Основные методы селекции растений, животных, микроорганизмов. Биотехнология

1.

Основные методы
селекции растений,
животных,
микроорганизмов.
Биотехнология

2.

Селекция – это наука о методах создания новых и
улучшении существующих пород животных, сортов
растений, штаммов микроорганизмов, с необходимыми
человеку свойствами.
Сорт, порода, штамм –
это популяции растений,
животных, микроорганизмов, которые искусственно выведены
человеком, характеризующиеся конкретным генофондом, в
котором
передаются
по
наследству
определённые
морфологические и физиологические признаки с необходимым
уровнем и спецификой продуктивности.

3.

Основные задачи селекции
Исследование многообразия растений, животных и
микроорганизмов, которые относятся к объектам селекции.
Повышение продуктивности пород животных, сортов
растений, штаммов микроорганизмов.
Проведение анализа характера наследственной изменчивости
при проведении гибридизации и мутационного процесса.
Изучение действия среды на развитие признаков
и свойств организмов.
Выведение сортов растений и пород животных, устойчивых к
заболеваниям и действию абиотических факторов.
Усовершенствование методов искусственного отбора с целью усиления и
закрепления необходимых для человека признаков у организмов с
различными типами размножения.
Выведение организмов, пригодных для использования в промышленности, которые можно легко выращивать, разводить и убирать.

4.

Н.И. Вавилов установил 7 центров древнего земледелия, где люди впервые
стали выращивать дикие виды растений.
• Южноазиатский тропический – Тропическая Индия, Индокитай, Южный Китай, острова ЮгоВосточной Азии. Рис, сахарный тростник, цитрусовые, огурец, баклажан, чёрный перец,
цитрусовые (около 50% культурных растений).
• Восточноазиатский – Центральный и Восточный Китай, Япония, Корея, Тайвань. Соя, просо,
гречиха, овёс, чай, персик, слива, вишня, редька (около 20% культурных растений).
• Юго-Западноазиатский – Малая Азия, Средняя Азия, Афганистан, Юго-Западная Индия.
Пшеница, рожь, горох, чечевица, лён, конопля, дыня, яблоня, груша, слива, абрикос, вишня,
виноград, миндаль, гранат, инжир, лук, чеснок, морковь, репа, свекла (около 14% культурных
растений).
• Средиземноморский – страны по берегам Средиземного моря. Пшеница, овес, рожь, капуста,
сахарная свекла, укроп, петрушка, маслина, лавр, малина, дуб пробковый, клевер, вика (11%
культурных растений).
• Абиссинский – Абиссинское нагорье Африки. Сорго, твёрдая пшеница, ячмень, кунжут,
хлопчатник, клещевина, кофе, финиковая пальма, бананы (около 4% культурных растений).
• Центральноамериканский – Южная Мексика. Кукуруза, фасоль, тыква, батат, перец, хлопчатник,
табак, авокадо, какао, орех (пекан), томат (10% культурных растений).
• Андийский (Южноамериканский) – Южная Америка вдоль западного побережья. Картофель,
ячмень, ананас, арахис, тыква, хинное дерево (8% культурных растений).

5.

Методы селекции
Отбор
Гибридизация
Полиплоидия
Мутагенез

6.

Методический
отбор
как
метод
селекции
предполагает
сознательный
систематический
отбор
представителей
растений,
животных
или
микроорганизмов с определёнными признаками, а также
стремление к выведению нового сорта или породы.

7.

Виды
искусственного отбора
Массовый
отбор
Массовый отбор – это выделение группы
особей с желаемыми качествами, потомство
которой генетически неоднородно и поэтому
для
него
характерно
расщепление
по
признакам при размножении, в связи с чем
отбор проводят в ряде поколений.
Индивидуальный
отбор
Индивидуальный отбор – это
отбор
единичных
особей
с
необходимыми
качествами,
потомство которых выращивают
отдельно от остальных.

8.

Скрещивание
(гибридизация)
Близкородственное
скрещивание
(инбридинг)
Гибридизация
Неродственное
скрещивание
(аутбридинг)
–
метод
селекции
для
увеличения
разнообразия
исходного
генетического материала.
Внутривидовая
гибридизация
Отдалённая
гибридизация

9.

Основные методы селекции растений
Искусственный отбор
Массовый
отбор
Перекрёстноопыляемые
растения (рожь,
кукуруза,
подсолнечник)
Индивидуальный
отбор
Самоопыляемые растения
(пшеница,
ячмень, горох)
Гибридизация
Аутбридинг
(неродственное
скрещивание)
Инбридинг
(близкородственное
скрещивание)
Чистая линия –
потомство одной
гомозиготной
самоопыляющейся
особи

10. Массовый отбор

• Массовый отбор применяют при
селекции
перекрёстноопыляемых
растений
(рожь,
кукуруза, подсолнечник).
• В этом случае сорт представляет
собой популяцию, состоящую из
гетерозиготных особей, и каждое
семя
обладает
уникальным
генотипом.
• С помощью массового отбора
сохраняются
и
улучшаются
сортовые качества, но результаты
отбора неустойчивы в силу
случайного
перекрестного
опыления.
Индивидуальный отбор
• Индивидуальный отбор применяют
при
селекции
самоопыляемых
растений (пшеница, ячмень, горох). В
этом случае потомство сохраняет
признаки
родительской
формы,
является гомозиготным и называется
чистой линией.
• Чистая линия – потомство одной
гомозиготной самоопылённой особи.
Так
как
постоянно
происходят
мутационные
процессы,
то
абсолютно гомозиготных особей в
природе практически не бывает.
• Мутации чаще всего рецессивны. Под
контроль
естественного
и
искусственного отбора они попадают
только тогда, когда переходят в
гомозиготное состояние.

11.

Инбридинг (инцухт)
Так
называется
близкородственное
скрещивание.
Инбридинг имеет место при самоопылении
перекрёстноопыляемых растений.
Для инбридинга подбирают такие растения,
гибриды которых дают максимальный
эффект гетерозиса. Такие подобранные
растения в течение ряда лет подвергаются
принудительному самоопылению.
В
результате
инбридинга
многие
рецессивные
неблагоприятные
гены
переходят в гомозиготное состояние, что
приводит к снижению жизнеспособности
растений, к их «депрессии».
Затем полученные линии скрещивают
между собой, образуются гибридные
семена, дающие гетерозисное поколение.

12.

Гетерозис («гибридная сила»)
Эффект гетерозиса – выводят несколько отличных друг от друга чистых линий с
последующим межлинейным скрещиванием, по результатам проявления
эффекта гетерозиса производят отбор линий для получения гибридных семян.
• Это явление, при котором гибриды по ряду признаков и
свойств превосходят родительские формы.
• Гетерозис характерен для гибридов первого поколения, первое
гибридное поколение дает прибавку урожая до 30%. В
последующих поколениях его эффект ослабляется и исчезает.
• Эффект гетерозиса объясняется двумя основными гипотезами.
• Гипотеза доминирования предполагает, что эффект гетерозиса
зависит от количества доминантных генов в гомозиготном или
гетерозиготном состоянии. Чем больше в генотипе генов в
доминантном состоянии, тем больше эффект гетерозиса.

13.

Гетерозис («гибридная сила»)
• Гипотеза сверхдоминирования объясняет явление гетерозиса
эффектом сверхдоминирования.
• Сверхдоминирование – вид взаимодействия аллельных генов,
при
котором
гетерозиготы
превосходят
по
своим
характеристикам (по массе и продуктивности) соответствующие
гомозиготы.
• Начиная со второго поколения гетерозис затухает, так как часть
генов переходит в гомозиготное состояние.
P:
F1:
Аа × Аа
АА 2Аа аа

14. Отдалённая гибридизация (аутбридинг)

Это скрещивание растений, относящихся к разным видам.
Отдалённые гибриды обычно стерильны, так как у них нарушается мейоз (два
гаплоидных набора хромосом разных видов не могут конъюгировать) и,
следовательно, не образуются гаметы.
Селекционер в процессе получения гибридов постоянно сталкивается с рядом
проблем. Основные из них:
• трудности в скрещивании генетически разных видов;
• полученные гибридные семена не всходят;
• гибриды первого поколение бесплодны.
Причины возникновения такого рода проблем:
• пыльца не приживается на рыльце другого сорта растений;
• пыльца приживается, но пыльцевые трубки прорастают медленно и не могут
достигнуть зародышевого мешка;
• отсутствие оплодотворения;
• после успешного оплодотворения, зародыши часто замирают на стадии
нескольких клеток;
• при нормальном развитии зародыша, могут формироваться невсхожие семена.

15. Отдалённая гибридизация (аутбридинг)

Причины бесплодия гибридов
• Бесплодие
наступает
через
несоответствие
хромосомных
наборов, отсутствие конъюгации
гомологичных хромосом, нарушение фаз мейоза. Как следствие
невозможно образование половых клеток.
• Недоразвитость органов размножения. Часто наблюдается неполноценное
развитие
мужских
репродуктивных
органов
–
пыльников, встречается также
стерильность женских особей.

16.

Георгий Дмитриевич
Карпеченко
(1899–1941 гг.)
Г.Д. Карпеченко предложил
использовать в 1924 г. метод
полиплоидии для устранения
бесплодия гибридов.
• Вначале скрестил редьку (2n = 18)
и капусту (2n = 18). Диплоидный
набор гибрида был равен 18
хромосомам, из которых 9 хромосом были «редечными» и 9 –
«капустными».
• Полученный
капустно-редечный
гибрид
был
стерильным,
поскольку
во
время
мейоза
«редечные»
и
«капустные»
хромосомы не конъюгировали.

17.

• Далее с помощью колхицина Г.Д. Карпеченко удвоил
хромосомный набор гибрида, полиплоид стал иметь
36 хромосом, при мейозе «редечные» (9+9)
хромосомы
конъюгировали
с
«редечными»,
«капустные» (9+9) с «капустными». Плодовитость
была восстановлена.
• Таким способом были получены пшенично-ржаные
гибриды (тритикале), пшенично-пырейные гибриды
и др.
• Виды, у которых произошло объединение разных
геномов в одном организме, а затем их кратное
увеличение, называются аллополиплоидами.

18.

Метод получения полиплоидов
• Полиплоидные растения обладают большей
массой вегетативных органов, имеют более
крупные плоды и семена.
• Многие культуры представляют собой
естественные
полиплоиды:
пшеница,
картофель, выведены сорта полиплоидной
гречихи, сахарной свеклы.
• Виды, у которых кратно умножен один и тот
же геном, называются автополиплоидами.
• Классическим
способом
получения
полиплоидов
является
обработка
проростков колхицином. Это вещество
блокирует
образование
микротрубочек
веретена деления при митозе, в клетках
удваивается
набор
хромосом,
клетки
становятся тетраплоидными.

19.

Мутагенез подразумевает действие на организмы различных
мутагенов с целью получения организмов с новыми
признаками.
Искусственный мутагенез –
происходит при
помощи воздействия на растения различными
мутагенами, которые способствуют разрушению
веретена деления клетки.
Естественный
мутагенез,
выливающийся
в
полиплоидию – кратное увеличение числа хромосом,
давно использовался в выведении сортов овса,
картофеля, пшеницы, плодовых, декоративных и других
культур.

20.

Районы одомашнивания животных
Селекция животных происходила в
тех же центрах, что и растений и
началась
видимо
случайно.
Пойманные детеныши содержались в
неволе, и те, которые смогли выжить
и не вели себя агрессивно по
отношению к человеку оставлялись,
т.е. отбор был по поведению и
способности жить в неволе.
Выделяют 8 районов
одомашнивания животных
• Передняя Азия. 9-10 тысяч лет
назад от дикого барана муфлона
была одомашнена овца.

21.

Районы одомашнивания животных
• Индонезийско-Индокитайский. Были одомашнены собака (10 тысяч лет назад
от волка), куры (дикие банкивские куры), утки и гуси (от диких уток и гусей).
• Малая Азия. От диких горных коз примерно 7-8 тысяч лет назад одомашнены
козы.
• Евразия. Были одомашнены крупный рогатый скот (от дикого быка тура
5-6 тысяч лет назад) и свиньи (от дикого лесного кабана 8 тысяч лет назад).
• Степи Причерноморья. От дикого тарпана примерно 5-6 тысяч лет назад была
одомашнена лошадь.
• Североафриканский. Около 3,5 тысяч лет назад от дикой камышовой кошки
была одомашнена кошка.
• Южноамериканский. Около 1 тысячи лет назад была одомашнена лама от
диких лам и морская свинка от обитающих до сих пор в этом районе диких
морских свинок.
• Центральноамериканский. Около 2 тысяч лет назад была одомашнена
индейка от диких индеек.

22.

Особенности селекции животных
• Для селекции животных характерно только
половое размножение.
• В основном, очень редкая смена поколений.
• Количество особей в потомстве невелико.
• Затруднительно выведение чистых линий, так
как
животные
не
способны
к
самооплодотворению.

23.

24.

Инбредная депрессия
При близкородственном скрещивании (или самоопылении
у растений) может возникать инбредная депрессия,
объясняемая гомозиготностью по вредным рецессивным
аллелям.
Вредные последствия инбридинга
• Происходит снижение плодовитости животных (до
бесплодия).
• Снижение жизнеспособности.
• Снижение продуктивности.
• Ухудшение развития животных, происходит измельчение
потомства.
• Появление уродств.

25.

Отдалённая гибридизация
Лев
Тигрица
Лигр

26.

Биотехнология – дисциплина, изучающая возможности использования живых
организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности
технологических задач, а также возможности создания живых
необходимыми свойствами методом генной инженерии.
для решения
организмов с

27.

Этапы биотехнологического процесса
Подготовка объекта
Культивирование объекта
Выделение нужных штаммов
Очистка отобранных штаммов
Модификация штаммов
Внедрение штаммов
микроорганизмов в
производство

28.

Генная инженерия – целенаправленный
перенос нужных генов от одного вида живых
организмов в другой, который зачастую далёк по
происхождению.

29.

Генная инженерия
Затем вектор вводится в бактерию, и на последнем этапе
отбираются те бактерии, в которых
введенные гены успешно работают.
Излюбленный
объект
генных
инженеров – кишечная палочка,
бактерия, живущая в кишечнике
человека. Именно с ее помощью
получают
гормон
роста
–
соматотропин, гормон инсулин,
который раньше получали из
поджелудочных желез коров и
свиней,
белок
интерферон,
помогающий справиться с вирусной
инфекцией.

30.

Генная инженерия
«Вырезание» генов проводят с помощью
специальных
«генетических
ножниц», ферментов –
рестриктаз,
затем ген «вшивают» в вектор –
плазмиду, с помощью которого ген
вводится в бактерию.
«Вшивание»
осуществляется
с
помощью другой группы ферментов –
лигаз. Причем вектор должен содержать
все
необходимое
для
управления
работой
этого
гена
–
промотор,
терминатор,
ген-оператор
и
генрегулятор. Кроме того, вектор должен
содержать маркерные гены, которые
придают
клетке-реципиенту
новые
свойства, позволяющие отличить эту
клетку от исходных клеток.

31.

Генная инженерия
Бактерия Bacillus thuringiensis вырабатывает эндотоксин, разрушающий
желудок насекомых и совершенно безвреден для млекопитающих. Из
бактерии выделили этот ген и ввели его в в плазмиду почвенной
бактерии Agrobacterium tumefaciens. Этой бактерией были заражены
кусочки растительной ткани, выращиваемой на питательной среде.

32.

Генная инженерия
Через некоторое время плазмиды, несущие ген белка-токсина,
внедрились в растительные клетки и ген встроился в ДНК растений. Затем
из этих кусочков вырастили полноценные растения. Гусеницы
насекомых-вредителей погибали на этом растении. Описанным путём к
настоящему времени получили формы картофеля, томатов, табака, рапса,
устойчивые к разнообразным вредителям.

33.

Генная инженерия
Молекулярные биологи передали винограду ген морозоустойчивости от
дикорастущего
родственника
капусты
брокколи.
Получение
морозостойкого сорта заняло всего год (вместо 30 лет). Трансгенные
растения выращивают во многих странах мира. На первом месте по
размеру площадей под трансгенными растениями находятся США,
Аргентина и Китай. Больше всего земли занимают трансгенные соя,
кукуруза, хлопок, рапс и картофель.

34.

Генная инженерия
Перенос новых генов в геном
животных возможен с
помощью микроинъекции
ДНК в ядро яйцеклетки. Так
получили трансгенную
гигантскую мышь, которой
ввели ген гормона
роста крысы.

35.

Хромосомная инженерия
Методы хромосомной инженерии
эффективно используются в селекции растений.
1. Получение полиплоидных растений в результате кратного увеличения
хромосом.
2. Метод замещённых линий основан на замещении одной пары
гомологичных хромосом на другую.
3. Метод дополненных линий основан на введении в генотип растительного
организма пары чужих гомологичных хромосом, контролирующих
развитие нужных признаков. С помощью этих методов в растениях
собираются признаки, приближающие к созданию «идеального сорта».
4. Перспективен метод гаплоидов, основанный на выращивании
гаплоидных растений с последующим удвоением хромосом. Например,
выращивают из пыльцевых зерен кукурузы гаплоидные растения,
содержащие 10 хромосом, затем хромосомы удваивают и получают
диплоидные (10 пар хромосом), полностью гомозиготные растения всего за
2-3 года вместо 6-8 летнего инбридинга.

36.

Клеточная инженерия – культивирование отдельных
клеток и тканей на искусственных питательных средах,
которые в дальнейшем можно использовать для
синтеза
нужных
веществ,
производства
обеззараженного посадочного материала, получения
клеточных гибридов.
Использование
клеточных культур
Получение гибридом
Клонирование
Слияние эмбрионов,
получение химер
Методы
клеточной
инженерии

37.

Клеточная инженерия
Продолжается работа по гибридизации клеток, получение гибридом.
Например,
разработана
методика
гибридизации
протопластов
соматических клеток. Удаляются клеточные оболочки и сливаются
протопласты клеток организмов, относящихся к разным видам –
картофеля и томата, яблони и вишни.
Перспективно создание гибридом, при котором осуществляется
гибридизация лимфоцитов, образующие антитела, с раковыми
клетками. В результате гибридомы нарабатывают антитела, как
лимфоциты, и «бессмертны», как раковые клетки.

38.

Клеточная инженерия
Интересен метод пересадки ядер соматических
клеток в яйцеклетки. Таким способом возможно
клонирование животных, получение генетических
копий от одного организма. В настоящее время
получены клонированные лягушки, получены первые
результаты клонирования млекопитающих.

39.

Клеточная инженерия
Возможно слияние эмбрионов на ранних стадиях, создание
химерных животных. Таким способом были получены химерные
мыши при слиянии эмбрионов белых и черных мышей, химерное
животное овца-коза.