Генетические методы создания и отбора исходного материала в селекции

Курсовая работа

Генетические методы создания и отбора исходного материала в селекции

сомаклональный изменчивость селекция мутагенез Успехи в создании сортов и гибридов в значительной мере зависят от многообразия исходного генетического материала. Поэтому значение генофондов для селекции возрастает с каждым годом.

Основная задача генетики и селекции — это получение и размножение таких форм, которые превосходили бы остальные по ряду хозяйственно-ценных признаков. Основными направлениями селекции являются:

1. Высокая урожайность сортов растений;

2. Качество продукции (например, вкус, внешний вид, лежкость плодов и овощей, химический состав зерна — содержание белка, клейковины, незаменимых аминокислот и т. д.);

3. Физиологические свойства (скороспелость, засухоустойчивость, зимостойкость, устойчивость к болезням, вредителям и неблагоприятным климатическим условиям);

4. Интенсивный тип развития (отзывчивость на удобрения, полив).

Основными методами селекции являются отбор и гибридизация, а также мутагенез, полиплоидия, клеточная и генная инженерия.

Актуальным является анализ анализ данных литературы об эффективности использования различных методов создания перспективного исходного материала для селекции.

Цель работы: изучить сведения литературы по созданию исходного материала для селекции растений.

К задачам исследования входило:

1. Изучить литературу по методам создания исходного материала а) роль первичных центров происхождения растений;

б) использование разных систем скрещивания и индуцированного мутагенеза.

2. Изучить информацию об эффективности использования молекулярно-генетических приёмов в селекции а) генная и хромосомная инженерия;

б) трансгенез.

1. Роль исходного материала для селекции

Все разнообразие растительных форм, как возделываемых человеком, так и дикорастущих, используемых при выведении новых сортов культурных растений, называют исходным материалом. Его оценка и выбор определяет успех селекционной работы.

Обязательные свойства исходного материала:

1. Разнообразие по хозяйственно ценным признакам;

2. Популяция растений (исходный материал) должна быть насыщена формами, соответствующими целям селекционной работы.

Классификация в зависимости от происхождения исходного материала:

1. Местный исходный материал;

2. Интродуцированные сорта;

3. Селекционные сорта;

4. Адаптивные сорта;

5. Дикорастущие формы;

6. Гибридные формы.

Местным исходным материалом называются сорта, которые выращиваются населением в данной местности длительное время. Их происхождение не всегда известно. Обычно это разнообразные по составу популяции, которые состоят из многих наследственно различных форм растений. Такие сорта хорошо приспособлены к местным условиям и устойчивы к местным расам возбудителей болезней и вредителей, однако при выращивании в других зонах они не дают высокого урожая. Местные сорта популяции являются хорошим исходным материалом для получения новых сортов. Некоторые местные сорта в прошлом ввозились из-за заграницы, но, распространившись, с течением времени потеряли своё первоначальное название [9, с. 26].

Интродуцированные сорта — это сорта, перенесённые для выращивания в районы, где они раньше не выращивались. Выделяют две формы интродукции:

1. Натурализация — это перенос растения в новый район с условиями, близкими или даже более благоприятными для его произрастания.

2. Акклиматизация — это постепенное приспособление интродуцированного сорта или вида в результате изменения состава генов популяции или искусственного отбора.

Интродукция растений позволяет находить новые источники получения исходных форм, источник сырья для создания нового поколения продуктов пищевого, диетического и лечебного питания. Примером является клен ясенелистный родом из Северной Америки, который настолько хорошо акклиматизировался в нашей стране, что его можно сейчас встретить почти повсеместно в городских посадках. Он всюду хорошо растет, ежегодно цветет и плодоносит и очень успешно размножается самосевом.

Селекционные сорта, по сравнению с местными сортами, более однородны и урожайны. У самоопыляющихся и вегетативно размножающихся овощных культур сорта представлены одной линией с одинаковым генотипом.

Благодаря спонтанному мутационному процессу в селекционных сортах, обеспечивается наследственное разнообразие признаков в пределах сорта. В сортах перекрёстно-опыляющихся овощных культур накопление рецессивных мутаций может быть довольно существенным, благодаря чему сортовые популяции можно непосредственно использовать в качестве исходного материала для отбора.

В селекционной работе широко используется скрещивание селекционных сортов отечественной и иностранной селекции с заранее известными признаками с целью получения новых сортов и гибридов. Примером получения таких селекционных сортов являются сорта свеклы столовой Бордо 237, моркови Нантская 4, редьки Зимняя круглая чёрная и др.

Адаптивными сортами (сортами-космополитами) называются сорта, которые одинаково хорошо произрастают и плодоносят в различных условиях. Приспособленность сортов к окружающим их условиям различна. Каждый биотип сортопопуляции характеризуются определённой реакцией на комплекс условий, от которых зависит общая норма реакции сортопопуляции. Условия, в которых находятся сорта, постоянно меняются и это приводит к непрерывной изменчивости фенотипического составасорта, тем самым обеспечивает их стабильность. Примером высокой адаптивности являются сорта редиса Розово-красный с белым кончиком, томата Белый налив 241, капусты белокачанной Июньская и др.

В качестве исходного материала для селекции используются дикорастущие формы растений, которые несут полезные признаки, такие как устойчивость к вредителям и болезням, холодоустойчивость и засухоустойчивость. Дикорастущие виды формируют в условиях естественного отбора необходимые свойства для выживания, но они не адаптированы для возделывания в культуре, и это может привести к дисгармонии. Основные черты диких видов — обильность семян и лёгкость их распространения. Особенно ценны дикорастущие растения, которые местное население использует в пищу (черемша, медвежий лук, сныть), а также устойчивые к болезням и вредителям. [9]

2. Пути создания исходного материала

Для обнаружения форм, соответствующих будущему сорту, необходимо проанализировать местные, зарубежные и селекционные сорта. Если в каких-то сортах встречаются формы, близкие к намеченному образцу, то они служат исходным материалом для селекционной работы. Исходную популяцию разделяют на составляющие её линии, лучшие из них отбирают, размножают и используют в дальнейшем для создания новых селекционных сорта. Этот метод называется методом отбора.

При отсутствии в изучаемом материале нужных форм или обнаружении отдельных требуемых признаков у представителей разных сортов, необходимо искусственно создать популяции исходного материала селекции. Наиболее эффективным способом получения исходного материала является гибридизация. Благодаря гибридизации человеком созданы такие формы растений, которые в природе могли бы появиться очень нескоро или не появиться вообще. Широкое распространение в качестве источников исходного материала получили полиплоидные формы и мутации, создаваемые в результате искусственного мутагенеза. [9]

В качестве исходного материала также используют самоопылённые линии. Их получают путем многократного принудительного самоопыления этих растений. Лучшие линии скрещивают между собой или с сортами. Благодаря этому методу получены гетерозисные гибриды, значительно более урожайные, чем обычные сорта.

За последние 10 — 15 лет были созданы принципиально новые методы экспериментальной биологии — клеточная и генная инженерия. Это направление легло в основу новой области прикладной биологии — биотехнологии.

В зависимости от биологических особенностей различных культур, требований, предъявляемых к новым сортам, характера исходного материала и других условий в селекционной работе могут использоваться различные методы. Применение одного метода очень часто не только не исключает, а, наоборот, основывается на других.

2.1 Формы первичных центров происхождения культурных растений

Н.И. Вавилов указывал, что одним из условий, способствующих созданию нового сорта, служит исходное сортовое и видовое разнообразие. Чем больше это разнообразие, тем эффективнее будут результаты селекции. Н. И. Вавилов с большим коллективом сотрудников в результате многочисленных экспедиций, протекавших на территории почти всего земного шара, изучил многообразие и географическое распространение культурных растений. Исследования были предприняты в 20-х и 30-х годах этого столетия Всесоюзным институтом растениеводства (ВИР), директором которого многие годы был Н. И. Вавилов. В этой огромного масштаба поисковой работе участвовали и некоторые другие крупные научные коллективы. Экспедициями были охвачены вся огромная территория Советского Союза и много зарубежных стран: Иран, Афганистан, страны Средиземноморья, Абиссиния, Центральная Азия, Япония, Северная, Центральная и Южная Америка и некоторые другие. Во время этих экспедиций было изучено около 1600 видов культурных растений. Экспедиции везли в Советский Союз тысячи образцов семян культурных растений. Они высевались в питомниках ВИРа, расположенных в разных географических зонах Советского Союза, а ныне Российской Федерации. Эти ценнейшие и уникальные коллекции служат материалом для селекционной работы[3].

В результате изучения всего этого колоссального материала Н. И. Вавилов установил ряд важных закономерностей, показав, что не во всех географических зонах культурные растения обладают одинаковым разнообразием. Для разных культур существуют свои центры многообразия, где сосредоточено наибольшее число сортов, разновидностей, разнообразных наследственных уклонений. Эти центры многообразия являются вместе с тем районами происхождения сортов данной культуры. Большинство центров совпадает с древними очагами земледелия. Это в основном не равнинные, а горные районы.

В 1926 году академик Н. И. Вавилов сформулировал учение о центрах происхождения культурных растений. Им было выделено 7 основных центров (очагов), в которых введены в культуру различные виды растений. Различают первичные центры, где растения были введены в культуру, и вторичные — районы, в которых появились новые, до того неизвестные формы возделываемых растений.

1) Южноазиатский тропический центр (около 33% от общего числа видов культурных растений). Тропическая Индия, Индокитай, Южный Китай, острова Юго-Восточной Азии. Исключительно богат культурными растениями (около 1/3 известных видов культурных растений). Родина риса, сахарного тростника, множества плодовых и овощных культур.

2) Восточноазиатский центр (20% культурных растений). Центральный и Восточный Китай, Япония, остров Тайвань, Корея. Родина сои, нескольких видов проса, множества плодовых и овощных культур. Этот центр тоже богат видами культурных растений — около 20% мирового многообразия.

3) Юго-западноазиатский центр (4% культурных растений) Малая Азия, Средняя Азия, Иран, Афганистан, Северо-Западная Индия. Родина нескольких форм пшеницы, ржи, многих зерновых, бобовых, винограда, плодовых. В нем возникло 14% мировой культурной флоры.

4) Средиземноморский центр (11% культурных растений). Страны, расположенные по берегам Средиземного моря. Этот центр, где располагались величайшие древние цивилизации, дал около 11% видов культурных растений. В их числе маслины, многие кормовые растения (клевер, одноцветковая чечевица), многие овощные (капуста) и кормовые культуры.

5) Абиссинский центр (4% культурных растений). Небольшой район Африканского материка с очень своеобразной флорой культурных растений. Очевидно, очень древний очаг самобытной земледельческой культуры. Родина зернового сорго, одного вида бананов, масличного растения нута, ряда особых форм пшеницы и ячменя.

6) Центральноамериканский центр. Южная Мексика. Родина кукурузы, длинноволокнистого хлопчатника, какао, ряда тыквенных, фасоли — всего около 90 видов культурных растений.

7) Андийский (Южноамериканский) центр. Включает часть районов Андийского горного хребта вдоль западного побережья Южной Америки. Родина многих клубненосных растений, и в том числе картофеля, некоторых лекарственных растений (кокаиновый куст, хинное дерево и др.).

Подавляющее большинство культурных растений связано с одним или несколькими из перечисленных выше географических центров. Но существуют немногие виды, имеющие иное, независимое от этих центров происхождение. Так, например, финиковая пальма была введена в культуру в оазисах Аравии и, может быть, Сахары.

2.2 Индуцированный мутагенез

Первая удачная попытка индуцирования мутаций была осуществлена в 1925 г. советским академиком Г. А. Надсоном и его учеником Г. С. Филипповым на микроорганизмах. Они показали, что с помощью рентгеновского излучения можно во много раз увеличить мутационную изменчивость дрожжевых клеток. Однако Нобелевская премия по физиологии и медицине «за открытие появления мутаций под влиянием рентгеновского облучения» досталась американскому ученому Г. Д. Мёллеру, который в 1927 г. на V Международном генетическом конгрессе в Берлине показал на примере плодовой мушки дрозофилы высокую мутагенную активность рентгеновского излучения.

В 1928;1930 гг. русские исследователи А. А. Сапегин и Л. Н. Делоне провели первые опыты по использованию излучения для получения исходного материала в селекции зерновых культур. Оба пришли к выводу, что искусственные мутанты могут быть хорошим исходным материалом для селекции. В том же 1928 г. американский генетик Л. Стадлер успешно индуцировал с помощью рентгеновского излучения мутации у кукурузы и ячменя.

Метод искусственного получения жизнеспособных полезных мутаций приобретает все большее значение в генетике и селекции. К настоящему времени разработано много приемов индуцирования мутаций. В их основе лежит воздействие на организмы различными физическими факторами (мутагенами). Из них в практике используют главным образом ионизирующие излучения различного типа и некоторые химические веществ. Действуя этими факторами на клетки организма, можно резко повысить их мутационную изменчивость.

Интерес к мутагенезу обусловлен тем, что мутации часто представляют большую селекционную ценность, так как у них могут возникнуть новые, ранее неизвестные полезные признаки. Подмечен чрезвычайно интересный в эволюционном и селекционном отношении факт: одни и те же новые признаки, например различные типы листа у гороха, могут появляться разными путями: на основе генетической рекомбинации и мутагенеза. В отдельных случаях с помощью мутагенеза можно обойти технические трудности, связанные со скрещиванием культур с мелкими цветками.

Мутации, даже доминантные или полудоминантные, не всегда можно обнаружить в потомстве. Это относится прежде всего к тем случаям, когда какой-либо признак определяется совместным влиянием нескольких или многих генов, каждый из которых в отдельности обладает слабым действием. Так наследуются количественные признаки, например урожайность растений, их высота и др. Мутации такого типа нелегко распознать еще и потому, что их эффект может быть приписан влиянию среды. В селекционном же отношении эти мутации могут быть ценными.

Возможность в сотни раз увеличивать скорость мутационного процесса путем искусственного индуцирования мутаций не означает, что генетики и селекционеры утратили всякий практический интерес к естественным мутациям, однако из-за их низкой частоты и трудностей обнаружения измененных форм этот метод не может быть положен в основу современной плановой селекционной работы.

Все более важную роль в селекции растении приобретает метод искусственного получения жизнеспособных полезных мутаций. Известно много примеров создания практически ценных индуцированных мутаций путем воздействия на организмы различными физическими и химическими факторами. При этом могут возникать мутации разных типов, селекционная ценность которых неодинакова.

Методы индуцирования мутаций

Для получения мутаций применяют различные источники ионизирующих излучений, чаще всего рентгеновское и г-излучения, би в-частицы, быстрые и медленные нейтроны. Высокой мутагенной активностью обладают и радиоактивные изотопы 32Р и 35S. Однако из-за трудностей, связанных с их хранением и практическим применением, радиоактивные изотопы менее широко используют в селекционной практике.

Чувствительность различных видов растений к радиации неодинакова. При выборе дозы облучения приходится учитывать не только их видовую специфичность, но и физиологическое состояние, а также некоторые другие факторы. Например, освобождение от цветковых чешуй повышает радиочувствительность семян риса.

Получение мутаций с помощью излучений

Излучения, вызывающие мутации, подразделяют на два вида: ионизирующие и неионизирующие.

1. Ионизирующие излучения. В генетических исследованиях и селекционной работе применяют разнообразные ионизирующие излучения. Наиболее широко используют рентгеновское, ги нейтронное излучения, которые получили название ионизирующих благодаря способности ионизировать атомы и молекулы в клетках облучаемого объекта. В результате этого в клетках происходят изменения биологических систем, в частности локальная денатурация молекул ДНК. Последующее устранение этих нарушений структуры (репарация) приводит к возникновению мутаций.

а) Рентгеновское излучение. Его начали использовать в селекции для получения мутаций раньше других источников; широко применяют и в настоящее время.

б) г-излучение. Источником обычно служит радиоактивный кобальт (⁶⁰Со) или цезий (¹³⁷Cs). На объект можно воздействовать двумя способами обработки: острым (мощным источником при сравнительно кратковременном его действии) и хроническим (длительным, но значительно более слабым).

В качестве единиц дозы рентгеновского и гамма-излучения используют грей (Гр).

1-подъемный механизм; 2-камера с облучаемым объектом; 3-пульт автоматического управления; 4-бак, заполненный водой: 5 — восемь стержней из радиоактивного кобальта (⁶⁰Со); 6-пробка аварийного отсека; 7 — аварийный отсек Рисунок 1 — Гамма-установка для облучения биологических объектов Для кратковременного облучения служат специальные мощные облучательные установки. Для ознакомления с принципом их работы рассмотрим одну из таких установок (рисунок 1). Основой ее служат восемь стержней из радиоактивного кобальта. Когда стержни сдвинуты к центру, они располагаются по окружности диаметром 17 см. Если раздвинуты до предела, то диаметр окружности составляет 112 см. Радиоактивная часть установки смонтирована на дне глубокого бассейна, заполненного трехметровым слоем воды. Объекты помещают в специальный сосуд-контейнер, который с помощью особых механизмов опускают под воду и располагают в центре между стержнями. При этом сотрудник, работающий на установке, надежно защищен от излучения. При предельно близком расположении стержней объект, находящийся в центре круга, подвергается ионизирующему излучению мощностью поглощенной дозы до 0,16 Гр/с, в то время как при наиболее раздвинутом — дозой в 100 раз меньше.

Длительное воздействие на растения малыми дозами проводят на так называемом г-поле. В этом случае источник излучения располагают в центре поля, засеваемого теми или иными культурами. Растения, находящиеся на разном расстоянии от источника, поглощают неодинаковую дозу ионизирующего излучения, поскольку она снижается по мере удаления от него.

Чувствительность различных биологических объектов к излучениям неодинакова. Следовательно, чтобы вызвать мутации у разных видовых форм, необходимы различные дозы мутагенов. Их следует подбирать не только с учетом видовой принадлежности обрабатываемых объектов, но и некоторых других факторов. Например, для получения одинакового процента мутаций у покоящихся и прорастающих семян на первые нужно воздействовать большей дозой, чем на вторые. Вегетативные органы растений более чувствительны к излучению, чем покоящиеся семена.

2. Неионизирующие излучения. Генетически эффективным неионизирующим излучением считают ультрафиолетовое (УФ). Оно имеет значительно большую длину волны (200−400 нм), чем ионизирующие излучения, и меньшую энергию. При его воздействии происходит не ионизация вещества, а только возбуждение молекул.

В настоящее время большой интерес представляет использование когерентного света лазеров. Его используют для индукции наследственных изменений у растений. При действии лазерного излучения не наблюдается выраженного эффекта угнетения растения в первом поколении; с большей частотой, чем при использовании ионизирующей радиации и химических соединений, возникают мутации с изменениями количественных признаков в сторону повышения продуктивности. Большая часть изменённых форм сохраняет новые признаки в последующих поколениях.

Существует несколько типов лазеров:

1) газовые лазеры (атомные, ионные, молекулярные). Рабочее вещество — газы и их смеси;

2) твердотелые: активной средой может быть рубин, фториды бария, лантана, стронция, кальция;

3) жидкостные: активная среда — оксиды хлора или смеси с примесью неодима;

4) химические: используется химическая энергия для возбуждения молекул и создания инверсной заселенности;

5) лазеры на красителях: применяются оксазиновые и полиметиновые красители;

6) полупроводниковые: на мышьяковистом галлии, сернистом свинце.

Получение мутаций с помощью химических мутагенов

В селекции наряду с ионизирующими излучениями используют химические мутагены. Возможность получения мутаций под влиянием химических веществ была установлена в начале 30-х годов. Приоритет открытия многих высокоактивных мутагенов, широко применяемых в настоящее время, в том числе этиленимина, принадлежит профессору И. А. Рапопорту.

Известны серии мутагенных веществ, относящихся к различным классам химических соединений. В их числе такие важные мутагены, как этилметансульфонат, диэтилсульфат, 1, 4-бисдиазоацетилбутан, нитрозоалкилмочевины и др.

Химическими мутагенами можно обрабатывать сухие и проросшие семена, черенки, клубни, луковицы, инъецировать ни вещества в стебель растений перед вступлением их в генеративную фазу и т. д. Продолжительность обработки семян варьирует от 3 до 18 ч.

Установлено, что по мере увеличения концентрации мутагена до определенного уровня частота жизнеспособных мутаций возрастает, а затем происходит ее снижение в результате гибели клеток, в которых возникли изменения при повышении концентрации мутагена сверх оптимальной величины[6].

Следовательно, использование высоких концентраций мутагенов в селекционной работе нецелесообразно, но они не должны быть и слишком низкими, иначе воздействие будет слабым.

Химические мутагены оказались во многих случаях значительно эффективнее физических. Если под влиянием излучений у сельскохозяйственных растений возникает до 10−15% жизнеспособных мутантов, то химические мутагены позволяют увеличить этот показатель до 30−60%. При использовании некоторых химических мутагенов наблюдается более специфическая изменчивость. Однако это не значит, что радиационные методы селекции могут быть полностью заменены химическими.

2.3 Системы скрещиваний

Гибридизацией называется процесс скрещивания между собой двух или большего числа последовательно вовлекаемых в него наследственно различающихся родительских форм. Организмы, получающиеся в результате искусственного или естественного скрещивания и объединяющие в себе наследственные свойства и признаки разных особей, называются гибридами.

В основе гибридизации лежат перекомбинации генов и трансгрессии. Ее нельзя рассматривать как простое арифметическое суммирование признаков и свойств растений. Родительские организмы передают своему потомству не признаки, а гены, в результате чего в каждом поколении гибридов признаки, контролируемые этими генами, развиваются вновь.

Гибридизация является основным методом получения новых сортов. [6]

Различают следующие типы скрещиваний: внутривидовые, отдалённые, инбридинг и соматическая гибридизация.

Внутривидовые скрещивания

Внутривидовая гибридизация — это скрещивание, при котором скрещивающиеся особи принадлежат к одному виду.

В зависимости от целей селекции и специфики той или иной культуры, используют различные типы гибридизации — простые и более сложные.

Простыми называются скрещивания между двумя родительскими формами, производимые однократно. Если одного из родителей обозначить буквой А, а другого — Б, то простое скрещивание между ними можно представить в виде формулы. При простых скрещиваниях гибриды обладают наследственными признаками обоих родителей. Формообразовательный процесс в гибридных популяциях от простых скрещиваний идет на основе перераспределения наследственного материала, привнесенного в равном количестве одной парой родителей. Поэтому простые скрещивания называются также парными. Разновидностью парных скрещиваний являются реципрокные скрещивания. Реципрокные скрещивания — два эксперимента по скрещиванию, характеризующиеся прямо противоположным сочетанием пола и исследуемого признака. В одном эксперименте самца, имеющего определенный доминантный признак, скрещивают с самкой, имеющей рецессивный признак. Во втором, соответственно, скрещивают самку с доминантным признаком и самца с рецессивным признаком.

Реципрокные скрещивания применяются в двух случаях:

1) когда наследование какого-либо важного хозяйственно­ биологического признака связано с цитоплазмой; например, иногда при скрещивании двух сортов озимой пшеницы, из которых один имеет более высокую морозостойкость, гибриды наследуют это свойство сильнее в том случае, если морозостойкий сорт берется в качестве материнской формы;

2) когда завязываемость семян зависит от того, в качестве материнской или отцовской формы берется тот или иной сорт.

Сложные скрещивания. Скрещивания, в которых участвуют более двух родительских форм или когда гибридное потомство повторно скрещивается с одним из родителей, называются сложными. Они делятся на ступенчатые и возвратные.

Ступенчатые скрещивания применяют тогда, когда хотят соединить в гибридном потомстве наследственность нескольких родительских форм. Их можно представить в виде следующих простейших формул: [(АБ)В]Г или [()(ВГ)Д. В первом случае гибрид, полученный от скрещивания двух родительских форм, А и Б, дополнительно скрещивается с формой В, а затем с формой Г, во втором случае сначала скрещиваются попарно сорта, А и Б, В и Г, а их гибридное потомство скрещивается между собой и с формой Д. В обоих случаях скрещивания осуществляются последовательно, ступенчато.

Метод ступенчатой гибридизации очень широко применяется в современной селекции. Примером успешного применения этой гибридизации является сорт Безостая 1. Переход от парной к сложной ступенчатой гибридизации вызван повышением требований к сортам сельскохозяйственных культур, поскольку скрещивание двух родительских форм, как правило, не обеспечивает получения сорта с нужными качествами. Для формирования сорта необходимо участие 4−5, а иногда и большего числа исходных форм. Сущность ступенчатой гибридизации заключается в том, что полученные в результате скрещивания формы растений с несколькими положительными признаками вновь скрещиваются с другими формами или сортами, имеющими другие положительные свойства, которые у ранее полученных форм отсутствовали и которые желательно передать. Селекционная практика показывает, что метод сложной ступенчатой гибридизации имеет огромные формообразовательные возможности, он себя никогда не исчерпает.

Возвратные скрещивания. Скрещивания, при которых гибрид повторно скрещивается с одним из родителей, называются возвратными. Их применяют в двух случаях:

1) для преодоления бесплодия гибридов первого поколения при отдаленной гибридизации; такое скрещивание можно представить в виде формулы (АБ)Б;

2) для усиления в гибридном потомстве желаемых свойств одного из родителей. В этом случае возвратные скрещивания называют насыщающими.

Смысл данного названия состоит в том, что в ряде поколений гибридное потомство последовательно насыщается ядерным наследственным материалом отцовской формы, цитоплазма же у всех поколений гибридов остается материнская. Насыщающие скрещивания применяют в том случае, когда у одного из сортов, хорошего во многих отношениях, имеется какой-либо существенный недостаток, а другой сорт или форма представляет ценность лишь благодаря одному важному свойству, отсутствующему у первого.

Насыщающие скрещивания чаще всего используют при выведении сортов, устойчивых к болезням. Лучший высокопродуктивный, но неустойчивый к какому-либо заболеванию сорт берется в качестве отцовской формы, а сорт, обладающий устойчивостью к нему, — в качестве материнской.

Гибриды первого поколения имеют равное количества материнского и отцовского ядерного материала, в дальнейших поколениях количество последнего непрерывно нарастает.

Каждое последующее скрещивание гибридного потомства с отцовской формой называется беккроссом. В результате первого бек-кросса количество отцовского ядерного материала увеличивается до 75%, после шестого беккросса оно равняется 99,2%, т. е. происходит почти полное поглощение материнской наследственности отцовской. Поэтому длительные насыщающие скрещивания называют поглотительными. Гибридное потомство от поглотительных скрещиваний после шестого беккросса обычно размножают и отбирают из него лучшие линии — высокоурожайные и устойчивые к заболеваниям.

Насыщающие скрещивания дают возможность передавать и такие свойства, как неполегаемость, скороспелость, высокие качества зерна и др. Используя насыщающие скрещивания, удается совместить в гибридном организме цитоплазму одного сорта и ядерное вещество другого.

Отдалённые скрещивания

Скрещивание организмов, относящихся к разным видам и родам, называется отдаленной гибридизацией. Отдаленная гибридизация делится на межвидовую и межродовую. Примерами межвидовой гибридизации служат скрещивания мягкой пшеницы с твердой, подсолнечника с топинамбуром, овса посевного с овсом византийским и т. д. Скрещивания пшеницы с рожью, пшеницы с пыреем, ячменя с элимусом и др. относятся к межродовой гибридизации.

Цель отдаленной гибридизации — создание гибридных форм и сортов, сочетающих в себе признаки и свойства разных видов и родов. В практическом и теоретическом отношении она представляет исключительный интерес, поскольку отдаленные гибриды очень часто отличаются повышенной мощностью роста и развития, крупностью плодов и семян, зимостойкостью и засухоустойчивостью.

Исключительно велико значение отдаленной гибридизации в создании сортов, обладающих устойчивостью к болезням и вредителям растений.

Отдаленная гибридизация имеет более чем двухвековую историю. Первый отдаленный гибрид между двумя видами табака был получен в 1760 г. И. Кельрейтером. С тех пор проблема отдаленной гибридизации неизменно привлекала к себе внимание многих выдающихся ботаников, генетиков и селекционеров во всем мире. Большой вклад в развитие теории и практики отдаленной гибридизации сделан И. В. Мичуриным и Г. Д. Карпеченко, который на основе этого метода создал большое число новых сортов и форм плодовых растений, в том числе и гибрид капусты и редьки Raphanobrassica. Им разработаны оригинальные приемы преодоления нескрещиваемости различных родов и видов растений.

При проведении отдаленной гибридизации встречаются большие трудности. Они связаны с плохой скрещиваемостью или нескрещиваемостью разных видов и родов и стерильностью получаемых гибридов первого поколения.

Трудности скрещивания разных видов и родов и способы их преодоления

Нескрещиваемость или трудная скрещиваемость растений при отдаленной гибридизации вызывается тремя причинами.

Ряд способов преодоления нескрещиваемости растений при отдаленной гибридизации предложен И. В. Мичуриным. При получении гибридов между яблоней и грушей, вишней и черемухой, айвой и грушей, абрикосом и сливой он пользовался смесью пыльцы. По-видимому, выделения разнообразной пыльцы, наносимой на рыльца цветков материнского растения, способствуют прорастанию пыльцы вида-опылителя.

В некоторых случаях прорастание пыльцы отцовского растения стимулировалось добавлением пыльцы материнского растения.

Для выведения зимостойких сортов персика И. В. Мичурин решил скрестить культурные сорта персика с зимостойкой формой дикого миндаля-бобовника. Но получить семена от такого скрещивания ему не удалось. Тогда он произвел предварительное скрещивание сеянцев бобовника с диким персиком Давида. В результате получился гибрид, названный им посредником. Он обладал достаточной зимостойкостью и легко скрещивался с культурными сортами персика. Этот метод ступенчатого скрещивания при гибридизации различных видов растений называется методом посредника.

Бесплодие отдаленных гибридов первого поколения

При отдаленной гибридизации скрещивания проводят в больших масштабах, так как при незначительном числе опыленных цветков может сложиться неправильное представление о нескрещиваемости тех или иных видов или родов растений. Межвидовые и межродовые гибриды первого поколения, как правило, бесплодны или имеют очень низкую плодовитость, хотя вегетативные органы у них могут быть хорошо развиты.

Причины бесплодия гибридов первого поколения отдаленных, скрещиваний следующие:

I. Недоразвитость генеративных органов. Чаще всего недоразвитыми бывают мужские генеративные органы — пыльники, иногда они даже не вскрываются. Нередко стерильны и женские генеративные органы.

II. Нарушение мейоза. При образовании гамет возможна плохая или неправильная конъюгация хромосом разных видов. При этом возможны два случая:

а) скрещиваемые виды имеют разное число хромосом. Например вид, А (2n =14) скрещивается с видом Б (2n = 28). У гибридов первого поколения число хромосом будет равняться 21. При гаметогенезе образуется 7 пар бивалентов и 7 унивалентов. Унивалентные хромосомы неравномерно распределяются между образующимися гаметами. При этом будут образовываться гаметы с различным числом хромосом: от 7 до 14;

б) скрещиваемые виды имеют одинаковое число хромосом, но вследствие их структурных различий конъюгация между ними может быть нарушена. Во время мейоза, как и в первом случае, негомологичные хромосомы расходятся неправильно. В результате этого явления наблюдается также более или менее выраженная стерильность гибридов.

Для преодоления бесплодия отдаленных гибридов первого поколения применяют следующие приемы:

1. Опыление пыльцой одного из родителей. Это один из наиболее часто применяемых методов, в большинстве случаев он дает хорошие результаты. Недостаток его заключается в возврате у последующих гибридных поколений признаков и свойств того родителя, пыльца которого была использована для повторного опыления.

2. Опыление пыльцой растений первого поколения. При больших масштабах работы и разнообразии родительских форм среди гибридов первого поколения обычно имеется немного растений с фертильной пыльцой. Их и используют для опыления стерильных растений того же поколения. При этом возврат к признакам родительских форм значительно слабее.

3. Обработка прорастающих семян раствором колхицина для удвоения числа хромосом. Этот метод позволяет получать в большом количестве плодовитые амфидиплоидные формы со сбалансированным числом хромосом.

Инбридинг

Под инбридингом, или инцухтом, подразумевают получение потомства от скрещивания родственных между собой особей. Крайняя форма инбридинга — самоопыление, которое, однако, служит нормой для аутогамных растений; менее тесная — спаривание аллогамных особей различной степени родства.

Термин инбридинг приобрел зловещий смысл. Уже многие первобытные общества налагали жесткий запрет на близкородственные браки, замечая их вредные последствия. Самоопыление у перекрестноопыляющихся растений и близкородственное размножение у животных также обычно приводят к негативным последствиям.

У таких культур, как кукуруза, рожь, клевер или капуста, после нескольких поколений самоопыления обнаруживают явно отрицательное влияние инбридинга. У этих и многих других аллогамных культур в потомстве практически любого инбредного материала наблюдают уменьшение числа завязавшихся семян, снижение фертильности пыльцы, скорости роста, размера и мощности растений. При длительном самоопылении жизнеспособность растений уменьшается от поколения к поколению.

Степень депрессии растений при близкородственном размножении у разных культур неодинакова. Например, у кукурузы и в еще большей степени у ржи некоторые самоопыленные линии в результате инбридинга в конце концов погибают. У клещевины и подсолнечника жизнеспособность растений при самоопылении снижается в меньшей степени. Даже у одной и той же культуры разные линии, включая и имеющие общее происхождение, значительно различаются по степени инцухт-депрессии.

Инцухт-депрессия особенно сильно проявляется в первых поколениях инцухта и постепенно снижается в последующих. Этот процесс продолжается до тех пор, пока растение не достигнет стабильного инцухт-минимума, или инбредного минимума, т. е. такого состояния, когда инцухт-депрессия достигает своей наивысшей точки и не вызывает дальнейшего снижения жизнеспособности и продуктивности особей в последующих поколениях.

Причина снижения жизнеспособности организмов при инбридинге (инцухте) — возникающая у них гомозиготность по летальным, полулетальным и другим генам, снижающим жизнеспособность организма, а также появление плохо приспособленных к конкретным условиям среды генотипов, которые в исходной аллогамной популяции возникают редко, а в случае их появления — элиминируют. Другая возможная причина инцухт-депрессии — нарушение сбалансированности полигенной системы.

Соматическая гибридизация

Метод соматической гибридизации, или парасексуальной гибридизации, основан на сходстве многих путей метаболизма и молекулярных структур у разных организмов и универсальности их клеточного строения.

Технология соматической гибридизации состоит из четырех этапов:

1.выделение протопластов;

2.слияние протопластов;

3.селекция гибридных клеток;

4.регенерация растений.

Выделение протопластов проводят ферментативным путем, что позволяет удалить у клеток целлюлозную оболочку.

Слияние протопластов происходит под действием вирусов и химических веществ. В настоящее время разработана методика электрослияния.

Селекцию гибридных клеток и регенерацию растений проводят на искусственных питательных средах с добавлением соответствующих ферментов или фитотоксинов. В этом случае необходима механическая изоляция гибридных клеток. Для облегчения данной процедуры Д. Глеба и Ю. Глеба разработали метод микрокапельной культуры.

Соматическая гибридизация открывает широкие перспективы для исследований в области генетики растений и животных, в частности совместимости геномов отдельных линий, закономерностей морфогенеза, получения исходного материала для селекции.

Путем соматической гибридизации получены гибриды картофеля и томата, капусты и турнепса, арабидопсиса и турнепса, культурного и дикого картофеля и ряда декоративных растений.

Однако отдаленные гибриды, полученные соматической гибридизацией, не всегда способны к нормальному морфогенезу и оказываются стерильными. Чем дальше отстоят в таксономическом отношении скрещиваемые формы, тем больше усиливается стерильность.

Соматическая гибридизация встречается в природе, особенно у дрожжей. Экспериментально ее используют у данного объекта для изучения рекомбинаций в ядре и митохондриях, определении групп сцеплений, переноса отдельных хромосом, получения ядерно-цитоплазматических гибридов.

2.4 Возможность сомаклональной изменчивости

Сомаклональная изменчивость (вариабельность) — эпигенетические или генетические изменения в клетках или группах клеток, развивающихся в культуре, которые приводят к изменению фенотипа организма. Сомаклональную изменчивость используют в селекции растений как источник полезных мутаций.

Одно из важнейших проявлений жизни — изменчивость организмов, которой всегда сопровождается размножение, выражается в различиях между особями по ряду признаков тела или отдельных его органов (размеры, форма, окраска) и их функций. Различия между особями одного вида могут зависеть от изменений наследственных факторов — генов, полученных ими от родителей, и от внешних условий, в которых развивается организм. В соответствии с этим изменчивость организмов выражается в двух формах: наследственной и ненаследственной.

Наследственная изменчивость связана с изменением клеточных структур, обеспечивающих воспроизведение новообразований, с изменением генотипа организма.

В зависимости от характера изменения наследственных структур (генома) мутации обычно делят на три основных типа: генные, или толковые, хромосомные перестройки (аберрации) и геномные.

Первые обусловлены изменениями молекулярной структуры мутировавшего гена, т. е. нарушением специфической последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Поскольку они, как правило, не связаны со структурными изменениями хромосом, их возникновение обычно не приводит к серьезным нарушениям конъюгации хромосом в мейозе.

Второй тип мутаций характеризуется разрывами и различными последующими структурными перестройками хромосом. Любое из этих изменений обычно сопровождается проявлением какого-либо нового признака или свойства. Для селекции более важны генные мутации, так как хромосомные перестройки обычно приводят к отрицательным последствиям, в частности к снижению плодовитости из-за нарушений конъюгации хромосом в мейозе.

К мутациям третьего типа относят изменения, связанные с кратным увеличением или уменьшением основного числа хромосом (полиплоидия, гаплоидия), называя их геномными мутациями.

Рисунок 2 — Типы наследственных изменений [3]

Ненаследственная (фенотипическая), или модификационная, изменчивость не вызывает изменений генотипа. Она связана с реакцией одного и того ж е генотипа на изменение внешних условий, в которых развивается организм. Формирование любого организма идет на основе генотипа, но меняющиеся внешние условия создают различия в формах его проявления.

3. Методы отбора перспективных форм

Отбор — селекционный процесс, в котором оценивают признаки растений, выделяют лучшие и получают от них семена следующих поколений так, чтобы в потомствах оказалось, по возможности, больше растений с ценными признаками.

В зависимости от поставленных перед селекционером задач отбор ведется по отдельным, нескольким или многим признакам. Главные показатели, на которые необходимо обращать внимание при отборе, — урожайность (продуктивность), устойчивость к неблагоприятным условиям возделывания (засуха, низкая температура и др.), высокое качество продукции, устойчивость к болезням и сельскохозяйственным вредителям, пригодность к механизированному возделыванию. [3]

3.1 Индивидуальный, групповой, рекуррентный отбор

Различают два основных вида отбора — массовый и индивидуальный (рис. 3). При массовом отборе растения, отобранные из популяции, объединяют в один образец, что упрощает работу, но лишает селекционера возможности проверить правильность отбора по потомству; при индивидуальном — потомство каждого отобранного растения испытывается отдельно. [7]

Рисунок 3 — Характеристика разных форм отбора [13]

Массовый отбор обычно проводят непосредственно в поле, выбирая из посева лучшие растения по комплексу тех признаков, которыми должен обладать будущий сорт. Все отобранные растения дополнительно просматривают в лаборатории. Растения, имеющие какие-либо отрицательные признаки, удаляют. Урожай всей массы растений, оставшихся после браковки, объединяют и высевают на следующий год на одном участке. Следовательно, будущий сорт — это потомство всей массы лучших отобранных растений.

Массовый отбор делится на однократный и многократный. В некоторых случаях улучшение исходной популяции по требуемым признакам достигается сразу же после проведения одного отбора — это однократный отбор. Такой отбор может быть результативным у самоопыляющихся культур. У перекрестноопыляющихся растений, как правило, требуется проведение многократного отбора. В первый год из исходной популяции отбирают лучшие, элитные растения. Их урожай объединяют и на следующий год высевают для повторного массового отбора. Часть семян урожая первого отбора высевают в сортоиспытании. Здесь результаты первого отбора сравнивают с исходной популяцией.

Если исходная популяция отличается большим разнообразием ценных форм, то можно применять массовый групповой отбор, при котором выделяется одновременно несколько групп популяций, отличающихся между собой по высоте растений, форме и пониклости колоса, крупности семян, полегаемости, устойчивости к болезням и другим признакам.

У сортов отдельных культур при прекращении отбора некоторые показатели (например, сахаристость у сахарной свеклы) снижаются. Для предотвращения этого массовый отбор проводят в течение всего периода использования сорта в производстве. Это непрерывный массовый отбор.

Одна из разновидностей массового отбора — негативный отбор, когда отбирают не лучшие растения, а удаляют из посева худшие из них. Негативный отбор также очень часто применяется в семеноводческой работе: для прополки семеноводческих посевов озимой пшеницы от ржи, чечевицы от плоскосемянной вики, для удаления растений, пораженных головней, и т. д.

Большой недостаток метода массового отбора — невозможность проверить отбираемые растения по их потомству. Массовый отбор стараются проводить на участках, выравненных по рельефу и плодородию почвы. Но все равно в общем урожае наряду с большинством наследственно ценных растений присутствуют и такие, которые выделяются в результате положительных модификаций, вызванных лучшим увлажнением почвы, микрорельефом и действием других случайных благоприятных условий.

Массовый отбор не позволяет выделять из популяций наиболее ценные в селекционном отношении формы и реализовать их преимущества. Это второй очень большой недостаток данного метода.

Недостатки, присущие методу массового отбора, устраняются при использовании метода индивидуального отбора.

Сущность индивидуального отбора состоит в том, что отбирают отдельные растения и потомства каждого из них в дальнейшем размножают отдельно, т. е. исходные родоначальные растения многократно проверяются по потомству. При этом потомство худших, случайно отобранных растений выбраковывают, продолжая работу с лучшими из них.

Количество родоначальных (элитных) растений, выделяемых при индивидуальном отборе, обычно составляет от нескольких сотен до 2000 — 3000 растений.

Метод индивидуального отбора значительно более сложен и трудоемок в сравнении с массовым отбором. Новый сорт при индивидуальном отборе зарождается из одного элитного растения, следовательно, для выведения и размножения нового сорта требуется много времени. Но эти недостатки данного метода перекрываются его огромным преимуществом — возможностью оценки и сравнения отбираемых элитных растений по их потомству на всех стадиях селекционного процесса, а следовательно, и его высокой результативностью.

Подавляющее большинство сортов самоопыляющихся растений получено методом индивидуального отбора из естественных или гибридных популяций. Из естественных популяций были выведены, например, сорта озимой (Московская 2453, Ульяновка и Горьковчанка) и яровой пшеницы (Лютесценс 62 и Минская), овса (Советский и Победа), ячменя (Винер и Нутанс 187), большинство сортов проса, гороха, чечевицы и многих других культур. Из гибридных популяций индивидуальным отбором созданы такие выдающиеся селекционные сорта, как озимая пшеница Безостая 1 и Кавказ, яровая пшеница Саратовская 29 и Мелянопус 26, яровой ячмень Нутанс 244 и Московский 121, овес Льговский 1026, просо Саратовское 2, горох Рамонский 77 и многие другие.

Индивидуальный отбор в селекции растений, размножаемых вегетативно, называется клоновым отбором. Клон — это потомство одного вегетативно размножаемого растения. Например, растения, выросшие из клубней одного куста картофеля, будут клоном.

Клоновый отбор применяют для выведения новых сортов как на основе гибридного материала, так и существующих сортов. Потомство одного самого лучшего клона, если оно в процессе испытания и размножения окажется отвечающим всем поставленным требованиям, становится сортом.

Заключение

Таким образом, как следует из данных литературы, разработаны и усиленно используются следующие методы получения исходного материала в селекции растений:

1. Гибридизация;

2. индуцированный мутагенез;

3. полиплоидия;

4. отбор;

5. клеточная и генная инженерия.

Благодаря использованию этих методов, селекционерами получено большое количество сортов, форм, сортообразцов с сочетанием ряда хозяйственно-ценных признаков.

В качестве примера успешной селекции можно привести сорта люпина, устойчивые к корневым гнилям (Апендрилон из Греции; Апва, полученная в результате гибридизации), а также ряд сортов кормового люпина, устойчивых к фузариозному увяданию (Кастрычнiк, Жемчуг, Пава и др.). Выведены сорта люпина, устойчивые к листовой пятнистости (Владлен, Глатко), антракнозу (Румбо, Каля), фомопсису (Джорнел, Таджил, Вонга). [1]

Получены сорта гороха с неосыпаемыми семенами (Неосыпающийся 1), сорта с неограниченным ростом и более длительным плодоношением. Успешно выведены сорта с видоизмененёнными листьями («усатый» тип листьев — Усатый 5). [4]

Список использованных источников

1. Анохина, В. С. Люпин: селекция, генетика, эволюция / В. С. Анохина, Г. А. Дебелый, П. М. Конорев. — Минск: БГУ, 2012. — 271 с.

2. Бороевич, С. Принципы и методы селекции растений / Пер. с сербохорв. В. В. Иноземцева; Под ред. и с предисл. А. К. Федорова. — Москва: «Колос», 1984. — 344 с.

3. Селекция и семеноводство полевых культур с основами генетики: учебник для ср. с.-х. уч. заведений / Г. В. Гуляев, А. П. Дубинин. — Москва: «Колос», 1980. — 376 с.

4. Дебелый, Г. А. Зернобобовые культуры в нечернозёмной зоне РФ / Г. А. Дебелый. — Москва: Немчиновка, 2009. — 260 с.

5. Дудин, Г. П. Индуцированный мутагенез и использование его в селекции растений / Г. П. Дудин, В. Н. Лысиков. — Киров, 2009. — 260 с.

6. Жученко, А. А. Генетика: учеб. пособие / А. А. Жученко, Ю. Л. Гужов. — Москва: КолосС, 2004. — 480 с.

7. Практикум по селекции и семеноводству полевых культур: учебное пособие / Ю. Б. Коновалов [и др.]. — Москва: Агропромиздат, 1987. — 368 с.

8. Биология: учебник для поступающих в вузы / А. Г. Мустафин [и др.]; под общ. ред. В. Н. Ярыгина. — Москва: «Высшая школа», 2003. — 492 с.

9. Селекция и семеноводство овощных культур: учебное пособие / Г. А. Старых, В. Ф. Пивоваров [и др.]. — Москва: ФГБОУ ВПО РГАЗУ, 2011. — 84 с.

10. http://www.activestudy.info/gibridizaciya-i-ee-kategorii-v-selekcii-rastenij/ © Зооинженерный факультет МСХА

11. https://ru.wikipedia.org/wiki/Реципрокное_скрещивание

12. http://humbio.ru/humbio/tarantul_sl/1 442.htm

13.http://agrosbornik.ru/selekcia-i-semenovodstvo/65−2012;06−01−15−45−52/916−2012;06−02−17−00−35.html