик, продуктивен гибрид между карпом и карасем.