"Биология. Общая биология. Профильный уровень", Захаров В.Б.
Современная селекция использует знания о наследственности и изменчивости, а также методы биотехнологии, чтобы получать организмы с нужными человеку признаками. Гибридизация помогает сочетать свойства родительских форм, клеточные методы — размножать и преобразовывать клетки и ткани, а генная инженерия — целенаправленно изменять генетический материал. Эти возможности расширяют выбор селекционера, но не отменяют отбора: новую форму нужно проверять на продуктивность, устойчивость признаков и безопасность.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Гетерозис — повышение жизнеспособности, продуктивности или других хозяйственно ценных признаков у гибридов первого поколения по сравнению с родительскими формами. Например, гибрид может давать больший урожай, чем каждая из исходных линий. Это явление используют, когда нужно получить потомство с выраженным преимуществом по выбранным признакам.
Отдалённая гибридизация — скрещивание организмов, относящихся к разным видам, а иногда и к разным родам. Такой способ позволяет попытаться соединить свойства, которые редко встречаются вместе у представителей одного вида. Однако биологические различия родителей могут мешать оплодотворению, развитию гибрида или его размножению.
Клеточная инженерия — методы получения новых клеток и организмов с нужными свойствами путём работы с клетками и тканями вне организма. Например, из небольшого количества растительного материала можно вырастить множество растений или получить клеточную линию. Это полезно для размножения ценных форм и работы с материалом, который трудно получить обычным способом.
Генная инженерия — методы целенаправленного изменения генетического материала организма, в том числе переноса отдельных генов. Ген — участок ДНК, содержащий наследственную информацию; его перенос может добавить организму определённое свойство. Такой подход помогает работать с конкретным признаком, но итоговую форму всё равно нужно проверять.
Селекционеру нужны формы, которые устойчиво передают полезные свойства потомству, поэтому он опирается на знания о наследственности и изменчивости. Генетические и биотехнологические методы расширяют способы получения исходного материала, но сами по себе не гарантируют, что организм окажется продуктивным. Причина в том, что признак может зависеть от нескольких генов и условий среды. Поэтому после получения новых форм их сравнивают, отбирают и проверяют в поколениях.
Гетерозис чаще заметен у гибридов первого поколения, потому что потомок получает сочетание наследственных вариантов от двух различающихся родительских форм. Некоторые неблагоприятные варианты могут компенсироваться, а взаимодействие генов — благоприятно влиять на развитие и продуктивность. При размножении гибридов сочетания наследственных вариантов разделяются и перестраиваются, поэтому потомство становится неоднородным. Для получения однородных высокопродуктивных гибридов снова скрещивают специально поддерживаемые родительские линии.
Отдалённая гибридизация даёт возможность объединить признаки разных видов, например устойчивость одного растения к холоду и крупные плоды другого. Но виды отличаются особенностями генов, хромосом и размножения, поэтому их половые клетки могут оказаться несовместимыми. Даже если гибрид развивается, его хромосомы не всегда способны правильно распределяться при образовании половых клеток. По этой причине потомство может быть бесплодным, и селекционеру приходится искать способы преодоления несовместимости и сохранять нужные признаки.
Культура клеток и тканей позволяет выращивать растительный материал в контролируемых условиях, начиная с небольшого образца. Из него можно быстро получить много генетически сходных растений, а использование подходящих клеток помогает получать оздоровлённый посадочный материал. Иногда при работе с клетками возникают наследственные изменения, и среди полученных вариантов можно отобрать формы с новыми сочетаниями признаков. Причина практической ценности метода — возможность размножать нужный материал быстрее, чем при обычном выращивании семян, и работать с клетками отдельно от целого организма.
Генная инженерия позволяет переносить или изменять конкретные участки генетического материала, поэтому нужный ген можно вводить без скрещивания всего организма с донором. Это расширяет набор признаков, доступных селекционеру, в том числе за счёт генов организмов, которые не скрещиваются обычным способом. Однако наличие внесённого гена ещё не означает, что признак будет проявляться устойчиво и полезно во всех условиях. Полученную форму оценивают по наследованию признака, продуктивности и безопасности, а затем сопоставляют с традиционно выведенными вариантами.
Сравнивай методы по тому, что именно в них изменяют или получают: гибридный организм, клеточный материал либо генетический участок. Пример показывает возможный практический результат, а ограничение помогает понять, почему метод не даёт гарантированного успеха. В реальной селекции направления могут сочетаться: полученный материал всё равно оценивают и отбирают.
| Направление или метод | Что изменяют или получают | Пример результата | Основное ограничение |
|---|---|---|---|
| Гетерозисная селекция | Гибриды первого поколения от родительских линий | Повышенная урожайность или жизнеспособность гибридной культуры | Преимущество часто ослабевает и расщепляется в следующих поколениях |
| Отдалённая гибридизация | Гибриды организмов разных видов, сочетающие их признаки | Попытка объединить холодостойкость и крупные плоды | Несовместимость родителей или бесплодие гибрида |
| Клеточная инженерия | Клетки, ткани, клеточные линии и растения из них | Быстрое размножение растений или получение оздоровлённого материала | Не всякий материал легко выращивать; результат требует проверки |
| Генная инженерия | Генетический материал, включая отдельные гены | Организм с целенаправленно введённым наследственным признаком | Нужно проверять стабильность признака, продуктивность и безопасность |
Задача 1. У гибридов первого поколения выше урожайность, чем у обеих родительских линий. Нужно определить явление и объяснить, почему для поддержания результата используют повторное скрещивание исходных линий.
Сравниваем признак гибридов с признаками обеих родительских форм: урожайность выше у потомства первого поколения.
Такое преимущество гибрида первого поколения по хозяйственно ценному признаку называют гетерозисом.
В следующих поколениях сочетания генов расщепляются, поэтому часть потомков может потерять высокую урожайность. Повторное скрещивание исходных линий позволяет снова получать гибриды с ожидаемым сочетанием признаков.
Ответ: наблюдается гетерозис. Исходные линии повторно скрещивают, чтобы заново получать гибриды первого поколения, у которых проявляется нужное сочетание признаков.
Задача 2. Селекционер хочет объединить устойчивость к холоду у одного вида растения с крупными плодами у другого. Нужно выбрать подходящее направление и назвать возможную трудность.
Требуемые свойства принадлежат организмам разных видов, значит, обычного отбора внутри одной исходной формы недостаточно.
Подходящее направление — отдалённая гибридизация: скрещивание представителей разных видов ради сочетания их признаков.
Такое скрещивание может затрудняться несовместимостью видов. Даже жизнеспособный гибрид может оказаться бесплодным, если его хромосомы не обеспечивают нормальное образование половых клеток.
Ответ: следует применить отдалённую гибридизацию. Возможная трудность — невозможность получить гибрид или его бесплодие.
Задача 3. Для сельскохозяйственной культуры требуется быстро получить много генетически сходных растений, а затем отдельно создать вариант с новым наследственным признаком. Нужно подобрать метод для каждой цели и объяснить различие между ними.
Сначала определяем, что требуется для первой цели: быстро размножить растения, сохранив сходство их наследственных признаков.
Для этого подходит культура клеток и тканей — метод клеточной инженерии. Из клеточного или тканевого материала можно вырастить множество растений; этот способ сам по себе не означает целенаправленного переноса определённого гена.
Вторая цель — получить новый наследственный признак направленным изменением генетического материала. Для неё подходит генная инженерия, например перенос отдельного гена с нужной информацией.
После получения нового варианта необходимо проверить, передаётся ли признак потомству и насколько он полезен. Так различаются задачи: клеточные методы помогают работать с материалом и размножать его, а генная инженерия целенаправленно меняет генетический состав.
Ответ: для массового размножения используют культуру клеток и тканей, а для целенаправленного получения нового наследственного признака — генную инженерию. Полученные растения в обоих случаях оценивают и отбирают.
Считать гетерозис постоянным признаком всех поколений. Его наиболее выраженный эффект обычно наблюдают у гибридов первого поколения, а при дальнейшем размножении сочетания генов меняются. Ошибка возникает, если особенности гибрида принимают за гарантированное свойство всех его потомков. Проверь себя: уточни, о каком поколении говорится и сравниваются ли гибриды с родительскими формами.
Полагать, что скрещивание разных видов всегда даёт плодовитое потомство. Виды могут быть несовместимы, а гибриды — нежизнеспособны или бесплодны. Это заблуждение появляется, когда внимание обращают только на возможность получить гибрид. Проверь себя: отдельно оцени, может ли он развиться и способен ли размножаться.
Смешивать клеточную и генную инженерию. Работа с клетками и тканями не обязательно направленно меняет конкретный ген. Методы путают из-за общего слова «инженерия», хотя их непосредственные задачи различны. Проверь себя: спроси, размножают ли или выращивают клетки либо целенаправленно изменяют генетический материал.
Думать, что генная инженерия полностью заменяет традиционную селекцию. Внесение гена не гарантирует полезного и стабильного результата в реальных условиях. Ошибку допускают, принимая точность изменения за доказательство практической ценности организма. Проверь себя: выясни, проверены ли наследование признака, продуктивность и безопасность.
Для понимания современной селекции нужны знания о наследственности и изменчивости, генах и хромосомах, а также о скрещивании и искусственном отборе. Они помогают объяснить, откуда берутся новые сочетания признаков и почему потомство может отличаться от родителей. Тема связана с биотехнологией, генетикой и размножением растений и животных. Эти знания пригодятся и при обсуждении применения биотехнологических продуктов: нужно учитывать как возможную пользу, так и безопасность.
Почему гетерозис чаще всего проявляется у гибридов первого поколения?
У гибридов первого поколения сочетаются наследственные варианты от двух родительских форм, и это может повысить жизнеспособность или продуктивность. В следующих поколениях сочетания генов расщепляются, поэтому преимущество часто становится менее выраженным и неодинаковым у потомков.
Можно ли получить плодовитое потомство при скрещивании разных видов?
Иногда это возможно, но результат зависит от совместимости видов и особенностей их хромосом. Гибриды могут оказаться нежизнеспособными или бесплодными, поэтому отдалённая гибридизация часто требует специальных способов преодоления этих трудностей.
Чем клеточная инженерия отличается от генной инженерии?
Клеточная инженерия работает с клетками и тканями: например, позволяет выращивать растения из клеток или получать клеточные линии. Генная инженерия целенаправленно изменяет генетический материал, например переносит отдельный ген, чтобы придать организму новый признак.
Заменяет ли генная инженерия традиционную селекцию?
Нет. Она позволяет целенаправленно вводить отдельные гены и расширяет набор доступных признаков, но не решает автоматически все задачи селекции. Полученные организмы нужно проверять, сравнивать и отбирать по нужным свойствам.
Зачем проверять новые селекционные формы после их получения?
Проверка показывает, проявляется ли нужный признак у потомства и сохраняется ли он в разных условиях. Также оценивают продуктивность, устойчивость и безопасность, чтобы отличить перспективную форму от той, которая не подходит для практического использования.
11.4. Достижения и основные направления современной селекции
