§ 53. ОСНОВНІ МЕТОДИ СЕЛЕКЦІЇ ОРГАНІЗМІВ: ШТУЧНИЙ ДОБІР І ГІБРИДИЗАЦІЯ
Починаючи з перших спроб одомашнювання тварин та введення в культуру рослин (приблизно 15 000 – 10 000 років тому) людина постійно намагалася поліпшити їхні властивості. Вона несвідомо робила вибір на користь особин, які приваблювали своїми певними якостями, наприклад продуктивніших, поступово поліпшуючи їх. Таку форму добору називають несвідомою. Ця примітивна формою селекції була найтривалішою і сприяла появі перших порід тварин і сортів рослин, які значно відрізнялися від вихідних предкових форм (мал. 53.1).
У подальшому людина почала цілеспрямовано добирати особин, які задовольняли її потреби, тобто здійснювала методичний добір, намагаючись свідомо вивести нові форми організмів. Методичний добір є усвідомленою селекцією.
Мал. 53.1. Початки дикорослої центральноамериканської кукурудзи (1) та сучасного гібридного сорту (2)
Ви вже знаєте, що основними методами селекції є штучний добір і гібридизація. Пригадаємо: штучний добір полягає у відборі людиною особин, що мають потрібні для неї властивості, і в подальшому їхньому розмноженні. Теорію штучного добору обґрунтував Ч. Дарвін. Виділяють два типи штучного добору: масовий та індивідуальний. За масового добору відбирають групу особин за критеріями, що цікавлять людину. Перевагою цього добору є його простота. Основний недолік – особин для добору відбирають лише за фенотипом без урахування генотипів особин. Це значно сповільнює селекційний процес, створення чи поліпшення сортів і порід забирає багато часу (поміркуйте чому).
Мал. 53.2. Сіра українська порода великої рогатої худоби на поштовій марці України
Цікаво знати
Породи та сорти, виведені методами так званої народної селекції, створювалися протягом кількох людських поколінь саме завдяки масовому добору. Прикладом є відома сіра українська порода великої рогатої худоби, стерилізованих биків якої називають волами (мал. 53.2).
У разі індивідуального добору вивчають спадкові властивості окремої тварини чи рослини, оцінюють властивості їхніх нащадків. Це дає змогу оцінити як характер успадкування певних ознак, так і вплив середовища на їхнє формування. Індивідуальний добір є найбільш точним інструментом для створення відповідних генотипів у процесі селекції.
Селекційний процес можна істотно прискорити за допомогою методів сучасної молекулярної генетики. Так, нині активно розвивається добір за молекулярними маркерами (мал. 53.3). Молекулярні маркери – невеликі сегменти ДНК, розміщені поблизу гена (або групи генів), що визначають бажані для селекціонера ознаки (наприклад, стійкість рослини до певних паразитів), які він планує сформувати у новоствореного сорту. Завдяки застосуванню маркерів дослідження невеликого фрагмента тканини рослини, яку планують використовувати в селекційній роботі, можна встановити наявність або відсутність гена, що цікавить селекціонерів. У разі добору за ДНК-маркерами значно збільшується ймовірність відібрати особини з потрібними генотипами.
Мал. 53.3. Порівняння звичайної селекції (1) та селекції із застосуванням ДНК-маркерів (2). У другому випадку селекціонер може відібрати рослини-кандидати для подальшої селекційної роботи ще до того, як вони виростуть і дадуть урожай
Основні типи схрещувань, які використовують у селекції. Пригадаємо: гібридизація – метод селекції, що полягає в отриманні організмів з потрібними властивостями за допомогою систем схрещувань. Близькоспоріднене схрещування, або інбридинг, використовують для виведення та підтримання чистих (у разі самозапилення чи самозапліднення) або інбредних (при схрещуванні з близькими родичами) ліній (пригадайте, що таке чиста лінія). Більшість сортів рослин і порід тварин є саме такими лініями. Однак близькоспоріднене схрещування може призвести до зниження життєздатності та продуктивності в особин унаслідок тривалого інбридингу (поміркуйте чому). Незважаючи на це, інбредні лінії багатьох перехреснозапильних рослин і перехреснозаплідних тварин потрібні в селекційній роботі.
Неспоріднене схрещування, або аутбридинг, проводять між особинами з різних ліній, що дає змогу комбінувати цінні ознаки різних порід або сортів. Крім того, унаслідок схрещування між собою представників різних порід тварин, сортів рослин або інбредних ліній часто спостерігають явище гетерозису.
Пригадаємо: гетерозис, або «гібридна сила», – явище, коли гібриди першого покоління за деякими ознаками і властивостями (продуктивність, життєздатність, маса тощо) переважають вихідні батьківські форми. Ефект гетерозису широко використовують у сільському господарстві. Так, усі комерційні сорти кукурудзи є гібридами першого покоління. Швидкі темпи росту курчат бройлерів (мал. 53.4, 1) також пов’язані з явищем гетерозису (вони – гібриди, отримані за допомогою схрещування різних інбредних ліній м’ясних порід курей). В Інституті свинарства та агропромислового виробництва (м. Полтава) створено червону білопоясу породу м’ясних свиней (мал. 53.4, 2): у разі схрещування кабанів цієї породи зі свиноматками будь-яких інших порід імовірність ефекту гетерозису зростає до 15 %. Гетерозис повного мірою проявляється лише у гібридів першого покоління. У наступних поколіннях його ефект згасає (поміркуйте чому).
Серія зворотних схрещувань – гібриди першого та наступних поколінь нащадків, що мають потрібну ознаку, схрещують з однією з батьківських форм. Завдяки цьому в кожному наступному поколінні в генотипі гібридних особин дедалі більше концентруються бажані для селекціонерів гени однієї з батьківських ліній.
Мал. 53.4. Явище гетерозису в селекції тварин: 1 – бройлер – приклад ефекту гетерозису (ліворуч) та курчатко вихідної м’ясної породи (праворуч); 2 – червону білопоясу породу м’ясних свиней використовують для отримання гетерозисних форм свиней
Мал. 53.5. Приклади міжвидових гібридів рослин і тварин: 1 – тритикале – штучно створений гібрид між пшеницею та житом; 2 – мул; 3 – нар
Віддалена (міжвидова) гібридизація – схрещування між представниками різних видів або різних родів. У результаті такої гібридизації можна отримати особин, які поєднують корисні для людини ознаки різних видів. Наприклад, тритикале – штучно створений гібрид пшениці та жита (мал. 53.5, 1) – має вищу морозостійкість, ніж вихідні види, стійкість до хвороб, більший уміст білків у насінинах. Здавна відомий гібрид кобили та віслюка – мул (мал. 53.5, 2), який відрізняється від батьківських видів більшою витривалістю, міцною конституцією та більшою тривалістю життя. Сильнішими та витривалішими є нари – гібриди першого покоління між одногорбим і двогорбим верблюдами (мал. 53.5, 3).
Здійснюючи віддалену гібридизацію, селекціонер може стикатися з такими проблемами: складність отримання міжвидових гібридів через їхню біологічні) несумісність (різна будова статевих органів, загибель статевих клітин до чи після запліднення, ускладнення поділу зиготи через різну кількість хромосом батьківських видів тощо); безплідність отриманих гібридів (поміркуйте чому).
Інколи вдається отримати стабільні плодючі міжвидові гібриди. Серед рослин – це м’яка пшениця (є наслідком гібридизації трьох видів). Серед тварин – бістер – плодючий гібрид між білугою та стерляддю (мал. 53.6, 1). Плодючими можуть бути також і міжвидові гібриди свійських тварин з їхніми дикими родичами. Так, у результаті схрещування тонкорунних овець з муфлоном (його вважають найближчим родичем свійських овець) було створено породу гірський меринос (мал. 53.6, 2).
Мал. 53.6. Плодючі міжвидові гібриди: 1 – бістер; 2 – гірський меринос
Ключові терміни та поняття
штучний добір, гібридизація, гетерозис.
Перевірте здобуті знання
1. У чому полягає штучний добір? 2. Чим масовий штучний добір відрізняється від індивідуального? 3. У чому полягає перевага добору за молекулярними маркерами? 4. Які основні типи схрещувань використовують у селекції? 5. У чому полягає причина неплідності віддалених гібридів?
Як можна подолати неплідність у віддалених гібридів тварин?
Творче завдання
Використовуючи знання з генетики, отримані в курсі біології 9-10 класів, обґрунтуйте причини інбредної депресії та виникнення гетерозису.
БІОЛОГІЯ ЗНО 2018 – КОМПЛЕКСНЕ ВИДАННЯ
Селекція (лат. selection — добір) — наука про покращення генотипів культурних рослин, порід свійських тварин і штамів мікроорганізмів.
Теоретичною базою для селекції є генетика.
Застосування досягнень генетики, молекулярної біології, біохімії, використання тестів для ранньої діагностики перспективності вихідного матеріалу дають змогу розв’язати найскладнішу проблему селекції — зменшити тривалість селекційного процесу під час створення нових сортів.
Досягнення генетики з успадкування кількісних ознак дали можливість селекціонерам успішно вести селекцію на продуктивність, вміст білка, амінокислот тощо. Використання генетичних і цитологічних карт з окремих культур підвищило ефективність селекції з віддаленої гібридизації, поліплоїдії.
Селекція базується на досягненнях таких наук, як: систематика і географія рослин, цитологія, ембріологія, біологія індивідуального розвитку, біохімія, фізіологія, молекулярна біологія, біотехнологія.
Завдання сучасної селекції:
• створення нових та вдосконалення існуючих сортів рослин, порід тварин, штамів мікроорганізмів;
• створення сортів, стійких проти хвороб та шкідників, адаптованих до дії несприятливих чинників середовища;
• істотне скорочення селекційного шляху перетворення початкового (стартового) генотипу на бажаний.
Щоб виконати ці завдання, потрібно враховувати (за М. Вавиловим):
• різноманітність вихідного матеріалу сортів рослин, порід тварин, штамів мікроорганізмів;
• закони спадкової мінливості;
• роль середовища в розвитку ознак.
Предметом селекції є сорти рослин, породи тварин, штами мікроорганізмів.
Методи селекції, які забезпечують успішність виконання селекційних програм: добір, гібридизація, інцухт, мутагенез, генна інженерія.
Добір несвідомий (штучний) — добір для розмноження найкращих генотипів рослин і тварин з ознаками, які задовольняють потреби людини.
Добір методичний (штучний) — добір, який проводить людина з метою покращення або створення нових сортів рослин чи порід тварин шляхом систематичного збереження форм у низці поколінь з бажаними ознаками.
Значний вплив на розвиток селекції мали праці Й. Г. Кельрейтера з питань міжвидової гібридизації та Ч. Дарвіна з питань розвитку живої природи. Вони сприяли становленню нового методу в селекції — гібридизації.
Гібридизація — схрещування двох особин з різною генетичною інформацією/ Завдяки гібридизації відбувається генетична рекомбінація генів та розширення спектру спадкової мінливості, що забезпечує матеріал для добору.
У селекції успішно застосовують як внутрішньовидову, так і віддалену гібридизацію.
Віддалена гібридизація дає змогу перенести одну або кілька ознак від одного таксона— носія донорських ознак — до іншого — реципієнта. Такий процес передачі ознак називають інтрогресією.
Завдяки гібридизації створено низку синтетичних сортів рослин та порід тварин. Удосконалились при цьому і методи добору. У селекційній практиці стали застосовувати методичний масовий чи індивідуальний добір, клоновий, періодичний, родинно-груповий, індивідуально-безперервний та інші форми добору.
До новітніх методів селекції належать клітинна селекція та генна інженерія.
Клітинна селекція ґрунтується на соматичній гібридизації протопластів та доборі мутантних генотипів на спеціальних селекційних середовищах. Роботи виконують у культурі in vitro.
Соматична гібридизація — одержання гібридної клітини завдяки злиттю ядер і цитоплазми протопластів (клітин, у яких зруйнована оболонка). Дає змогу отримати навіть міжродові гібриди, що відрізняються від статевих гібридів ще й гібридною цитоплазмою.
Клітинна інженерія дає можливість:
• одержати гібрид між генотипами, не сумісними під час статевого розмноження;
• отримати асиметричні гібриди;
• об’єднати в одному геномі кілька видів;
• одержати гібриди (генотипи з гібридною цитоплазмою).
Генна інженерія — це найцікавіша і найскладніша галузь біотехнологічних методів створення вихідного матеріалу в селекції. Теоретично за допомогою ферментів рестриктаз і лігаз можна виділяти будь-які гени з клітин мікроорганізмів, рослин, тварин, людини і переносити їх у клітини будь-якого організму. Однак найскладнішим є відновлення здатності чужорідних генів функціонувати в новому генотипі.
Попри всі труднощі цей метод забезпечує високу ефективність селекційного процесу:
• у США та деяких інших країнах створено трансгенні сорти картоплі з геном, що відповідає за синтез леп- тину, завдяки якому ці сорти стійкі проти колорадського жука;
• у Донецькому інституті агропромислового виробництва шляхом трансформації перенесено в генотип озимої пшениці 4 гени стійкості проти злакових мух;
• тютюну, помідорам, картоплі перенесено від кукурудзи ген стійкості проти гербіциду фосфінотрицину.
Сорт — не штучно створена людиною група рослин, які мають біологічну та морфологічну подібність, з метою одержання високого врожаю та економічного ефекту. Отже, сорт — господарська, а не ботанічна одиниця. Тому неправильно називати сортами дикорослі форми, види та різновиди.
Сорти рослин отримують різними методами, тому, враховуючи їх походження, Міжнародна комісія з питань номенклатури культурних рослин видала 1964 року Кодекс, у якому ввела новий термін — культивар, що об’єднує такі поняття:
клон — генетично однорідне потомство, одержане під час вегетативного розмноження однієї особини;
лінія — потомство однієї самозапильної рослини, одержане шляхом статевого розмноження (насінням);
гібрид першого покоління (F1) — однорідна сукупність особин, яка щоразу відтворюється шляхом схрещування батьківських форм гетерозисного гібриду;
сортотип — сорт, дуже подібний з основним сортом;
порода — популяція тварин, яку штучно створила людина; відтворює в потомстві стійкий генофонд, має свої особливості морфологічної будови і певний рівень продуктивності;
штам — генетично однорідна культура мікроорганізмів у межах певного виду, яка має властиві лише їй специфічні особливості чи ознаки. Різні штами одного виду відрізняються один від одного.
Сорт, порода й штам — штучно створені людиною популяції, яким властиві певні спадкові особливості, комплекс морфологічних і фізіологічних ознак, продуктивність тощо.
Для визначення перспективності нового сорту чи породи створено відповідні спеціалізовані сортовипробувальні станції та племінні господарства.
Штучний добір — вибіркове допущення до розмноження тварин, рослин або інших організмів задля створення нових сортів та порід, які володіють бажаними якостями. Попередник сучасної селекції. Результатом штучного добору є різноманітність сортів рослин та порід тварин.
Основи теорії штучного добору заклав Ч. Дарвін (1859) у першому виданні книги «Походження видів. ». Він показав, що штучний добір є основним фактором, що обумовлює виникнення порід домашніх тварин та сільськогосподарських рослин.
несвідомий — при цій формі людина зберігає найкращі екземпляри без встановлення певної мети. Здійснювала людина вже на перших етапах одомашнення тварин та окультурювання рослин. Був основним фактором появи порід тварин та сортів рослин;
методичний — людина цілеспрямовано підходить до створення нової породи або сорту, ставлячи перед собою певні завдання. Сформувався до другої половини XVIII ст. та зберігає своє значення нині в сучасному рослинництві та тваринництві. Методичний добір — творчий процес, що дає швидші результати, ніж несвідомий.
Штучний добір проводять у вигляді двох форм:
масовий — вибраковування всіх особин, які за фенотипом не відповідають породним або сортовим стандартам (його значення — збереження сталості породних та сортових якостей);
індивідуальний — добір окремих особин з урахуванням спадкової стійкості їхніх ознак, що забезпечує удосконалення породних та сортових якостей.
Дослідження механізму та результатів штучного добору було для Ч. Дарвіна важливим етапом на шляху обґрунтування дії природного добору.
В основі штучного добору лежить мінливість ознак, їх наслідування та добір. Дарвін вказав найважливішу особливість штучного добору, яка визначає його специфічне значення порівняно з природним добором. Штучний добір здійснює людина за окремими ознаками, які її цікавлять, що може призводити до дезорганізації генетичних та морфогенетичних кореляційних систем організмів; тоді як природний добір сприяє лише тим особливостям організмів, які підвищують їхню пристосованість, сприяють закріпленню цілих комплексів адаптивних ознак. Тому нерідко як побічна дія штучного добору проявляється ефект різноманітних генів, які раніше були блоковані дією генів-репресорів у складі відповідних генетичних комплексів. У результаті фенотипна мінливість організмів, які піддаються дії природного добору, підвищується, а загальна життєздатність знижується.
Системи схрещувань організмів
Успішність селекції залежить не тільки від форми штучного добору, але й від правильного підбору батьківських форм та застосування тієї чи іншої системи схрещування організмів (гібридизації). Гібридизація можлива як у межах одного виду (внутрішньовидова), так і між особинами різних видів (міжвидова або віддалена). Внутрішньовидове схрещування буває спорідненим і неспорідненим.
Споріднене схрещування, або інбридинг, — де схрещування організмів, що мають спільних предків. Залежно від ступеня спорідненості інбридинг може бути більш або менш тісним. Найтісніші форми спорідненого схрещування виявлено серед самозапильних рослин і самозаплідних гермафродитних тварин. В організмів з перехресним заплідненням тісний інбридинг відбувається при схрещуванні між потомством, батьками та їхніх нащадками тощо.
Унаслідок спорідненого схрещування з кожним наступним поколінням підвищується гомозиготність гібридів. Це пояснюється тим, що генетична близькість батьків збільшує ймовірність поєднання в потомстві одних і тих же алелей різноманітних генів пропорційно до ступеня спорідненості. У самозапильних рослин уже в 10-му поколінні спостерігається майже повна гомозиготність (до 99,9 %), а при схрещуванні братів із сестрами чи батьків з нащадками такий результат може бути досягнутий після 20-го покоління. Проте досягнути 100 %-ї гомозиготності за всіма генами не вдається, бо вона порушується внаслідок мутацій, що постійно виникають.
Біологічним наслідком спорідненого схрещування є ослаблення або навіть виродження нащадків, оскільки в таких гомозиготних організмів збільшується ймовірність фенотипного прояву летальних чи сублетальних рецесивних алелей. Таким чином, тісний інбридинг часто призводить до появи організмів з різноманітними спадковими аномаліями. Наслідки спорідненого схрещування були відомі людині ще в сиву давнину. Наприклад, близько 20 % людей-альбіносів ,є нащадками від споріднених шлюбів. Відомо, що в людини є декілька рецесивних летальних алелей, здатних у гомозиготному стані спричинити смерть. Тому шлюби між близькими родичами забороняли релігія чи закони.
У селекції споріднене схрещування застосовують для отримання чистих ліній. Інбридинг дає можливість отримати цінні ознаки в гомозиготному стані і закріпити їх серед нащадків.
Неспоріднене схрещування, або аутбридинг,— гібридизація організмів, які не мають тісних родинних зв’язків, тобто представників різних ліній, сортів чи порід одного виду. Неспорідненими вважають особин, у яких немає спільних предків принаймні протягом попередніх шести поколінь. Неспоріднене схрещування застосовують для поєднання в потомстві цінних властивостей, притаманних різним лініям, породам чи сортам. За своїми генетичними наслідками воно прямо протилежне інбридингу. При неспорідненому схрещуванні з кожним наступним поколінням підвищується гетерозиготність нащадків. Це пояснюють тим, що зі зменшенням ступеня спорідненості організмів зростає ймовірність наявності в них різних алелей певних генів.
У разі неспорідненого схрещування часто спостерігають явище гетерозису, за якого перше покоління гібридів має підвищені життєздатність і продуктивність порівняно з вихідними батьківськими формами. Це пояснюють тим, що в гетерозисних форм сублетальні та летальні рецесивні алелі переходять гетерозиготний стан, завдяки чому їх шкідлива дія не проявляється фенотипно. Крім того, у генотипі гібридних нащадків можуть поєднуватись сприятливі домінантні алелі обох батьків. Унаслідок цього можна спостерігати явище взаємодії неалельних домінантних генів. За даними біохімічних досліджень у гетерозисних форм часто спостерігається ширший набір ферментів та підвищена їх активність порівняно з батьківськими організмами.
Гетерозис повною мірою проявляється в першому поколінні гібридів, однак у наступних, унаслідок розщеплення ознак та переходу частини генів у гомозиготний стан, його ефект слабшає і до восьмого покоління сходить нанівець. У рослин гетерозис можна закріпити вегетативним розмноженням, подвоєнням числа хромосом або партеногенезом. Гетерозис може більше позначатись на одних ознаках гібридної особини, не зачіпаючи інших.
Віддалена гібридизація. Перспективним методом селекційної роботи є віддалена гібридизація — схрещування особин, які належать до різних видів і навіть родів задля поєднання в гібридів цінних спадкових ознак представників різних видів. За допомогою віддаленої гібридизації створено гібриди пшениці та пирію, що відзначаються високою продуктивністю (до 300-450 ц/га зеленої маси) та стійкістю проти полягання; пшениці із житом; китайської цукрової тростини з дикими видами, що сприяло підвищенню цукристості. Відомі міжвидові гібриди і серед плодових культур (малини та ожини, сливи й терену, горобини та сибірського глоду тощо).
У тваринництві також створено значну кількість міжвидових гібридів. Добре відомий гібрид кобили та осла — мул, який відзначається значною витривалістю, фізичною силою та довшим терміном життя порівняно з батьківськими формами. Подібні властивості виявляє гібрид одногорбого та двогорбого верблюдів. Унаслідок міжвидового схрещування виведено нову породу овець — архаромериносів (гібрид тонкорунних овець-мериносів і дикого гірського барана-архара). Схрещуванням тібетського яка з великою рогатою худобою створено нові породи (сарлики та хайнаки). Вони мають більшу продуктивність і вищу якість м’яса порівно з яком та кращу пристосованість до суворих умов високогір’я порівняно з великою рогатою худобою. У рибництві відомий гібрид білуги та стерляді — бістер, який швидко росте та має смачне м’ясо.
Щоправда, селекціонери часто стикаються із проблемою безпліддя міжвидових гібридів, гамети яких звичайно не дозрівають. Навіть за умов однакової кількості хромосом у каріотипах батьківських форм хромосоми різних видів відрізняються за структурою і тому нездатні до кон’югації. Особливо ускладнюється хід мейозу за умов різного числа хромосом у каріотипах батьків.
Якщо безплідність у міжвидових рослинних гібридів ще можна подолати, то у тварин вирішити цю проблему значно складніше. Лише в деяких випадках у міжвидових гібридів тварин одна чи обидві статі виявляються плідними. Так, у гібрида яка і великої рогатої худоби самці безплідні, тоді як самки — плідні, а мули взагалі нездатні до розмноження.
Уперше методику подолання стерильності міжвидових гібридів у рослин розробив 1924 року Г, Д. Карпеченко на прикладі гібрида капусти та редьки, який за своїм фенотипом займав проміжне положення між відповідними фенотипами батьків. Хоча капуста й редька належить до різних родів родини Хрестоцвітих, вони мають однакову кількість хромосом (2n = 18). Утім, створений Г. Д. Карпеченком міжвидовий гібрид виявився безплідним, оскільки під час мейозу «капустяні» та «редькові» хромосоми між собою не кон’югували. Тоді вчений подвоїв хромосомний набір гібрида (4n = 36), тобто в ядрі його клітин тепер було по два повні набори хромосом кожного з батьків (2 «капустяні» та 2 «редькові» гомологічні хромосоми кожної пари). Унаслідок цього процес мейозу в такої поліплоїдної форми перебігав нормально: «капустяні» хромосоми конюгували з «капустяними», а «редькові» — з «редьковими»; в кожну з гамет завжди потрапляло по одному гаплоїдному набору хромосом редьки та капусти.
Якщо міжвидові гібриди рослин можна розмножувати вегетативно, то в хребетних тварин вегетативне розмноження неможливе. Розмножують складні міжвидові гібриди за допомогою методів клітинної інженерії. Зокрема, новий організм вирощують з окремих гібридних соматичних клітин. Цей метод отримав назву клонування.
Явище гетерозису — різке підвищення потужності гібридів першого покоління порівняно з батьківськими формами — вперше описано понад 200 років тому. Ч. Дарвін спостерігав багато прикладів несприятливої дії наслідків самозапилення на інтенсивність росту та життєздатність перехреснозапильних культур. Широковідомі негативні наслідки близькоспоріднених схрещувань у тварин. Теоретичні основи гетерозису були розроблені у 20-30-х роках XX ст.
Зниження життєздатності та продуктивності організмів у разі інбридингу — близькоспорідненого розмноження або самозапилення перехреснозапильників — пояснюють підвищенням ступеня гомозиготності організму. Що більше поколінь зазнає інбридингу, то більша гомозиготність за всіма генами досягається в результаті. Із збільшенням ступеня гомозиготності починає проявлятись дія багатьох шкідливих рецесивних генів, вплив яких за відсутності інбридингу нейтралізує дія нормальних домінантних генів. Багаторазовий інбридинг веде до різкого ослаблення або виродження нащадків; саме із цим пов’язана відома з давнини заборона близькоспоріднених шлюбів у людини.
Як наслідок інбридингу в кількох поколіннях відбувається роздроблення популяції на декілька генотипно відмінних ліній. Ефект досягається тим скоріше, що менша кількість генів, за якими гетерозиготна популяція. Такі генетично одноманітні лінії, гомозиготні за більшістю генів, що входять до їх складу, мають назву чистих ліній. Дослідження генетики чистих ліній дало змогу розробити методи їх використання в селекції для створення гетерозисних гібридів з високою продуктивністю. За умов правильного сполучення інбредних ліній в результаті схрещування вдається одержати гетерозисні гібриди, які перевершують за потужністю не тільки батьківські інбредні лінії, а й вихідні форми, з яких ці лінії одержані. Ефект гібридної потужності найбільшим буває в першому поколінні, потім слабшає і поступово зникає.
Однією із причин ефекту гетерозису є усунення в гетерозиготному організмі шкідливої дії рецесивних генів. Другий механізм гетерозису полягає в об’єднанні в гібриди сприятливих домінантних генів, які є в організмах батьків і поєднуються в гібриди. Гетерозис може виникнути і в результаті того, що деякі гени сприятливіше проявляються, якщо перебувають у гетерозиготному стані.
Схему одержання гетерозиготних гібридів простіше пояснити на прикладі кукурудзи — першого об’єкта, на якому почали використовувати міжлінійні гібриди. Кукурудза є першою рослиною, у якої одержання гетерозиготних гібридів було поставлено на промислову основу. Щоб отримати гібридне насіння, спочатку створюють інбредні лінії найкращих сортів. Через 5-6 років інбридингу проводять добір найкращих ліній і випробовують їх на найкраще поєднання — комбінаційну здатність. Лінії з високою комбінаційною здатністю, що після гібридизації дають найбільший ефект гетерозису, розмножують і використовують для масового виробництва гібридного насіння. Прості гібриди, які були одержані таким чином, часто стають основою для створення складних подвійних міжлінійних гібридів. Подвійні гібриди одержують шляхом схрещування двох простих міжлінійних гібридів. Якщо позначити похідні лінії А, В, С, D, можна схематично позначити одержання простих міжлінійних гібридів формулами А х В та С х D, а створення подвійного міжлінійного гібрида — формулою (А х В) х (С х D). Уявна складність створення таких гібридів, що пов’язана з багаторічним інбридингом, пошуком оптимальних поєднань ліній та створенням на їх основі спочатку простих, а потім і подвійних міжлінійних гібридів, цілком скуповується високим врожаєм цих гетерозиготних подвійних гібридів. Крім кукурудзи, використання гетерозису для підвищення продуктивності широко практикують у томатів, інших овочевих культур, а також у промисловому птахівництві та свинарстві.
У тваринництві явища гетерозису спостерігаються при гібридизації, міжпородному і внутрішньопорідному (міжлінійному) схрещуванні і забезпечують помітне підвищення продуктивності сільськогосподарських тварин. Найбільшого поширення набуло використання гетерозису при промисловому схрещуванні. У птахівництві при схрещуванні яйценосних порід курей, наприклад леггорнів з австралорпами, родайландами та ін., яйценосність гібридів першого покоління зростає на 20-25 яєць у рік; схрещування м’ясних порід курей з яєчними для отримання м’яса обумовлює підвищення м’ясних якостей гібридів. У свинарстві, вівчарстві і скотарстві промисловим схрещуванням користуються для здобуття гетерозису по м’ясній продуктивності, що виражається в підвищенні скоростиглості і живої ваги тварин, збільшенні забійного виходу, покращенні якості туш.
Особливості селекції рослин, тварин, мікроорганізмів
Основні методи селекції взагалі і селекції рослин зокрема — добір і гібридизація.
Для перехреснозапильних рослин застосовують масовий добір особин з бажаними властивостями. Інакше неможливо одержати матеріал для подальшого схрещування. Таким чином одержують, наприклад, нові сорти жита. Ці сорти не є генетично однорідними.
Якщо ж бажане отримання чистої лінії, тобто генетично однорідного сорту, то застосовують індивідуальний добір, при якому шляхом самозапилення одержують потомство від однієї особини з бажаними ознаками. Таким методом було одержано багато сортів пшениці, капусти та ін.
Для закріплення корисних спадкових властивостей необхідно підвищити гомозиготність нового сорту. Іноді для цього застосовують самозапилення перехреснозапильних рослин. При цьому можуть фенотипно виявитись несприятливі дії рецесивних генів.
Основна причина цього явища — перехід багатьох генів у гомозиготний стан. У будь-якого організму в генотипі поступово накопичуються несприятливі мутантні гени. Вони найчастіше рецесивні і фенотипно не проявляються. Але при самозапиленні вони переходять в гомозиготний стан і виникає несприятлива спадкова зміна. У природі в самозапильних рослин несприятливі рецесивні гени мутантів швидко переходять у гомозиготний стан і такі рослини гинуть, вибраковуючись природним добором.
Незважаючи на несприятливі наслідки самозапилення, його часто застосовують у перехреснозапильних рослин для отримання гомозиготних («чистих») ліній з потрібними ознаками. Це призводить до зниження врожайності. Проте потім проводять перехресне запилення між різними «чистими» лініями і в результаті в ряді випадків одержують високоврожайні гібриди з потрібними селекціонерові властивостями. Цей метод міжлінійної гібридизації часто приводить до ефекту гетерозису: гібриди першого покоління відзначаються високою врожайністю і стійкістю до несприятливих умов. Гетерозис характерний для гібридів першого покоління, отриманих при схрещуванні не тільки різних ліній, але і різних сортів, і навіть видів. На жаль, ефект гетерозисної потужності буває сильним тільки в першому гібридному поколінні, а в наступних поколіннях поступово знижується.
Основна причина гетерозису полягає в усуненні в гібридах шкідливого прояву рецесивних генів, що накопичились. Інша причина — об’єднання в гібридах домінантних генів батьківських особин і взаємне посилення їх ефектів.
У селекції рослин широко застосовують експериментальну поліплоїдію, оскільки поліплоїдії відзначаються швидким ростом, значними розмірами та високою врожайністю.
Шляхом штучного мутагенезу і подальшого відбору мутантів були одержані нові високоврожайні сорти ячменю та-пшениці. Цими ж методами вдалось одержати нові штами грибів, що виділяють у десятки разів більше антибіотиків, ніж вихідні форми.
Зараз у світі культивують більше 250 сортів сільськогосподарських рослин, створених за допомогою фізичного та хімічного мутагенезу. Це сорти кукурудзи, ячменю, сої, рису, томатів, соняшнику, бавовнику, декоративних рослин.
При створенні нових сортів за допомогою штучного мутагенезу дослідники використовують закон гомологічних рядів М. І. Вавилова. Організм, що одержав у результаті мутації нові властивості, називають мутантом. Більшість мутантів має знижену життєздатність і відсівається в процесі природного добору. Для селекції нових порід і сортів необхідні ті рідкісні особини, які мають сприятливі або нейтральні мутації.
Віддалена гібридизація — це метод, при якому проводять схрещування рослин різних видів одного роду або навіть різних родів. Існують гібриди жита і пшениці, пшениці і дикого злаку егілопс. Проте віддалені гібриди, як правило, безплідні, оскільки в них неможливий нормальний процес дозрівання гамет через нездатність хромосом кон’югувати в профазі І мейозу.
Одним з досягнень сучасної генетики і селекції є подолання безпліддя міжвидових гібридів. Вперше це вдалося зробити Г. Д. Карпеченку при отриманні капустяно-редькового гібриду. У результаті віддаленої гібридизації було одержано нову культурну рослину тритікале — гібрид пшениці з житом (лат. Triticum — пшениця і Secale — жито). Віддалену гібридизацію широко застосовують у плодівництві.
Так само як у селекції рослин, у селекції тварин використовують добір і гібридизацію. Проте селекція тварин ускладнюється тим, що у них існує тільки статеве розмноження, потомство у більшості нечисленне і розвивається повільно. Одержати масовий матеріал для добору від незначної кількості тварин, які мають потрібні людині ознаки, дуже важко. Тому широко застосовують штучне запліднення, що дає змогу одержати від одного самця багато нащадків.
Через труднощі в отриманні масового потомства від пари батьків з потрібною людині ознакою в .селекції тварин застосовують близькоспоріднене схрещування, або інбридинг, при якому між собою схрещуються особини з одного посліду або батьківські особини — з власним потомством. Проте при інбридингу велика вірогідність переведення несприятливих рецесивних алелей в гомозиготний стан. Як відомо, мутації, зокрема несприятливі, зазвичай рецесивні і рідко виявляються у фенотипі, але при близькоспорідненому схрещуванні такі гени перейдуть у гомозиготний стан і несприятлива ознака виявиться. Для усунення несприятливих наслідків інбридингу використовують аутбридинг (англ. out — зовні; breeding — розведення) — схрещування неспоріднених форм одного виду. При цьому не повинно бути спільних предків у найближчих 6 поколіннях.
В усіх випадках гібридизації проводять ретельний індивідуальний добір плідників для наступних етапів селекції. Для обліку характеру наслідування ознак у селекційних господарствах ведуть спеціальні племінні книги. Процес отримання нових порід тварин повільний; вважається, що для отримання нової породи, наприклад корів, потрібно не менше 30-40 років.
Проводячи селекцію тварин, важливо наперед визначити спадкові якості тварин-плідників — самців — за тими ознаками, які фенотипно у них не виявляються. Такими ознаками можуть бути: для биків — молочність і жирномолочність, для півнів— несучість їхнього потомства. З цією метою застосовують метод визначення певної якості тварини-плідника за потомством: спочатку одержують нечисленне потомство і порівнюють його продуктивність з материнською і з середньою продуктивністю даної породи тварин. Якщо продуктивність самок у потомстві виявиться підвищеною порівняно з цими показниками у породи, то роблять висновок про цінність плідника. Такий метод застосовують у племінній селекційній роботі.
При віддаленій гібридизації тварин, що належать до різних видів, одержують міжвидові гібриди з потрібними людині властивостями. Найчастіше між-видові гібриди безплідні, оскільки в їх клітинах містяться батьківські набори хромосом, що відрізняються як за числом, так і за формою. Різні хромосоми не можуть правильно кон’югувати в профазі І мейозу, а тому статеві клітини міжвидових гібридів мають спотворений хромосомний набір і не можуть дати початок наступному поколінню. Проте такі гібриди можуть мати цінні для людини властивості. Багато століть, наприклад, люди розводять мулів — гібрид кобили й осла. Створено також гібриди коропа й карася, білуги та стерляді (бістер), корови і яка, вівці й архара та ін.
До досягнень селекції тварин можна віднести також отримання нової породи свиней: шляхом схрещування кнурів англійської породи (йоркширська біла) з льохами безпородних українських свиней була одержана порода біла степова. У цьому процесі широко використовували схрещування особин віддалених ліній і близькоспоріднене схрещування. Одержано численні породи овець, великої рогатої худоби, коней і тощо.
Селекція мікроорганізмів (на відміну від селекції рослин і тварин) має ряд особливостей:
• селекціонер має необмежену кількість матеріалу для роботи: за лічені дні в чашках Петрі або пробірках на поживних середовищах можна виростити мільярди клітин;
• більш ефективне використання мутаційного процесу, оскільки геном мікроорганізмів гаплоїдний, що дає змогу виявити будь-які мутації вже в першому поколінні;
• організація генома бактерій простіша: менше генів у геномі, менш складна й генетична регуляція взаємодії генів.
Ці особливості накладають свій відбиток на методи селекції мікроорганізмів, які багато в чому істотно відрізняються від методів селекції рослин і тварин. Наприклад, у селекції мікроорганізмів зазвичай використовують їх природну властивість синтезувати корисні для людини сполуки (амінокислоти, вітаміни, ферменти та ін.). У разі використання методів генної інженерії можна змусити бактерії та інші мікроорганізми продукувати ті сполуки, синтез яких у природних умовах їм ніколи не був властивий (наприклад, гормони людини і тварин, біологічно активні сполуки).
Природні мікроорганізми, як правило, мають низьку продуктивність щодо речовин, які цікавлять селекціонера. Для використання в мікробіологічній промисловості потрібні високопродуктивні штами, які створюють різними методами селекції, у тому числі відбором серед природних мікроорганізмів.
Відбору високопродуктивних штамів передує цілеспрямована робота селекціонера з генетичним матеріалом вихідних мікроорганізмів. Зокрема, широко використовують різні способи рекомбінації генів: кон’югацію, трансдукцію, трансформацію та інші генетичні процеси. Наприклад, кон’югація (обмін генетичним матеріалом між бактеріями) дала змогу створити штам, здатний утилізувати вуглеводні нафти. Часто вдаються до трансдукції (перенос гена з однієї бактерії до іншої за допомогою бактеріофагів), трансформації (перенесення ДНК з одних клітин в інші) та ампліфікації (збільшення числа копій потрібного гена).
Найважливішим етапом у селекційній роботі є індукування мутацій. Експериментальне отримання мутацій відкриває майже необмежені перспективи для створення вихідного матеріалу в селекції. Імовірність (частота) виникнення мутацій у мікроорганізмів (10 -10 —10 -б ) нижча, ніж в усіх інших організмів (10 -6 —10 -4 ), Але ймовірність виділення мутантів у бактерій значно вища, ніж у рослин і тварин, оскільки отримати багатомільйонне потомство доволі просто.
Для виділення мутацій служать селективні середовища, на яких здатні рости мутанти, але гинуть вихідні особини дикого типу. Проводять так само відбір за забарвленням і формою колоній, швидкості росту мутантів і диких форм тощо.
Відбір за продуктивністю (наприклад, продуцентів антибіотиків) здійснюється за ступенем антагонізму та пригнічення росту чутливого штаму. Для цього штам-продуцент висівають на «газон» чутливої культури. За розміром плями, де відсутній ріст чутливого штаму навколо колонії штаму-гіродуцента, судять про ступінь активності (у даному випадку антибіотичної). У результаті селекції продуктивність продуцентів вдається збільшити в сотні й тисячі разів. Наприклад, комбінуючи мутагенез і відбір у роботі з грибом Реnісіllium, вихід антибіотика пеніциліну збільшили приблизно в 10 тис. разів порівняно з вихідним диким штамом.
Поліплоїдія (давньогр. πολύς — багаточисленний, πλούς — спроба, είδος — вид) — геномна мутація, при якій відбувається кратне збільшення кількості хромосом у клітинах тваринних і рослинних організмів. Виникає внаслідок поділу хромосом, що не супроводиться поділом клітини; злиття соматичних клітин або їхніх ядер; утворення гамет чи спор з нередукованим числом хромосом унаслідок аномалії мейозу. Це спричинюється впливом на клітину, що ділиться, високої або низької температури, іонізуючого випромінювання, хімічних речовин, що перешкоджають правильному розходженню хромосом тощо. До таких речовин належать алкалоїд рослинного походження колхіцин, аценафтен та інші. Поліплоїдія в природі виникає спонтанно, а також може бути спричинена штучно. Кратне збільшення в організмі кількості однакових наборів хромосом називають автополіплоїдією. Збільшення в клітині числа хромосомних наборів у три, чотири або більше разів, порівняно з гаплоїдними клітинами, призводить до появи триплоїдних, тетраплоїдних тощо клітин, з яких розвиваються відповідні організми (поліплоїди).
Розрізняють поліплоїдію збалансовану, яка характеризується утворенням клітин з парним числом хромосом, та незбалансовану, при якій виникають клітини з непарним числом хромосом. У збалансованих поліплоїдів мейоз відбувається нормально й утворюються розвинені статеві клітини; у незбалансованих мейоз завжди порушується, оскільки внаслідок непарності хромосом порушується кон’югація; при цьому порушується закономірність розподілу хромосом між дочірніми клітинами. Це знижує життєздатність статевих клітин і плодючість організмів, що часто призводить до анеуплоїдії. Поліплоїди, що виникають у міжвидових гібридів і мають кілька повторів різних наборів хромосом, називають апополіплоїдами. Поліплоїдія ускладнює успадкування ознак і змінює характер розщеплення, унаслідок чого в нащадків гібридів переважають особини з домінантними ознаками.
Поліплоїдія дуже поширена в рослин (30 % всіх квіткових рослин — поліплоїди); у тварин трапляється рідко (у деяких комах, земноводних, червів), переважно у видів, яким властивий партеногенетичний спосіб розмноження. Багато родів рослин складаються з видів, що мають поліплоїдні ряди — наприклад, злакові, пасльонові, розоцвіті та інші. Не трапляється поліплоїдія у хвойних рослин і грибів, зрідка буває в мохів і папоротеподібних. Поліплоїдія має важливе значення в селекції рослин, зокрема поліплоїдні організми довше зберігають гетерозис.
Центри різноманітності та походження культурних рослин
Під керівництвом М. Вавилова у 20-30-х роках XX ст. були здійснені наукові експедиції в різні куточки земної кулі для встановлення центрів різноманіття культурних рослин, де трапляється найбільша кількість їх сортів і форм. Ці центри різноманіття є водночас і центрами їх походження. У таких центрах відбуваються інтенсивні формотворчі процеси, але фенотипно виявляються переважно домінантні ознаки, у той час як рецесивні виявляються на периферії центрів поширення відповідних культур. Таких центрів дослідники виділили сім.
Південноазіатський тропічний (тропічна Індія, Індокитай, Південний Китай, острови Південно-Східної Азії): батьківщина рису, цукрової тростини, огірків, деяких цитрусових, бананів, баклажанів тощо.
Східноазіатський (Центральний та Східний Китай, Японія, Корея, Тайвань): батьківщина сої, гречки, редьки, яблуні, груші, сливи, шовковиці, проса, деяких цитрусових.
Південно-західноазіатський (Мала і Середня Азія, Кавказ, Іран, Афганістан, Північно-Західна Індія): батьківщина гороху, нуту, сочевиці, кількох видів м’якої пшениці, жита, ячменю, вівса, моркви, цибулі, коротковолокнистого бавовнику, льону, винограду, абрикоса, мигдалю, волоського горіха.
Середземноморський (країни, розташовані на узбережжі Середземного моря): батьківщина цукрових буряків, капусти, оливкового дерева, конюшини, люпину тощо.
Абіссінський (Абіссінське нагір’я, Південно-Західна Аравія): батьківщина твердої пшениці, особливих сортів ячменю, зернового сорго, кавового дерева, одного виду бананів.
Центральноамериканський (Південна Мексика та острови Карибського моря): батьківщина кукурудзи, червоного перцю, квасолі, гарбуза, тютюну, какао, довговолокнистого бавовнику.
Південноамериканський (Андійський) (Анди Перу, Еквадору та Північного Чилі): батьківщина картоплі, помідорів, арахісу, ананаса, хінного дерева.
Райони одомашнення тварин
Райони одомашнення і походження порід свійських тварин пов’язані з давніми центрами землеробства, однак встановити центри походження свійських тварин значно складніше, ніж культурних рослин. Це пояснюють значними переміщеннями їхніх диких предків у межах первісних ареалів, які тепер складно встановити. Одомашнення могло відбуватись у будь-якому місці первинного ареалу, а подальше поширення порід було пов’язане не з природним середовищем існування, а з діяльністю людини. Під час одомашнення відбулись значні зміни в будові й життєвих функціях свійських тварин, їхній поведінці,
Одним з перших був приручений собака, якого людина спочатку використовувала для захисту і як помічника на полюванні. Вважають, що собаку одомашнено в кількох місцях Євразії, а його предками були деякі види вовків. У наш час відомо понад 400 порід собаки свійського, селекція якого відбувалась у кількох основних напрямах: службові, мисливські та декоративні породи. Значно пізніше (близько 5 тис. років тому) на території Давнього Єгипту для захисту запасів зерна від гризунів приручили кішку. Її предком вважають дику лівійську кішку.
Від полювання на диких тварин і збирання їстівних рослин первісна людина перейшла до тваринництва і землеробства. Кочові та осілі племена для власних потреб приручали ті чи інші види диких тварин. Одним із перших об’єктів тваринництва були вівці й кози. Вівчарство виникло в гірських районах Греції, Кавказу, Малої і Середньої Азії. Предками свійської вівці були дикі види архар і муфлон, які й тепер трапляються в районах її одомашнення. Відомо понад 600 порід свійської вівці. В Україні, зокрема, розводять асканійську, цигейську, каракульську, гірськокарпатську породи. Свійських кіз вирощують з тією ж метою, що й овець. Їхніми предками вважають деякі види диких козлів (безоарового та ін.). Відомо понад 50 порід кіз (молочні, пухові тощо).
Серед перших приручених людиною тварин був і кінь. Його предком вважають дикого коня — тарпана, який раніше жив у лісостеповій зоні Європи й Казахстану. Проте цей вид людина повністю знищила до кінця XIX століття.
Слід зазначити, що кінь ІІржевальського, якого раніше вважали предком свійського коня, насправді ним не є, оскільки має інший набір хромосом.
У наш час відомо понад 200 порід коней, серед яких розрізняють верхові, упряжні та ваговози. Коней і нині використовують для перевезення людей і вантажів, оранки, у спортивних змаганнях, а також з метою одержання м’яса й молока.
Предком великої рогатої худоби був дикий бик (тур), який жив на території лісостепової і степової зон Євразії (останнього тура було знищено 1627 року на території сучасної Польщі). Вважають що тура одомашнено близько 4 тис. років тому в Давній Греції. Виведено понад 250 порід великої рогатої худоби, яку розводять заради м’яса, молока, шкіри і як тяглову силу. Основні напрями селекції: створення молочних (чорно-ряба, червона степова), м’ясних (герефордська), м’ясо-молочних (симентальська, лебединська) порід.
Дику свиню (кабана), яка трапляється в різних регіонах Євразії, приручили землеробські племена 5-7 тис. років тому. Від свого дикого предка свійська свиня відрізняється більшою плодючістю, а поросята не мають смугастого забарвлення. Різноманітні породи свійської свині (їх відомо понад 100: велика біла, українська степова, миргородська, беркширська тощо) людина розводить заради м’яса, сала і шкіри.
Людина одомашнила також різні види птахів. Так, свійські кури походять від диких банківських і червоних курей, одомашнених 5-6 тис. років тому на території Південної і Південно-Східної Азії. Залежно від напрямів селекційної роботи розрізняють несучі (леггорн, російська біла), м’ясні (корніш) і м’ясо-яєчні (загорська, плімутрок, родайленд) породи курей.
Індіанські племена Центральної Америки близько 2 тис. років тому приручили інший вид ряду Куроподібні — дику індичку. Свійських індиків, як і курей, розводять заради м’яса, яєць і пуху. Свійська качка походить від дикої качки — крижня. Різноманітні породи свійських качок (українську, московську, пекінську та ін.) розводять заради м’яса, яєць, пуху. Приблизно в той самий час, що й качку (близько 4 тис. років тому), людина приручила сіру гуску.
Короп, якого людина розводить штучно, походить від сазана, що живе в прісних водоймах Євразії. Різноманітні породи золотих рибок виведено в Китаї від сріблястого карася майже 5 тис. років тому. Людина штучно розводить таких риб, як райдужну форель, осетрів тощо.
Понад 5 тис. років тому в Китаї виникло шовківництво. Приблизно в ті самі часи в тропічних і субтропічних регіонах Євразії виникло і бджільництво. Як і шовковичний шовкопряд, медоносна бджола в дикому стані не відома, ці види є виключно свійськими тваринами.
Отже, за відносно короткий історичний проміжок часу людина одомашнила значну кількість видів диких тварин, які стали предками численних порід свійських тварин. Цей процес триває і нині.
Біотехнології, генетична та клітинна інженерія
Біотехнологія — використання людиною організмів і біологічних процесів для виробництва необхідних речовин і конструювання нових організмів з використанням досягнень мікробіології, біохімії та технологій.
У біотехнології використовують бактерії, гриби, клітини різних тканин рослин і тварин.
Випікання хліба, виноробство, сироваріння, приготування пива і спирту — біотехнологічні процеси, що базуються на використанні мікроорганізмів.
Термін «біотехнологія» з’явився у 1970-х роках.
Основні напрями сучасної біотехнології
• Виробництво лікарських препаратів (антибіотики, вакцини, високоспецифічні антитіла тощо).
• Виробництво мікроорганізмами та еукаріотичними клітинами біологічно активних речовин (ферменти, вітаміни, гормональні препарати).
• Виробництво цінних кормових продуктів (кормові добавки, кормові білки, незамінні амінокислоти).
• Використання біологічних методів боротьби із забрудненням навколишнього середовища (біологічна очистка стічних вод, ґрунту, виробництво метану зі сміття тощо).
• Біологічні методи захисту рослин від хвороб і шкідників.
• Методи концентрації цінних елементів (Купруму, Мангану, Хрому тощо) за допомогою бактерій.
Генетична (генна) інженерія
Основними методами біотехнології є генетична (генна) і клітинна (тканинна) інженерія.
Генетична (генна) інженерія — це маніпуляції на рівні геномних ДНК, цілих хромосом або їх фрагментів з метою створення рекомбінантних ДНК. Можна проводити також і на рівні клітин.
Термін «генетична інженерія» доволі широкий, він вбирає в себе і поняття «генна інженерія», і відповідає поняттю «селекційна біотехнологія».
Генетична інженерія стала ефективним засобом аналізу структури та функцій гена. Сьогодні можна сконструювати будь-який мутантний чи рекомбінантний ген, ввести його в будь-який хромосомний локус організму і спостерігати ефект на рівні клітини чи організму.
Генна інженерія — маніпуляції на рівні окремих генів, їх комплексів і фрагментів. Завдяки їй людина може свідомо втручатись у закономірності функціонування генетичних структур клітини і спрямовувати їх у бажаному напрямку.
Методи генної інженерії дають можливість:
• виділити певні гени з генотипів донорських клітин;
• штучно синтезувати потрібний ген;
• копіювати і розмножувати виділені чи штучно синтезовані гени;
• одержати рекомбінантні молекули ДНК;
• ввести природні чи штучні гени в геном реципієнтних клітин за допомогою молекул-векторів, якими є плазміди або інші елементи клітини.
Виділення генів можна здійснювати за допомогою ферментів рестрикцій — ендонуклеаз, які здатні розрізати нитки ДНК з певними нуклеотидними послідовностями, що розпізнаються відповідними ферментами рестриктазами.
Уперше з допомогою ферментів рестрикції ген лактозного оперона кишкової палички виділив Дж. Беквіт зі співробітниками 1969 року.
Виділити гени легко з порівняно невеликих геномів дрозофіли, дріжджів і важко — зі складних геномів еукаріотів.
Уперше штучно синтезував ген Г. Хорана (1969) — з гена аланінової іРНК дріжджів. Він містив лише інформаційну частину (без регуляторної) і тому працювати не міг. У 1976 р. учений синтезував ген, що складався зі структурної й регуляторних (промотора і термінатора) частин, увів його в бактеріальну клітину, де він працював як природний.
Оскільки штучно синтезувати можна лише невеликі за розміром гени прокаріотів, гени еукаріотів на практиці створюють ферментативним методом.
Ферментативний синтез генів відбувається за допомогою ферментів іРНК-залежних ДНК-полімераз. Скорочено їх називають зворотними транскриптазами, або ревертазами. Здійснюють ферментативний синтез гена у пробірці так:
• на матриці ІРНК за допомогою ферменту транскриптази (ревертазп) синтезується комплементарна їй нитка ДНК;
• синтезується двонитчаста молекула ДНК;
• після цього фермент рибонуклеаза руйнує ІРНК.
Одержану таким чином ДНК називають ДНК-копією (кДНК); вона не має інтронів.
Гени, синтезовані за допомогою ревертази, не мають регуляторної частини і можуть функціонувати лише в бактеріальних клітинах, у клітинах тварин такий ген не здатний працювати.
Ферментативним шляхом були синтезовані гени гемоглобіну в людини, кроля, голуба.
Клітинна (тканинна) інженерія
Клітинна інженерія — метод конструювання клітин нового типу на основі їх культивування, гібридизації та реконструкції. Базується на використанні культури клітин і тканин. Роботи з клітинної інженерії проводять у двох напрямах:
• використання клітин, переведених у культуру in vitro для синтезу різних корисних людині сполук;
• використання культивованих людиною клітин для отримання рослин-регенерантів.
У культурі in vitro проводять дослідження як з тваринними, так і з рослинними клітинами й тканинами.
Під час культивування соматичних клітин тварин in vitro було виявлено їх здатність зливатись між собою, що нагадує соматичну гібридизацію.
Шляхом гібридизації лімфоцитів (клітин, які синтезують антитіла, але повільно і недовго ростуть у культурі) з пухлинними клітинами, що мають потенції нескінченно тривалого й необмеженого росту на штучному живильному середовищі, створено клітини гібридоми, здатні синтезувати високоспецифічні антитіла певного типу.
На початку 1980-х рр. було створено гібридоми за участі клітин людини, які продукують специфічні антитіла проти різних інфекційних хвороб.
Здатність зливатись у культурі in vitro виявляють також клітини рослин. Для цього їх обробляють ферментами пектиназою та целюлазою, що спричиняє руйнування целюлозно-пектинових оболонок клітин. Такі клітини без целюлозно-пектинових оболонок називають пропластами. Протопласти обробляють поліетиленгліколем, який сприяє процесу їх злиття.
Шляхом клітинної інженерії створено гібриди томату і картоплі (помата), кавуна і гарбуза (кавбуз), яблуні й вишні.
Культури клітин і тканин поділяють на дві групи: селекційну, яку використовують для індукування мінливості й наступного добору (злиття клітин in vitro), і технологічну, метою якої є прискорення розмноження найцінніших, дефіцитних генотипів, оздоровлення існуючих сортів-клонів від вірусних хвороб.
Метод культивування апікальної верхівкової меристеми в культурі in vitro на поживних середовищах з метою отримання найцінніших, дефіцитних генотипів, безвірусного посадкового матеріалу є основним у вирощуванні саджанців винограду, бульб насіннєвої картоплі, суниці, квіткових рослин.
Генетично модифіковані та химерні організми
Генетично модифікований організм (ГМО) утворюється в результаті застосування технологій генної інженерії, які дають змогу вбудовувати гени одного організму в інший. Завдяки внесенню нових генів організм (рослина, мікроорганізм, тварина або навіть людина) отримує нові бажані ознаки, яких раніше в нього не було. Генна інженерія вперше дала можливість подолати бар’єри між різними видами: наприклад, помідор можна «схрестити» з рибою, бактерію з картоплею, свиню з медузою тощо. Цікаво, що, наприклад, генетично модифікована соя не відрізняється від звичайної ні за смаком, ні за зовнішніми ознаками. Якщо у вас немає спеціального обладнання для перевірки ДНК, то про наявність зміненої генетичної інформації у рослині можна лише здогадуватись.
Із самого початку використання генетично модифікованих рослин у сільському господарстві між вченими в усьому світі тривають дискусії про те, чи достатньо вони розуміють основи життя, закладені Творцем, щоб маніпулювати генами. Найчастіше культурним рослинам надають стійкість проти гербіцидів, комах або вірусів. Стійкість проти гербіцидів забезпечує несприйнятливість рослини до смертельної дози хімікатів. Завдяки цьому поле звільняється від бур’янів, а культурні рослини, стійкі до гербіциду, виживають. Компанії, які продають подібні рослини, пропонують і відповідні гербіциди. Стійка проти комах флора дійсно стає безсмертною: наприклад, непереможний колорадський жук, з’їдаючи листки ГМ-картоплі сорту «Новий лист», гине. Майже всі такі рослини містять вбудований ген природного токсину — ґрунтової бактерії Bacillus thuringiensis. Цей сорт, розроблений біотехнологічною компанією «Монсанто», став першим офіційно «дозволеним» ГМО в Україні.
Нині у біотехнологічних лабораторіях зриває активна робота над створенням наступних поколінь ГМО. Це рослини із вбудованими вакцинами і вітамінами, наприклад «Золотий рис» із вбудованим провітаміном А тощо. Експерименти біотехнологів не обмежуються сільськогосподарськими рослинами. Уже створені генетично модифіковані дерева, вівці, кози, свині, кішки, риба.
ГМО становлять ризик для біорізноманіття (у тому числі генетичного), оскільки вони взаємодіють у природі з усім живим, що їх оточує. Вчені визначили декілька проблемних сфер: появу нових шкідників, бур’янів, генетичного забруднення, перехресного запилення генетично модифікованих культур і звичайних, появу нових вірусів та ін. ГМО — живі організми, здатні до розмноження, поширення і мутацій, вони передають вбудовані в них характеристики наступним поколінням. Пилок генетично модифікованих рослин (наприклад, ріпаку) переноситься на великі відстані завдяки вітру, птахам і комахам, що дає змогу модифікованим генетичним конструкціям «вбудовуватись» у звичайні рослинні, перетворюючись у джерело генетичного забруднення. Коли чужорідний організм приходить у нове середовище, то він стає причиною зникнення багатьох місцевих видів.
ГМО — свого роду чужорідний вид. Наприклад, у Канаді генетично модифікований рапс (канола), стійкий проти гербіциду, перетворився на злісний бур’ян, який розмножується і захоплює території сільськогосподарських угідь з великою швидкістю. Проблема полягає в тому, що для того, аби вивести його, необхідно застосовувати надзвичайно сильні хімікати у великих дозах.
Химерами називають організми, що складаються з генетично різнорідних тканин. Вперше термін застосував німецький ботанік Г. Вінклер (1907) для форм рослин, отриманих в результаті зрощення пасльону й томату. Химери можуть виникати в результаті щеплення рослин і під впливом мутацій соматичних кліток. Компоненти химер можуть відрізнятись один від одного генами ядра, числом хромосом або генами елементів цитоплазми.
Химерні тварини — це генетичні мозаїки, що утворяться в результаті об’єднання бластомерів від ембріонів з різними генотипами. Одержання таких ембріонів здійснюється сьогодні в багатьох лабораторіях. Принцип одержання химер зводиться, головним чином, до виділення двох чи більшого числа зародків на ранніх стадіях розвитку та їхнього злиття. У тому випадку, коли в генотипі зародків, використаних для створення химери, є відмінності, вдається простежити долю клітин усіх видів. За допомогою химерних мишей було, наприклад, вирішене питання про спосіб виникнення в ході розвитку багатоядерних клітин поперечносмугованих м’язів.
1. Гетерозис можна спостерігати внаслідок схрещування особин:
Б різних систематичних родин;
Г батьківських з потомством.
2. До методів вивчення спадковості людини належить: