Селекция и биотехнология

Определения и обозначения

Селекция — наука и практическая деятельность по созданию и улучшению сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов. Она помогает получать организмы с полезными для человека свойствами: например, продуктивностью или устойчивостью к неблагоприятным условиям. Для этого используют наследственные различия организмов. Результаты селекции применяются в сельском хозяйстве, медицине и промышленности.

Сорт, порода и штамм — созданные человеком группы организмов с наследственно закреплёнными признаками. Сорт относится к растениям, порода — к животным, а штамм — к микроорганизмам. У членов такой группы есть характерные свойства, которые могут передаваться потомству или сохраняться при размножении. Эти понятия позволяют называть и различать результаты селекционной работы.

Гибридизация — скрещивание организмов, различающихся по наследственным признакам, для получения потомства с нужным сочетанием свойств. Потомки получают наследственный материал от обеих родительских форм, поэтому могут сочетать их достоинства. Однако желательная комбинация возникает не у каждого потомка. Поэтому скрещивание обычно дополняют отбором.

Биотехнология — использование живых организмов, клеток или биологических процессов для получения полезных продуктов и решения практических задач. Например, микроорганизмы могут производить вещества, которые затем используют в промышленности или медицине. Биотехнология включает методы работы с клетками и генами. Она помогает решать задачи, для которых одного отбора или скрещивания недостаточно.

Как это устроено

Исходным материалом для селекции служит наследственная изменчивость — различия между организмами, которые могут передаваться потомству. Если особенность появилась только из-за питания, температуры или ухода, она не обязательно сохранится после размножения. Поэтому селекционер проверяет, наследуется ли нужный признак. Отбор способен закреплять и распространять именно наследуемые варианты.

При искусственном отборе человек выбирает для размножения организмы с полезными признаками. Их потомство снова оценивают и оставляют тех, у кого нужная особенность выражена хорошо. Если это делать из поколения в поколение, доля таких организмов в группе постепенно возрастает. Так меняются характеристики популяции, хотя сам отбор не производит новых наследственных вариантов.

Гибридизация нужна, когда ценные свойства есть у разных форм и их желательно объединить. Скрещивание позволяет получить потомство с новыми сочетаниями наследственных признаков родителей. Но признаки распределяются между потомками неодинаково, поэтому подходящую комбинацию приходится искать. Последующий отбор сохраняет организмы с нужными свойствами и помогает использовать их для дальнейшего размножения.

Мутационная изменчивость возникает из-за изменений наследственного материала и может создавать новые признаки. Большинство случайных изменений не обязательно полезны, поэтому каждый вариант оценивают, а подходящие организмы отбирают. При индуцированном мутагенезе мутации вызывают целенаправленно, например воздействием мутагенных факторов. Это расширяет набор вариантов для селекции, но не гарантирует, что полученное изменение будет полезным.

Клеточная и генная инженерия позволяют работать с наследственными свойствами на уровне клеток и генов. Клеточная инженерия использует клетки: их можно выращивать, объединять или применять для получения организмов с нужными свойствами. Генная инженерия изменяет наследственный материал, например вводя или преобразуя определённые гены. Эти подходы расширяют традиционную селекцию, поскольку дают возможность получать варианты, которые трудно создать одним скрещиванием.

Методы селекции и биотехнологии

Сравнивая методы, сначала определите, что именно нужно изменить: частоту уже существующего признака, сочетание свойств или наследственный материал. Затем проверьте, какой метод создаёт подходящие варианты, а какой помогает их сохранить. Часто для результата используют несколько методов последовательно.

Разбор задач

Задача 1. Нужно получить растения с более крупными плодами. Требуется определить метод, который позволит выбрать растения с этим признаком и закрепить его в последующих поколениях. При этом важно выяснить, передаётся ли размер плодов потомству. Если крупные плоды возникли только благодаря особым условиям выращивания, одного выбора таких растений будет недостаточно.

1. Сначала выбирают растения, у которых плоды крупнее, чем у остальных. Сравнение проводят в сопоставимых условиях, чтобы не принять влияние среды за наследственное различие. Затем выбранные растения размножают.
2. В следующем поколении проверяют, сохранился ли признак у потомков. Если он наследуется, для размножения снова оставляют растения с крупными плодами. Повторение выбора в нескольких поколениях увеличивает долю нужного варианта.

Ответ. Применяют искусственный отбор и проверяют наследуемость признака. Если крупный размер плодов передаётся потомству, последовательный отбор помогает закрепить его в группе. Сам отбор признак не создаёт.

Задача 2. Две линии растений обладают разными полезными признаками. Нужно предложить план получения потомства, которое сочетает оба свойства, и дальнейшей работы с ним. Например, у одной линии нужная урожайность, а у другой — устойчивость к заболеванию. Ни одна линия по отдельности не отвечает сразу всем требованиям.

1. Сначала скрещивают растения двух линий, чтобы получить гибридное потомство. Благодаря наследственному материалу от обоих родителей потомки могут получить оба полезных признака. Но наличие нужного сочетания нужно проверить, а не предполагать заранее.
2. Затем оценивают потомство и выбирают растения, у которых проявились оба свойства. Отобранные экземпляры размножают и проверяют, сохраняется ли сочетание признаков у следующих поколений. Если оно наследуется, таких потомков снова используют для размножения.

Ответ. Нужно провести гибридизацию, а затем искусственный отбор потомства с нужным сочетанием признаков. Проверка последующих поколений показывает, насколько устойчиво это сочетание. Одного скрещивания недостаточно, чтобы закрепить подходящий результат.

Задача 3. Для микроорганизма требуется получить штамм, который производит больше полезного вещества. Возможны отбор уже имеющихся вариантов, получение новых вариантов с помощью мутагенеза и биотехнологическая работа с клетками или генами. Выбор зависит от того, известен ли наследственный механизм признака и есть ли подходящий исходный материал. В любом случае результат нужно проверить на способность сохранять высокую продуктивность.

1. Сначала сравнивают имеющиеся варианты микроорганизма и отбирают те, которые производят больше вещества. Если подходящий наследственный вариант найден, его можно использовать для получения и проверки потомства или новых культур.
2. Если готового варианта нет, индуцированный мутагенез может расширить изменчивость. Полученные варианты проверяют, поскольку изменения не обязательно повышают продуктивность. Подходящий штамм затем отбирают и проверяют на сохранение свойства.
3. Если известен генетический механизм продуктивности, можно рассмотреть генно-инженерный подход; клеточные методы применяют при необходимости работать с клетками. Выбор технологии зависит от задачи и доступных способов работы. Ни один метод сам по себе не отменяет проверки результата.

Ответ. Начать можно с отбора имеющихся вариантов, а при нехватке подходящих — использовать мутагенез и последующий отбор. Генная или клеточная инженерия может быть уместна, если задача требует целенаправленной работы с генами или клетками. Полученный штамм проверяют на высокую продуктивность и устойчивое сохранение признака.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что отбор сам создаёт новые наследственные признаки. Так думают, потому что после отбора группа действительно начинает отличаться от исходной, но изменение связано с размножением уже имевшихся вариантов. Отбор сохраняет и распространяет их, а мутации возникают по другим причинам. Проверка: спросите себя, появился ли вариант до выбора организмов или именно выбор создал его.

Ошибка — смешивать гибридизацию и искусственный отбор. Их могут проводить последовательно, поэтому кажется, что это один процесс. На деле скрещивание создаёт новые сочетания признаков, а отбор помогает найти и сохранить нужное сочетание среди потомков. Проверка: если организмы скрещивают, это гибридизация; если выбирают, кого размножать, — отбор.

Ошибка — полагать, что любой признак организма наследуется. Внешний вид и продуктивность могут зависеть не только от генов, но и от условий среды. Поэтому приобретённое в течение жизни изменение не обязательно передастся потомству. Проверка: выясните, сохраняется ли признак у потомков при сопоставимых условиях выращивания или содержания.

Ошибка — считать клеточную и генную инженерию одним методом. Такое смешение возникает потому, что оба подхода связаны с биотехнологией и могут менять свойства организмов. Однако клеточная инженерия работает с клетками, а генная — непосредственно с наследственным материалом. Проверка: определите объект воздействия — клетка целиком или отдельные гены и их участки.

Связь с другими темами

Для понимания селекции нужны знания о наследственности, изменчивости, генах, мутациях и размножении. Наследственность объясняет, почему признаки могут передаваться потомству, а изменчивость — откуда берутся различия между организмами. Понимание мутаций помогает разобраться в появлении новых наследственных вариантов. Без этих понятий трудно объяснить, почему отбор даёт результат не во всех случаях.

Тема пригодится при дальнейшем изучении генетики и эволюции: селекция показывает, как наследственные различия меняются под действием направленного человеком выбора. Она связана и с экологией сельского хозяйства, поскольку выращиваемые организмы взаимодействуют с условиями среды. Практическое применение биологических знаний видно в производстве продуктов и полезных веществ. Знание методов помогает оценивать, каким способом можно получить нужный результат.

Что запомнить

• Селекция опирается на наследственную изменчивость организмов.
• Искусственный отбор направляет размножение организмов с нужными человеку признаками.
• Гибридизация объединяет наследственные признаки разных форм.
• Мутации создают новые наследственные варианты, которые могут стать материалом для отбора.
• Биотехнология использует организмы, клетки и биологические процессы для практических целей.
• Клеточная и генная инженерия расширяют возможности создания организмов с заданными свойствами.