§64. Основные методы селекции и биотехнологии

Определения и обозначения

Селекция — наука о создании новых и улучшении существующих сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов. Её цель — получить формы с нужными человеку признаками: высокой урожайностью, устойчивостью или ценными свойствами. Объекты селекции различаются, но во всех случаях используются наследственность и изменчивость.

Гибридизация — скрещивание организмов с различными наследственными признаками для получения потомства, в котором эти признаки могут сочетаться. Она нужна, чтобы объединить достоинства родительских форм в одном организме. Затем среди потомков отбирают наиболее удачные варианты.

Искусственный мутагенез — получение наследственных изменений под действием специально применяемых физических или химических мутагенов. Метод увеличивает число новых вариантов признаков, с которыми может работать селекционер. Полезные изменения находят отбором, поскольку заранее точно задать мутацию нельзя.

Биотехнология — использование живых организмов, клеток или биологических процессов для получения полезной продукции. С её помощью производят лекарства, пищевые вещества, ферменты и другие продукты. Она включает не только генную инженерию, но и работу с микроорганизмами, клетками и биологическими реакциями.

Как это устроено

Отбор и гибридизация считаются основными методами селекции, потому что они решают разные задачи. Отбор сохраняет уже найденные в популяции полезные наследственные признаки. Гибридизация соединяет признаки разных родителей, после чего отбор оставляет потомков с нужным сочетанием.

При индивидуальном отборе оценивают каждое растение или животное отдельно и получают от него потомство. Если потомки сохраняют нужный признак, выбранный организм считают ценным для дальнейшего размножения. При массовом отборе выбирают сразу группу похожих растений, поэтому метод проще, но точность оценки наследования ниже.

Отдалённая гибридизация позволяет скрещивать близкие виды или разновидности, которые обычно не обмениваются признаками при обычном размножении. Мутагенез создаёт дополнительные наследственные варианты, а полиплоидия увеличивает число наборов хромосом в клетках. Поэтому эти методы расширяют наследственную изменчивость и поставляют селекционеру новый материал.

Гетерозис возникает преимущественно у гибридов первого поколения, полученных от генетически различающихся родителей. В таком потомстве удачно сочетаются наследственные варианты, благодаря чему вредные рецессивные признаки могут не проявляться. Поэтому гибриды часто быстрее растут, лучше выживают и дают больший урожай.

Клеточная инженерия позволяет выращивать клетки, получать из одной клетки целый организм или объединять клетки разных форм. Генная инженерия непосредственно переносит или изменяет отдельные гены, поэтому нужный признак можно ввести без длительного скрещивания многих поколений. Эти подходы сокращают путь к организму или веществу с заранее заданными свойствами.

Основные методы селекции и биотехнологии

Таблицу удобно читать по строкам: сначала определить сущность метода, затем посмотреть, что именно он меняет. Последний столбец связывает общий принцип с практической задачей. Если требуется получить новый наследственный вариант, подходят мутагенез или полиплоидия, а для объединения уже имеющихся признаков — гибридизация и отбор.

Разбор задач

Задача 1. Из потомства растений ежегодно оставляют для размножения экземпляры с наиболее крупными плодами. Нужно определить метод. В условии описан повторяющийся выбор организмов по полезному признаку, а не скрещивание или воздействие мутагеном.

1. Находим действие селекционера: он выбирает отдельные растения.
2. Определяем критерий выбора: размер плодов.
3. Проверяем, что выбранные растения используют для дальнейшего размножения, поэтому признак стараются закрепить в потомстве.

Ответ: это искусственный отбор, точнее целенаправленный индивидуальный отбор. Его результат зависит от того, насколько крупные плоды связаны с наследственными особенностями, а не только с уходом.

Задача 2. Высокоурожайный сорт скрещивают с сортом, устойчивым к засухе. Нужно объяснить ценность такого гибрида. Один родитель даёт признак высокой урожайности, другой — устойчивость к недостатку воды, поэтому скрещивание направлено на их объединение.

1. Выделяем полезные признаки исходных форм: урожайность и засухоустойчивость.
2. Учитываем, что потомки получают наследственный материал обоих родителей.
3. Среди потомков отбираем растения, у которых оба свойства выражены и сохраняются при проверке.

Ответ: гибридизация может дать ценный гибрид с сочетанием высокой урожайности и устойчивости к засухе. Само скрещивание не гарантирует нужного результата, поэтому необходим последующий отбор и испытание потомства.

Задача 3. Требуется вывести сорт с высокой урожайностью, устойчивостью к заболеванию и сохранением признаков в следующих поколениях. Одного метода недостаточно: сначала нужны наследственные варианты и их сочетание, затем проверка и закрепление результата. План должен учитывать как получение признаков, так и их наследование.

1. Подбираем исходные формы: урожайную и устойчивую к заболеванию.
2. Проводим гибридизацию, чтобы объединить признаки в потомстве.
3. Если подходящих вариантов мало, применяем мутагенез как источник дополнительной изменчивости.
4. Отбираем растения с обоими признаками и выращиваем несколько поколений.
5. Проверяем урожайность и устойчивость в разных условиях, оставляя формы с устойчивым наследованием.

Ответ: комплекс включает гибридизацию, при необходимости мутагенез, индивидуальный отбор и испытание потомства. Признаки считают закреплёнными только после подтверждения их сохранения в последующих поколениях.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что любой приобретённый признак передаётся потомству. Так путают наследственную изменчивость с изменениями, вызванными питанием или условиями среды. Проверка: спросите, изменился ли наследственный материал и сохраняется ли признак у потомков.

Ошибка 2. Отождествлять гибридизацию с любым простым скрещиванием. В селекции скрещивание проводят с целью получить определённые сочетания признаков, а затем отобрать подходящих потомков. Проверка: назовите, какие свойства родителей планируется объединить.

Ошибка 3. Считать мутагенез способом создать ровно нужную мутацию. Мутации возникают случайно, поэтому обработка лишь увеличивает разнообразие вариантов. Проверка: предусмотрен ли после мутагенеза поиск и отбор полезных организмов.

Ошибка 4. Путать биотехнологию только с генной инженерией. Биотехнология шире: она использует также клетки, микроорганизмы, ферменты и биологические процессы. Проверка: если технология работает с живой системой для получения продукта, она может относиться к биотехнологии и без изменения генов.

Связь с другими темами

Для понимания селекции нужны знания о наследственности, изменчивости, мутациях, законах наследования и видах отбора. Эти понятия объясняют, какие признаки можно передать потомству и почему результаты скрещивания различаются.

Дальше тема связана с генетикой, генетически модифицированными организмами, производством лекарств и пищевых продуктов. Методы селекции помогают увидеть практическое применение законов наследования.

С экологией и обществознанием тему связывает оценка пользы, рисков и этических последствий биотехнологий. Решения о применении таких методов требуют учитывать не только выгоду, но и влияние на человека и окружающую среду.

Что запомнить

• Селекция создаёт и улучшает сорта, породы и штаммы.
• Отбор сохраняет организмы с полезными наследственными признаками.
• Гибридизация объединяет признаки разных родительских форм.
• Мутагенез и полиплоидия расширяют наследственную изменчивость.
• Гетерозис проявляется преимущественно у гибридов первого поколения.
• Клеточная инженерия работает с клетками, а генная инженерия — с наследственным материалом.
• Биотехнология использует организмы, клетки и биологические процессы для получения полезных продуктов.