§ 9. Основные методы селекции растений, животных и микроорганизмов. Биотехнология

Определения и обозначения

Селекция — наука и практика создания новых и улучшения существующих сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов. Она опирается на наследственную изменчивость: особи отличаются друг от друга, и часть этих различий передаётся потомкам. Отбор позволяет сохранить варианты, полезные для человека, и использовать их в дальнейшей работе.

Гибридизация — скрещивание организмов, различающихся по наследственным признакам. Потомок получает наследственный материал от обеих родительских форм, поэтому может сочетать их полезные качества. Этот метод нужен, когда требуется объединить признаки, которые не встречаются вместе у исходных организмов.

Искусственный мутагенез — получение наследственных изменений под действием мутагенных факторов, например определённых физических или химических воздействий. Такие воздействия не создают заранее выбранную мутацию: изменения возникают случайно. Затем варианты проверяют и отбирают те, у которых обнаружены нужные свойства.

Биотехнология — использование организмов, клеток или биологических процессов для получения полезных продуктов и решения практических задач. Она позволяет работать не только с целым организмом, но и с его клетками или тканями. Благодаря этому можно получать вещества, размножать нужные клеточные формы и применять биологические системы в производстве.

Как это устроено

Селекционная работа начинается с постановки цели: например, повысить урожайность, устойчивость к засухе или содержание полезного вещества. Затем подбирают исходный материал, потому что желательное качество должно быть представлено хотя бы у некоторых организмов или возникнуть в ходе изменчивости. Чем больше разнообразие наследственных признаков, тем выше вероятность найти подходящие формы. После этого их оценивают и оставляют для размножения или скрещивания.

При массовом отборе из группы выбирают и сохраняют много особей с нужным внешним признаком, не прослеживая подробно происхождение каждой. Такой способ удобен, когда надо быстро отобрать растения по хорошо заметному признаку. Индивидуальный отбор ведут по отдельным организмам и часто оценивают их потомство, чтобы выяснить, передаётся ли свойство по наследству. Поэтому он даёт более точный контроль, но требует больше времени и наблюдений.

У растений гибридизация соединяет наследственные признаки родительских форм, а отбор потомства помогает закрепить желательное сочетание. Для получения межлинейных гибридов скрещивают специально подобранные линии, то есть группы растений с устойчивыми наследственными особенностями. У гибридов первого поколения может проявиться гетерозис — повышенная жизнеспособность или продуктивность. В следующих поколениях признаки способны расщепляться, поэтому потомство становится неоднородным и эффект гетерозиса часто ослабевает.

В селекции животных выбирают не только отдельных особей, но и родительские пары, учитывая продуктивность и происхождение. Родословная помогает оценить, какие качества могут передаться потомству. Близкородственное скрещивание используют, чтобы усилить однородность и закрепить признаки, однако оно повышает вероятность встречи одинаковых вредных наследственных вариантов. Поэтому его последствия контролируют, а снижение жизнеспособности или продуктивности считают сигналом риска.

Микроорганизмы быстро размножаются, поэтому за короткое время можно получить и проверить множество вариантов. Для улучшения штамма используют отбор и искусственный мутагенез: сначала расширяют наследственное разнообразие, затем измеряют полезное свойство и оставляют лучшие формы. Культивирование клеток и тканей позволяет выращивать биологический материал в контролируемых условиях. Клеточная и генная инженерия дают дополнительные способы изменять клетки или наследственный материал и получать организмы либо продукты с заданными практическими характеристиками.

Методы селекции и их применение

Сначала найдите в таблице группу организмов, с которой связана задача, а затем сравните применяемые методы. Последние два столбца помогают понять не только цель, но и условия работы. Биотехнологические методы могут дополнять традиционную селекцию, а не обязательно заменять её.

Разбор задач

Для посева нужно выбрать из партии растений экземпляры с наиболее крупными плодами. Требуется определить метод и описать действие селекционера. Речь идёт о заметном признаке, который можно сравнить у многих растений одной партии.

1. Выделяем критерий выбора: размер плодов. Он наблюдаем непосредственно, поэтому для первичного отбора не требуется изучать происхождение каждого растения.

2. Выбираем массовый отбор. Селекционер осматривает растения и оставляет несколько экземпляров с наиболее крупными плодами, исключая остальные из дальнейшего размножения.

3. Собранные семена используют для посева, а растения следующего поколения снова оценивают. Повторная проверка нужна, потому что крупный плод у родителя ещё не гарантирует, что признак устойчиво передастся потомству.

Ответ: применяют массовый отбор по размеру плодов. Для точной оценки наследуемости признака отобранные растения и их потомство следует проверить в следующих поколениях.

Нужно получить сорт растения, который сочетает устойчивость к засухе одного родительского сорта и высокую урожайность другого. Эти качества принадлежат разным исходным формам, поэтому одного отбора без скрещивания может быть недостаточно. Требуется общий план работы, а не обещание, что нужное сочетание обязательно появится у каждого потомка.

1. Подбираем родительские формы и проверяем, что устойчивость к засухе и высокая урожайность действительно характерны для них. Это важно, чтобы начать работу с подходящим наследственным материалом.

2. Проводим гибридизацию, то есть скрещиваем выбранные сорта. В потомстве могут появиться растения с разными сочетаниями родительских признаков.

3. Оцениваем потомство в условиях, где можно проверить оба качества, и отбираем растения, сочетающие устойчивость и урожайность. Их размножают и повторно проверяют, поскольку в следующих поколениях признаки могут расщепляться.

Ответ: подобрать родительские формы, скрестить их, затем отбирать и проверять потомство с нужным сочетанием признаков. Для создания устойчивого сорта отобранные формы необходимо размножать и оценивать в следующих поколениях.

Штамм микроорганизма производит мало полезного вещества, и требуется получить более продуктивный вариант с помощью мутагенеза. Мутагенез может расширить разнообразие, но не позволяет заранее выбрать конкретное изменение. Поэтому решающая часть работы — сравнение полученных вариантов по продуктивности.

1. Подготавливаем культуру исходного штамма и воздействуем на неё подходящим мутагенным фактором. Условия подбирают так, чтобы получить наследственно изменённые варианты, сохранив материал для проверки.

2. Выращиваем варианты раздельно и измеряем, сколько полезного вещества производит каждый. Сравнивать нужно в сопоставимых условиях, иначе разница может быть вызвана средой, а не наследственными изменениями.

3. Отбираем штамм с повышенной продуктивностью и проверяем, сохраняет ли он это свойство при размножении. Если результат устойчив, выбранный вариант можно использовать для дальнейшего производства.

Ответ: вызвать наследственную изменчивость, проверить продуктивность вариантов и отобрать штамм с лучшим результатом. Мутагенез создаёт разнообразие, а нужное качество находят целенаправленным отбором.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что отбор создаёт новые наследственные признаки. Так думают, потому что после отбора группа действительно начинает отличаться от исходной, но причина в том, что подходящие варианты оставили для размножения. Проверьте себя: спросите, возникло ли свойство до отбора или именно отбор только изменил долю таких особей. Новые варианты появляются благодаря наследственной изменчивости, а отбор их сохраняет.

Ошибка — приравнивать гибридизацию к получению одинакового потомства. Родители передают разные сочетания наследственных вариантов, и в следующих поколениях признаки могут расщепляться, поэтому потомки отличаются друг от друга. Это заблуждение возникает, если переносить свойства одного удачного гибрида на всё его потомство. Проверка простая: учитывайте поколение гибрида и сравнивайте не одну особь, а группу потомков.

Ошибка — считать гетерозис постоянным свойством всех поколений гибрида. Повышенная продуктивность или жизнеспособность обычно особенно заметна у гибридов первого поколения, а позднее сочетания признаков меняются. Путаница появляется, когда результат первого скрещивания принимают за неизменное свойство сорта. Чтобы проверить себя, уточняйте, о каком поколении идёт речь, и не переносите эффект автоматически на потомков.

Ошибка — думать, что искусственный мутагенез направленно создаёт нужную мутацию. Мутагенный фактор повышает вероятность наследственных изменений, но заранее не задаёт, какое именно изменение возникнет. Такое представление возникает из-за слова «искусственный»: искусственным является воздействие, а не точный результат. Проверьте логику: нужное свойство находят после воздействия, когда варианты исследуют и отбирают.

Связь с другими темами

Для понимания селекции нужны знания о наследственности, изменчивости, мутациях, генотипе и фенотипе. Закономерности наследования помогают объяснить, почему потомство гибридов не всегда одинаково и как признаки могут сочетаться. Селекция и биотехнология применяют эти знания на практике, поэтому тема связана с генетикой и эволюцией. Она также важна для сельского хозяйства, медицины и промышленного получения биологических продуктов.

Что запомнить

• Селекция использует наследственную изменчивость и искусственный отбор.
• Гибридизация объединяет наследственные признаки родительских форм.
• Гетерозис особенно выражен у гибридов первого поколения.
• В селекции животных важны отбор и подбор родительских пар.
• Микроорганизмы быстро размножаются, поэтому их варианты можно эффективно отбирать.
• Биотехнология использует организмы, клетки и биологические процессы для практических целей.