Глава б. Основы селекции и биотехнологии

Определения и обозначения

Селекция — наука и практика создания пород животных, сортов растений и штаммов микроорганизмов с нужными человеку признаками. Её цель — не просто получить необычный организм, а добиться полезного свойства, которое наследуется. Поэтому селекционеру важно изучать признаки и проверять потомство.

Искусственный отбор — выбор человеком организмов с ценными наследственными признаками для получения потомства. Например, для размножения оставляют растения с крупными плодами. Так человек увеличивает вероятность появления этого свойства в следующих поколениях.

Гибридизация — скрещивание организмов, отличающихся наследственными признаками, чтобы объединить их у потомства. Потомок получает наследственный материал от обоих родителей, и признаки могут сочетаться по-новому. Метод помогает искать сочетания свойств, которых не было у каждого родителя по отдельности.

Биотехнология — использование живых организмов, клеток и биологических процессов для получения полезных продуктов и решения практических задач. Например, микроорганизмы могут производить вещества, нужные медицине или пищевой промышленности. Это понятие охватывает не только изменение генов, но и выращивание клеток, работу ферментов и другие методы.

Как это устроено

Для селекции необходимы различия между организмами: если бы все особи имели одинаковые признаки, выбирать было бы не из чего. Разнообразие возникает благодаря наследственной изменчивости — изменениям генетического материала и новым сочетаниям генов. Некоторые варианты помогают получить урожай или продукт нужного качества. Селекционер проверяет, передаются ли такие особенности потомству, потому что приобретённые за жизнь изменения обычно не наследуются.

При искусственном отборе человек оставляет для размножения особей, которые лучше отвечают поставленной цели. Их потомство наследует варианты генов родителей, поэтому доля нужного признака в группе может возрастать от поколения к поколению. В естественном отборе преимущество определяется влиянием среды и помогает выживанию и размножению в ней. Селекционный выбор не обязательно делает организм более приспособленным к природе: он может быть полезен именно человеку.

Внутривидовая гибридизация соединяет признаки разных сортов или пород одного вида, а отдалённая — организмов разных видов. Последнюю применяют, когда хотят объединить свойства, которые редко встречаются вместе у близких форм. Однако различия в числе и строении хромосом могут мешать образованию жизнеспособного потомства или его размножению. Поэтому селекционеру приходится подбирать совместимые формы и проверять полученные гибриды.

Полиплоидия меняет число полных наборов хромосом, а мутагенез повышает вероятность возникновения мутаций — изменений наследственного материала. Полезные изменения встречаются не всегда, поэтому после воздействия исследуют множество организмов и отбирают подходящие. Эти методы могут дать растения с крупными органами, высокой урожайностью или устойчивостью, но сами по себе не гарантируют нужный результат. Затем выбранные формы проверяют и размножают.

Клеточная инженерия позволяет выращивать клетки и ткани вне организма, объединять клетки или получать из них целые растения. Генетическая инженерия действует на уровне наследственного материала: нужный ген выделяют или создают, вводят в клетку и проверяют, работает ли он. Микроорганизмы можно выращивать в контролируемых условиях, чтобы они производили полезное вещество. Благодаря этим подходам биотехнология использует не только целые организмы, но и клетки, гены и биологические процессы.

Основные методы селекции и биотехнологии

Сначала определите, на каком уровне действует метод: отбор и скрещивание работают с организмами, клеточная инженерия — с клетками, а генетическая — с генами. Затем сопоставьте цель задачи с результатом, указанным в таблице. Один практический результат может требовать сочетания нескольких методов.

Разбор задач

Задача 1. Новый сорт растения получают, несколько поколений выбирая особи с наиболее крупными плодами. Нужно определить использованный метод. Условие указывает, что человек каждый раз решает, какие растения будут родителями следующего поколения.

1. Найдём признак, который выбирают: размер плодов. Это желаемая человеком особенность, поэтому направление работы задаёт не среда.
2. Проверим, что делают с отобранными особями: от них получают потомство. Повторение выбора по поколениям увеличивает вероятность сохранения наследственного признака.
3. Сопоставим действия с определениями. Скрещивания разных форм в условии нет, а создания мутаций не описано.

Ответ: использован искусственный отбор. Он будет эффективен, если крупные плоды связаны с наследственными особенностями растений.

Задача 2. Один сорт отличается высокой урожайностью, другой устойчив к болезни. Нужно объяснить, почему их потомство может сочетать оба свойства. Для ответа следует назвать метод и описать источник новых сочетаний признаков. Простого сходства родителей для вывода недостаточно: важна передача наследственного материала.

1. Определим метод: сорта скрещивают, значит, это гибридизация. Она объединяет наследственный материал двух родителей.
2. При образовании половых клеток и их слиянии гены родителей оказываются в новых сочетаниях. Потомок может получить варианты, связанные с урожайностью, от одного родителя, а с устойчивостью — от другого.
3. Не каждый гибрид унаследует желаемую комбинацию. Селекционер проверяет потомство и отбирает особей, у которых нужные признаки проявились и сохраняются.

Ответ: сочетание возможно благодаря гибридизации и рекомбинации — возникновению новых комбинаций наследственного материала. Нужный гибрид требуется выявить среди потомства и размножить.

Задача 3. Требуется получить микроорганизм, производящий человеческий белок. Оптимальный подход — генетическая инженерия, поскольку нужно внести в клетку ген, задающий синтез этого белка. Речь идёт не об отборе уже имеющегося свойства, а о целенаправленном изменении наследственного материала.

1. Определяют ген, который содержит инструкцию для нужного белка, и получают его копию. Одновременно выбирают микроорганизм, подходящий для выращивания и производства вещества.
2. Вводят ген в клетку так, чтобы он мог работать и передаваться клеткам-потомкам. Затем проверяют, синтезирует ли клетка нужный белок.
3. Отбирают клетки с успешным результатом и размножают их в подходящих условиях. Полученный белок выделяют и проверяют его качество и безопасность.

Ответ: используют генетическую инженерию и получают продуцирующий штамм. Ключевые этапы — выбор и перенос гена, проверка его работы, размножение подходящих клеток и контроль продукта.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что любой приобретённый организмом признак передаётся потомству. Её допускают, смешивая изменение тела под влиянием условий с изменением наследственного материала. Проверьте себя вопросом: связан ли признак с генами и может ли он проявиться у потомков? Если нет, отбор по нему не закрепит свойство в поколении.

Ошибка: путать искусственный и естественный отбор. Оба связаны с различиями между организмами и неодинаковым размножением, поэтому их легко смешать. Проверьте, кто определяет преимущество: человек при искусственном отборе или условия среды при естественном. Цель селекционера не обязательно совпадает с тем, что полезно для выживания в природе.

Ошибка: отождествлять гибридизацию с мутагенезом. Гибридизация сочетает наследственный материал родителей, тогда как мутагенез вызывает изменения генов или хромосом. Путаница возникает из-за того, что оба метода способны дать потомство с новыми признаками. Для проверки спросите, скрещивали ли организмы или воздействовали на наследственный материал, вызывая мутации.

Ошибка: считать биотехнологией только создание генетически изменённых организмов. Это неверно, потому что биотехнологические процессы могут использовать клетки, ферменты и микроорганизмы без переноса генов. Чтобы проверить себя, выясните, применяется ли живой организм, клетка или биологический процесс для решения практической задачи. Если да, это может быть биотехнологией и без генетической модификации.

Связь с другими темами

Для понимания селекции нужны знания о строении и функциях ДНК, наследовании признаков, мутационной и комбинативной изменчивости. Понятия популяции, вида и приспособленности помогают сравнить искусственный отбор с естественным и понять, как меняются группы организмов. Эти знания применяются при изучении генетики и эволюции, а также в медицине, сельском хозяйстве, пищевой промышленности и экологических технологиях. Так биологические закономерности связывают лабораторные методы с практическими задачами.

Что запомнить

• Селекция использует наследственную изменчивость и искусственный отбор.
• Искусственный отбор направляет изменение признаков в интересах человека.
• Гибридизация объединяет наследственные признаки разных организмов.
• Полиплоидия может повышать размеры и продуктивность растений.
• Биотехнология использует организмы, клетки и биологические процессы для получения полезных продуктов.
• Генетическая инженерия позволяет целенаправленно переносить отдельные гены.
• Результаты селекции зависят от сохранения полезных признаков в потомстве.