8. Селекция растений

Определения и обозначения

Селекция — наука о создании и улучшении сортов культурных растений с нужными человеку признаками. Иначе говоря, она помогает получать растения, которые лучше подходят для выращивания и дают полезный человеку результат. Это понятие объединяет методы, с помощью которых селекционер управляет наследственными особенностями растений.

Сорт — совокупность культурных растений одного вида с наследственно закреплёнными хозяйственно ценными признаками. Такие растения могут, например, отличаться сроком созревания, качеством плодов или устойчивостью к болезни. Понятие сорта нужно, чтобы обозначить не отдельное удачное растение, а группу, признаки которой сохраняются при размножении.

Искусственный отбор — выбор человеком растений с полезными признаками для дальнейшего размножения. В отличие от случайного размножения, здесь человек решает, какие растения оставят потомство. Этот метод позволяет постепенно увеличивать в сорте долю нужных признаков.

Центр происхождения культурных растений — географическая область, где сформировалось разнообразие и началось одомашнивание определённой культуры. В таких районах обычно находят множество форм растения и его близких диких родственников. Эти сведения помогают искать исходный материал для селекции и выяснять историю культуры.

Как это устроено

Наследственная изменчивость создаёт различия между растениями: одни лучше переносят засуху, другие дают больше семян или раньше созревают. Если различия передаются потомству, селекционер может использовать их для создания сорта. Искусственный отбор направляет этот процесс: растения с нужными особенностями чаще оставляют для размножения, поэтому полезные наследственные варианты становятся распространённее в последующих поколениях.

При массовом отборе выбирают сразу много растений по внешним признакам и собирают их семена вместе. Метод удобен, когда важно улучшить группу в целом, но он не позволяет точно узнать, какие именно родители передали признак потомству. При индивидуальном отборе каждое выбранное растение размножают отдельно и оценивают его потомство. Так можно выявить, наследуется ли нужное свойство, хотя работа занимает больше времени.

Скрещивание, или гибридизация, позволяет соединить наследственные особенности двух родительских форм. Например, одна форма может быть устойчивой к болезни, а другая — урожайной; среди потомков ищут растения, у которых сочетаются оба свойства. При скрещивании далёких видов различия в числе или строении хромосом могут мешать нормальному образованию половых клеток. Поэтому такие гибриды нередко бесплодны, даже если сами растения хорошо растут.

Инбридинг — скрещивание близкородственных растений, которое помогает получить генетически более однородные линии. При этом могут проявиться нежелательные наследственные варианты, поэтому линии проверяют и отбирают. Аутбридинг — скрещивание неродственных форм, благодаря которому можно объединить различающиеся признаки. Если скрестить подходящие чистые линии, гибриды первого поколения иногда превосходят родителей по жизнеспособности и урожайности; это явление называют гетерозисом. В последующих поколениях сочетания признаков распадаются, и эффект часто ослабевает.

Полиплоидия означает увеличение числа полных наборов хромосом; её применяют, чтобы получить растения с изменёнными хозяйственными свойствами, например более крупными органами. Экспериментальный мутагенез вызывают физическими или химическими воздействиями, увеличивая число наследственных изменений, среди которых затем отбирают полезные. Используют также культуру тканей и другие биотехнологические приёмы для размножения и отбора растительного материала. Эти способы не создают готовый сорт сами по себе: новые формы нужно оценить и проверить, а подходящие — размножить.

Основные методы селекции растений

Сопоставляй метод с задачей: отбор сохраняет нужные варианты, а гибридизация помогает объединить признаки разных родителей. Инбридинг и аутбридинг описывают разные способы подбора родителей, тогда как гетерозис — возможный результат скрещивания линий. Полиплоидия и мутагенез расширяют разнообразие, но сами по себе не гарантируют получение полезного сорта.

Разбор задач

Задача 1. Нужно вывести сорт пшеницы с высокой урожайностью и устойчивостью к засухе. Почему растения отбирают в течение нескольких поколений?

1. Сначала находят растения, у которых заметны оба нужных свойства, и выясняют, могут ли эти особенности быть наследственными. Один высокий урожай ещё не доказывает, что растение передаст его потомству: результат мог зависеть от благоприятных условий.

2. Семена выбранных растений высевают, а потомство сравнивают в сходных условиях, в том числе при недостатке влаги. Если признаки повторяются у потомков, это свидетельствует об их наследственной основе. Растения с лучшим сочетанием свойств снова оставляют для размножения.

3. Повторение отбора увеличивает долю нужных наследственных вариантов и помогает отсеять случайно удачные растения. Затем проверяют, сохраняются ли признаки в следующих поколениях и при разных условиях выращивания.

Ответ. Отбор проводят несколько поколений, потому что нужно отличить наследуемые свойства от влияния среды и закрепить полезное сочетание признаков в потомстве.

Задача 2. Предложите схему получения томата, устойчивого к болезни и высокоурожайного, если устойчивость есть у одной родительской формы, а высокая урожайность — у другой.

1. Выбирают две родительские формы и проверяют, что одна действительно устойчива к болезни, а другая стабильно даёт высокий урожай. Так селекционер знает, какие признаки ожидаются от каждого родителя.

2. Формы скрещивают и получают гибридное потомство. Среди растений отбирают те, которые проявляют устойчивость и одновременно дают хороший урожай; устойчивость проверяют в условиях, где болезнь может проявиться.

3. Отобранные растения размножают и изучают их потомство. Если нужные признаки наследуются неустойчиво или разделяются, продолжают отбор в следующих поколениях, пока сочетание не станет надёжным. Новую форму дополнительно проверяют в разных условиях.

Ответ. Скрестить подходящие формы, испытать потомство, отобрать растения с обоими признаками и проверить, сохраняются ли они при размножении.

Задача 3. Почему потомство от скрещивания двух чистых линий кукурузы может быть жизнеспособнее и урожайнее обеих родительских форм?

1. Чистые линии получают длительным подбором и размножением сходных по наследственности растений. Они отличаются друг от друга набором наследственных вариантов, поэтому скрещивание объединяет варианты обеих линий в потомстве.

2. У гибридов первого поколения сочетание вариантов может улучшать развитие и продуктивность. Такое преимущество называют гетерозисом; оно не означает, что каждый гибрид обязательно превзойдёт родителей по всем признакам.

3. Если гибриды первого поколения размножить между собой, наследственные варианты будут по-разному сочетаться у потомков. Поэтому признаки расщепляются, потомство становится неоднородным, а преимущество может ослабнуть. Для выращивания обычно используют семена, полученные от исходного скрещивания линий.

Ответ. Гетерозис может повысить жизнеспособность и урожайность гибридов первого поколения, но в следующих поколениях сочетания признаков распадаются, поэтому эффект часто не сохраняется в прежнем виде.

Типичные ошибки

Считать любой культурный вид сортом. Культурный вид включает множество разновидностей, а сортом называют конкретную группу растений с наследственно закреплёнными признаками. Путаница возникает потому, что в быту слова «культура» и «сорт» иногда используют неточно. Проверь себя: относится ли название к виду целиком или к определённой разновидности внутри вида?

Путать естественный и искусственный отбор. При естественном отборе успех размножения определяется условиями среды, а при искусственном направление размножения выбирает человек. Ошибка возникает, когда любой рост частоты полезного признака называют одним и тем же процессом. Для проверки спроси, кто именно оставляет растения для получения потомства.

Утверждать, что гибридизация всегда даёт плодовитое потомство. При скрещивании близких форм потомки часто способны размножаться, но отдалённые гибриды могут быть бесплодными. Это происходит, если хромосомы родителей плохо взаимодействуют при образовании половых клеток. Проверяй, о каких формах идёт речь, и не приравнивай появление гибрида к его способности дать потомство.

Смешивать полиплоидию и мутагенез. Полиплоидия меняет число полных наборов хромосом, тогда как мутагенез связан с наследственными изменениями генетического материала. Их путают, потому что оба метода применяют для получения новых вариантов. Чтобы проверить себя, назови, что именно меняется: число наборов хромосом или отдельные наследственные особенности.

Связь с другими темами

Для понимания селекции нужны знания о наследственной изменчивости, мутациях, законах наследования и роли отбора в эволюции. Дальше эти основы помогают разбираться в генетике, биотехнологии, охране биоразнообразия и практическом растениеводстве. Гетерозис и полиплоидия важны не только для селекции растений: сходные понятия применяют при работе с животными и микроорганизмами, а также при создании промышленных биологических штаммов. Изучение центров происхождения помогает связывать селекцию с историей одомашнивания культур.

Что запомнить

• Селекция использует наследственную изменчивость и искусственный отбор.
• Сорт создают и поддерживают целенаправленным размножением растений с нужными признаками.
• Основные методы селекции растений — отбор и гибридизация.
• Инбридинг помогает получить генетически однородные линии, аутбридинг — объединить различающиеся признаки.
• Гетерозис проявляется преимущественно у гибридов первого поколения.
• Полиплоидия и мутагенез увеличивают разнообразие исходного материала для отбора.
• Центры происхождения культурных растений связаны с районами их первоначального одомашнивания и наибольшего разнообразия.