Мутагенез в лесной селекции

1.

Мутагенез в лесной
селекции
Выполнил магистрант 41М гр. Румянцева Д.А.

2.

Вопросы:
1. Эволюционное и селекционное значение мутаций.
2. Свойства мутаций.
3. Индуцированные мутации.
4. Использование искусственного мутагенеза в
селекции растений.
Ключевые слова: Мутации, мутанты, мутагенез, спонтан-ные
мутации, индуцированные мутации, мутагены, физичес-кие
мутагены, химические мутагены, генные мутации, хро-мосомные
мутации, геномные мутации, плазмонные мутации, пластидные
мутации, делеции, инверсии, транслокации, дупликации,
морфологические
мутации,
физиологические
мутации,
биохимические мутации, полезные мутации, вредные мутации,
летальные
мутации,
хозяйственно
полезные
мутации,
гаметические мутации, соматические мутации.

3.

Мутации – это внезапно появляющиеся и передающиеся по наследству изменения
идиотипа (Э. Ромедер, Г. Шёнбах, 1962, стр. 82).
Мутации – это наследственные изменения, которые составляют генетическую основу
изменчивости и служат сырым материалом для отбора и эволюции (У. Уильямс, 1968, стр.
137).
https://s9.travelask.ru/system/images/files/001/295/250/wysiwyg_jpg/a5dc45c7540bb71a358b81ee
b243c538.jpg?1553889209

4.

1. Эволюционное и селекционное значение мутаций
1. Являются элементарным эволюционным материалом - поставляют материал для
адаптациогенеза и формообразования (полезные, повышающие успех особи в размножении,
мутации сохраняются у потомков и служат основой для формирования новых видовых
адаптаций; мутации, нижающие жизнестойкость и уменьшающие шансы особи в размножении,
отметаются естественным отбором)
2. Являются эволюционным фактором - изменяют генетическую структуру популяции
(частоты аллелей и генотипов),
3. Обуславливают генетический полиморфизм природных популяций (гетерогенность) отличие генофондов природных популяций
https://images11.popmeh.ru/upload/img_cache/
92b/92befaaf091eb6d8189925c407700b88_ce_
1280x682x0x19.jpg

5.

4. Образование новых аллелей и явление множественного аллелизма в генофонде популяций по
каждому признаку
5. Морфологические, физиологические, биохимические и др. аномалии клеток и организма,
снижающие их жизнестойкость
6. Наследственные болезни человека (ферментопатии, синдромы)
7. Материал для селекции
https://naked-science.ru/wpcontent/uploads/2018/04/field_image_chromosomes.jpg

6.

Причины мутаций
Мутагенные факторы (мутагены) - вещества и воздействия, способные индуцировать
мутационный эффект (любые факторы внешней и внутренней среды, которые могут
нарушить гомеостаз)
· Усиливают интенсивность естественного мутационного процесса в 10 - 100 раз
(наиболее мощные химические супермутагены усиливают мутагенез в тысячи раз)
· Мутагены универсальны, т. е способны вызывать мутации во всех живых организмах
(действуют ненаправленно)
· Мутагены не имеют нижнего порога мутационного действия, т. е. способны вызывать
мутации в любых малых дозах
· Мутагены детерминированы внешней и внутренней средами
https://ribalych.ru/wpcontent/uploads/2013/04/0124.jpg

7.

Мутагенные факторы внешней среды:
1. Физические мутагены : а) электромагнитные и корпускулярные ионизирующие излучения
(рентгеновские лучи , g - лучи , космические лучи , a - и b - частицы , протоны , нейтроны и
ультрафиолетовые лучи ) - самые эффективные мутагены
б) повышенная температура ( относительно слабый эффект )
в) экстремальные значения любого физического фактора
2. Химические мутагены : а) ксенобиотики
б) концерогены , алкалоиды ( колхицин ), пестициды (ДДТ), вещества бытовой химии, косметики,
эндо - и экзотоксины, наркотики, табак, боевые отравляющие вещества (иприт), красители, консерванты и
т.д.
3. Биологические мутагены - установлено мутагенное действие некоторых биологических объектов вирусов , бактерий , простейших , гельминтов при проникновении их в организм человека
4. Промышленные мутагены
5. Фармакологические мутагены
Мутанты - организмы , носители мутаций
https://bugaga.ru/uploads/posts/201304/1365440735_mutanty-sredi-rasteniy-15.jpg

8.

Мутагенные факторы внутренней среды
1. Процесс мейоза при гаметогенезе и спорогенезе (кроссинговер, расхождение
хромосом в анафазе I мейоза)
2. Процесс митоза в ходе манипуляций ДНК (для соматических клеток)
3. Наличие специальных генов-модуляторов (аллели мутаторы), вызывающих мутации в
других локусах в стабильных условиях
4. Случайные «ошибки» в процессе репликации ДНК в интерфазе митотического цикла
https://kaifolog.ru/uploads/posts/201512/1450261593_022.jpg

9.

Частота мутаций
· Частота мутирования отдельных генов широко варьирут и зависит от состояния организма
и этапа онтогенеза (обычно растёт с возрастом); в среднем каждый ген мутирует один раз в 40
тысяч лет
· Частота спонтанного мутирования генов невелика и исчисляется единицами, реже
десятками и совсем редко сотнями случаев на 1 млн. гамет (учитывая огромное число гамет
принято считать, что около 5 - 10 % всех гамет несут какую - либо мутацию)
· Средняя частота мутаций сопоставима у широкого круга существ (от бактерий до
человека) и не зависит от уровня и типа морфофизиологической организации
https://pic.xenomorph.ru/2011-03/1299307075_22.jpg

10.

· У человека на каждый гаплоидный набор генов за поколение возникает от одной до
десяти новых мутаций
· Описаны аллели - мутаторы, присутствие которых в геноме повышает частоту
мутирования в других локусах на несколько порядков
· Интенсивность мутационного процесса поддерживается на безопасном для
жизнеспособности вида уровне благодаря естественным антимутагенным
барьерам (репарации)
Репарация (или коррекция нарушений структуры ДНК) процесс устранения из
наследственного материала клетки изменённого участка путём его ферментативного
разрушения и последующего восстановления исходного неповреждённого фрагмента ДНК
https://cdn.fishki.net/upload
/post/2018/11/04/2756536/6
2080f901082d1d5d09710c18
e548266.jpg

11.

Селекционное значение мутации
Каждый из подклассов балансированного полиморфизма подразделяется в свою очередь на
роды в зависимости от природы фактора, определяющего процентное соотношение форм.
Процентное соотношение форм связано с их относительным селективным значением.
Селективное значение признаков, отличающих формы, может быть равным, и тогда процентное
соотношение форм определяется стрелочным механизмом. Селективное значение форм может
отличаться, и тогда стрелочный механизм в каждом поколении возвращает соотношение форм к
исходному значению. Равенство селективных значений форм наблюдается в случае полового
диморфизма у моногамов.
https://r3.mt.ru/r27/photo616A
/20440062626-0/jpg/bp.jpeg

12.

Соотношение форм 1:1 определяется механизмом реализации пола. При полигамии или
полиандрии селективные значения форм отличаются друг от друга. Представители одного пола
уничтожаются или отстраняются от размножения в большей степени, чем представители
другого пола. Процентное соотношение форм при полигамии и полиандрии — это результат
взаимодействия стрелочного механизма и селективных сил. Встречаются и более сложные
взаимодействия.
Селективное значение каждой из форм может варьировать в зависимости от условий.
Признак, отличающий одну форму от другой, может подвергаться отрицательному отбору в
одних условиях, но оказаться полезным в других условиях. Баланс селективных сил
поддерживает соотношение форм на одном и том же уровне. Процентное соотношение форм
складывается как результат взаимодействия механизма, реализующего различия, и нескольких
селективных сил, действующих в прямо противоположных направлениях. Эти наиболее
сложные случаи широко распространены в природе.

13.

Когда селективное значение мутации очень мало, а постоянная гетерозиготность по ней
отсутствует, ее концентрация в популяции поддерживается балансом между частотой
возникновения мутации и частотой ее элиминации. Балансированный полиморфизм в этом
случае основан на взаимодействии стрелочного механизма, давления мутационного процесса
и давления отбора.
В основе
переходного полиморфизма,
в
противоположность балансированному
полиморфизму, всегда лежит один механизм реализации различий — генотипический. На
правленный сдвиг в процентном соотношении форм осуществим только на основе
генотипического разнообразия популяций. Переходному типу полиморфизма соответствует
один класс — генотипический.
https://mtdata.ru/u23/photo
6D2F/201211143600/original.jpg

14.

2. Свойства мутаций
Мутации могут происходить под влиянием как внешних, так и внутренних воздействий.
Различают мутации генеративные — они возникают в гаметах, и соматические — они воз-
никают в соматических клетках и затрагивают лишь часть тела; такие мутации будут
передаваться следующим поколениям только при вегетативном размножении.
По характеру изменений в генотипе мутации подразделяются на несколько видов.
Точечные, или генные мутации представляют собой изменения в отдельных генах. Это может
произойти при замене, выпадении или вставке одного или нескольких нуклеотидов в молекуле
ДНК.
https://www.5nt.ru/Storage/Image/BlogIte
mGardener/Image/big/4843/
an.jpg

15.

Хромосомные мутации представляют собой изменения частей хромосом или целых
хромосом. Такие мутации могут происходить в результате делеции — утраты части хромосомы,
дупликации — удвоения какого-либо участка хромосомы, инверсии — поворота участка
хромосомы на 180°, транслокации — отрыва части хромосомы и перемещения ее в новое
положение, например, присоединения к другой, негомологичной, хромосоме. Структурные
хромосомные мутации, как правило, вредны для организма.
Геномные мутации заключаются в изменении числа хромосом в гаплоидном наборе. Это
может происходить за счет уменьшения или увеличения числа хромосом в гаплоидном наборе.
Частный случай геномных, мутаций — полиплоидия — увеличение числа хромосом в
генотипе, кратное п. Это явление возникает при нарушении веретена деления при мейозе или
митозе. Полиплоиды отличаются мощным ростом, большими размерами. Большинство
культурных растений полиплоиды. Тетероплоидия связана с недостатком или избытком
хромосом в одной гомологичной паре. Эти мутации вредны для организма; примером может
служить болезнь Дауна, при которой в 21-й паре появляется лишняя хромосома.

16.

Мутации имеют ряд свойств.
1) возникают внезапно, и мутировать может любая часть генотипа;
2) чаще бывают рецессивными и реже — доминантными;
3) могут быть вредными (большинство мутаций), нейтральными и полезными (очень редко) для
организма;
4) передаются из поколения в поколение;
5) представляют собой стойкие изменения наследственного
материала;
6) это качественные изменения, которые, как правило, не образуют непрерывного ряда вокруг
средней величины при- g знака;
7) могут повторяться.
https://jbks.ru/assets/images/conte
nt/issue1/article8/3.jpg

17.

3. Индуцированные мутации
Индуцированные – это те мутации, которые вызваны искусственно, с использованием
различных факторов мутагенеза.
Процесс образования мутаций называется мутагенезом, а факторы, вызывающие мутации –
мутагенами.
Мутагенные факторы подразделяются на: физические, химические, биологические.
https://avatars.mds.yandex.net/getzen_doc/1717677/pub_5cdab4a9bd08
5200b36d64d4_5cdaba20bd085200b36
d6514/scale_1200

18.

Индуцированнные мутации впервые обнаружили в 1925 г. Г.А. Надсон и Г.С. Филиппов в
СССР. Они облучали рентгеновскими лучами культуры плесневых грибов Mucor genevensis и
получили расщепление культуры «на две формы или расы, отличающиеся не только друг от
друга, но и от исходной (нормальной) формы». Мутанты оказались стабильными, так как после
восьми последовательных пересевов сохраняли приобретенные свойства. В 1927 г. Г. Мёллер
сообщил о действии рентгеновских лучей на мутационный процесс у дрозофилы и предложил
количественный метод учета рецессивных летальных мутаций в Х-хромосоме (ClB), который
стал классическим. В 1946 г. Мёллеру была присуждена Нобелевская премия за открытие
радиационного мутагенеза. В настоящее время установлено, что практически все виды
излучений (в том числе ионизирующая радиация всех видов – a, b, g; УФ-лучи, инфракрасные
лучи) вызывают мутации. Их называют физическими мутагенами. Основные механизмы их
действия: нарушение структуры генов и хромосом за счет прямого действия на молекулы ДНК
и белков; образование свободных радикалов, которые вступают в химическое взаимодействие с
ДНК; разрывы нитей веретена деления; образование димеров (тиминовых).

19.

К химическим мутагенам относят:
-природные органические и неорганические вещества;
-продукты промышленной переработки природных соединений – угля, нефти;
-синтетические вещества, ранее не встречавшиеся в природе (пестициды, инсектициды и
т.д.);
-некоторые метаболиты организма человека и животных.
Химические мутагены вызывают преимущественно генные мутации и действуют в период
репликации ДНК.
Механизмы их действия:
-модификация
структуры
оснований
(гидроксилирование,
алкилирование);
-замена азотистых оснований их аналогами;
-ингибиция синтеза предшественников нуклеиновых кислот
дезаминирование,

20.

К биологическим мутагенам относятся:
-вирусы (краснухи, кори и др.);
-невирусные инфекционные агенты (бактерии, риккетсии, простейшие, гельминты);
-мобильные генетические элементы.
Механизмы их действия:
-геномы вирусов и мобильных элементов встраиваются в ДНК клеток хозяина;
-продукты жизнедеятельности паразитов – возбудителей болезней действуют как
химические мутагены.
https://ribalych.ru/wpcontent/uploads/2013/04/0049.jpg

21.

Индуцированный мутагенез, начиная с конца 20-х годов XX века, используют для
селекции новых штаммов, пород и сортов. Наибольшие успехи достигнуты в селекции
штаммов бактерий и грибков – продуцентов антибиотиков и других биологически активных
веществ. Так, удалось повысить активность продуцентов антибиотиков в 10-20 раз, что
позволило значительно увеличить производство соответствующих антибиотиков и резко
снизило их стоимость. Использование мутаций карликовости у пшеницы позволило в 60-70
годах резко увеличить урожай зерновых культур, что было названо «зеленой революцией».
Пшеница карликовых сортов имеет укороченный толстый стебель, устойчивый к полеганию,
он выдерживает повышенную нагрузку от более крупного колоса. Использование этих сортов
позволило существенно увеличить урожаи (в некоторых странах в несколько раз). Генные
(точковые) мутации связаны с относительно небольшими изменениями последовательностей
нуклеотидов. Генные мутации подразделяются на изменения структурных генов и изменения
регуляторных генов.

22.

4. Использование искусственного мутагенеза в селекции растений
Применение мутагенных факторов позволяет получить многообразные наследственно
обусловленные отклонения от нормального состояния растений, что приводит к увеличению
числа форм в пределах вида и расширяет в целом базу исходного материала для отбора при
селекции. Тот факт, что в подавляющем большинстве мутации ненаправлены и случайны по
проявлениям признаков и свойств, приводит к необходимости последующего отбора в
полученных поколениях мутировавших особей. Следовательно, основное значение мутагенеза
как инструмента практической селекции – это увеличение разнообразия и расширение базы
исходного материала для отбора. Мутагенез можно рассматривать как один из этапов селекции.
https://petpop.cc/upload/users/2
018/09/18/1036597/7aadfc776ddc
2375a1d3615dd4460633.jpg

23.

Искусственный мутагенез не сразу приобрел свое современное значение для
селекции растений. Когда в 1928 году Стадлер получил первые искусственные мутации
некоторых культурных растений, он считал, что для селекции это не будет иметь
никакого
практического
значения.
Такое
представление
о
значении
мутаций
поддерживалось многими специалистами того времени. Оно основывалось на
ограниченном числе мутантов, которые превосходили по своим признакам и свойствам
культурные образцы, полученные отбором в природе или путем гибридизации.
https://yesofcorsa.com/wpcontent/uploads/2019/02/UnusualFruit-Wallpaper.jpg

24.

Повышенный интерес к искусственно получаемым мутациям был проявлен лишь в
пятидесятых годах двадцатого столетия, когда были достигнуты заметные результаты работ в
ядерной физике и в химии высокореактивных веществ. Именно это обстоятельство сделало
процесс получения мутаций настолько эффективным, что последующий отбор полезных
отклонений стал результативным.
https://upload.wikimedia.org/wikip
edia/commons/2/2e/Zmiany_niep
asozytnicze_pinus_sylvestris_beentr
ee.jpg

25.

Одно из общих направлений в астений методом
мутагенеза
устойчивых
стало
к
получеселекции
грибным
рние
заболеваниям
мутаций,
(ржавчине,
мучнистой росе, склеротинии и др.). В такой селекции
сельскохозяйственных
растений
уже
достигнуты
значительные результаты. Работа по селекционному
совершенствованию
древесных
и
кустарниковых
растений в направлении усиления устойчивости к
фитозаболеваниям
положительные итоги.
https://1ua.com.ua/manage/foto/20152/
b3638889.jpg
еще
должна
дать
свои

26.

Одно из активно разрабатываемых направлений
селекции
методом
мутагенеза
–
это
получение
карликовых сортов растений. Аналогичные работы в
лесном хозяйстве могут дать результат, который будет
иметь большое значение в декоративном древоводстве.
Не мене важным является получение мутантов с
повышенными
темпами
роста,
что
позволит
существенно сократить оборот рубки на созданных из
https://i0.wp.com/dostop.ru/wpcontent/uploads/2018/08/tancuyushchijних промышленных плантациях.
les-e1533638091789.jpg

27.

Весьма перспективным направлением искусственного мутагенеза является получение
мутантов с измененными биохимическими показателями, в частности высокотанидных,
высоковитаминных, с повышенным выходом живицы и пр.
В растениеводстве возможно два основных пути селекционного использования
искусственных мутантов.
1. Прямое использование мутаций, полученных от самых лучших в хозяйственном
отношении образцов.
2. Использование мутантов в процессе гибридизации.
https://img.ukr.bio/data/articles/img/5167/p
oluvannya_na_vidmini_mitli_4.jpg

28.

В первом случае ставится задача улучшения существующих форм, гибридов и сортов по
отдельным
хозяйственно-биологическим
признакам.
Прямое
использование
мутаций
рассчитано на быстрое создание обширного исходного материала, в составе которого можно
было бы отобрать особи с наследственно обусловленными изменениями требуемого
направления и уровня.
https://i.playground.ru/i/pix/547965/image.jpg

29.

Если в сельскохозяйственном растениеводстве такое направление не всегда признается
достаточно эффективным, поскольку количество нужных наследственных изменений
невелико, то в лесном хозяйстве оно приобретает иное значение. Большинство
сельскохозяйственных растений относится к однолетним культурам, что обеспечивает
реальное их дальнейшее селекционное совершенствование путем гибридизации. Дать
хозяйственную оценку новому гибриду и получить его семенное поколение можно уже
через год после гибридизации Древесные породы являются многолетними растениями,
возраст генеративной зрелости которых часто составляет несколько десятков лет. Это
крайне осложняет работы по оценке хозяйственной значимости мутантов (возраст рубки
100 и более лет), и тем более по оценке хозяйственной значимости их потомков или
потомков их потомков.

30.

https://pbs.twimg.com/media/D3dskCX4AEYSns.jpg:large

31.

Второй путь использования мутантов предусматривает включение их в качестве одного из
родителей в различных комбинациях скрещивания с обычными сортами, формами, линиями
или другими мутантами. При этом процесс может быть достаточно сложным и многоэтапным.
Различные поколения растений, полученных из семян после воздействия мутагенами, в
большинстве случаев принято обозначать буквой М с цифровым индексом, соответствующим
поколению мутантов. Растения, выросшие непосредственно из обработанных мутагенами
семян обозначают М1, их потомство называется вторым поколением и обозначается М2,
каждое последующее поколение соответственно обозначается М3, М4 и т.д. Как правило, в М1
отбор не проводят и все поколение выращивают в оптимальных условиях среды. В М2
отбирают мутанты с хорошо выраженными селектируемыми признаками для прямого
использования или дальнейшего участия в скрещиваниях.
Однако очевидно, что на современном этапе развития селекции древесных и
кустарниковых растений этот путь мало реален, поскольку требует чрезвычайно длительного
времени.