Достижения Н.И.Вавилова в селекции растений
Селекция (от лат. selectio, seligere – отбор) – это наука о методах создания высокопродуктивных сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов. По образному выражению Н.И. Вавилова, «…селекция представляет собой эволюцию, направляемую волей человека».
Учение о современной селекции было сделано нашим выдающимся соотечественником – агрономом, ботаником, географом, путешественником, всемирно признанным авторитетом в области генетики, селекции, растениеводства, иммунитета растений, крупным организатором сельскохозяйственной и биологической науки в нашей стране – Николаем Ивановичем Вавиловым (1887–1943). Многие хозяйственно- полезные признаки являются генотипический сложными, обусловленными совместным действием многих генов и генных комплексов. Необходимо выявить эти гены, установить характер взаимодействия между ними, иначе селекция может вестись вслепую. Поэтому Н.И. Вавилов утверждал, что именно генетика является теоретической основой селекции.
Н.И. Вавилов выделил следующие разделы селекции: 1) учение об исходном сортовом, видовом и родовом потенциалах; 2) учение о наследственной изменчивости (закономер ности в изменчивости, учение о мутациях); 3) учение о роли среды в выявлении сортовых признаков (влияние отдельных факторов среды, учение о стадиях в развитии растений применительно к селекции); 4) теория гибридизации как в пределах близких форм, так и отдаленных видов; 5) теория селекционного процесса (самоопылители, перекрестноопылители, вегетативно и апогамно раз множающиеся растения); 6) учение об основных направлениях в селекционной работе, таких, как селекция на иммунитет, на физиологические свойства (холодостойкость, засухоустойчивость, фотопериодизм), селекция на технические качества, химический состав; 7) частная селекция растений, животных и микроорганизмов.
МЕТОДЫ СЕЛЕКЦИИ Массовый отбор Массовый отбор - в посеве сохраняют растения только с желательными качествами. При повторном посеве снова отбирают растения с нужными признаками. Сорт, получаемый этим способом, не является генетически однородным, т.к. всегда имеются гетерозиготные особи (перекрестное опыление) Индивидуальный отбор Индивидуальный отбор применяют для выведения чистой линии - генетически однородного сорта. Сводится к выделению отдельных особей и получению от них потомства (самоопыление). ГИБРИДИЗАЦИЯОТБОР
Центры многообразия и происхождения культурных растений (по Н.И.Вавилову) Центры многообразия и происхождения Страны Культуры Южноазиатский тропический центр Тропическая Индия, Индокитай, Южный Китай, о-ва Юго- Восточной Азии Рис, сахарный тростник, плодовые и овощные культуры Восточноазиатский центр Центральный и Восточный Китай, Япония, о-в Тайвань, Корея Соя, просо, плодовые и овощные культуры, 20% мирового многообразия культурных растений Юго-Западноазиатский центр Малая Азия, Средняя Азия, Иран, Афганистан, Северо- Западная Индия Пшеница, рожь, зерновые, бобовые, виноград, плодовые, 14% мировой флоры Средиземноморский центр Страны Средиземного моря 11% культурных растений, маслины, кормовые растения (клевер, одноцветковая чечевица), многие овощные (капуста) Абиссинский центр Территория Эфиопии Сорго, бананы, аута, пшеница, ячмень Центральноамериканский центр Южная Мексика Кукуруза, длинноволокнистый хлопчатник, какао, тыква, фасоль (около 900 видов культурных растений) Андийский центр Андийский горный хребет Клубненосные растения (картофель), лекарственные (кокаиновый куст, хинное дерево)
Закон гомологических рядов Систематизируя учение об исходном материале, Н.И. Вавилов сформулировал закон гомологических рядов (1920 г.): 1. Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов. Чем ближе генетически расположены в общей системе роды и виды, тем полнее сходство в рядах их изменчивости. 2. Целые семейства растений в общем характеризуются определенным циклом изменчивости, проходящей через все роды и виды, составляющие семейство. Согласно этому закону, у генетически близких видов и родов существуют близкие гены, которые дают сходные серии множественных аллелей и вариантов признака.
Теоретическое и практическое значение закона гомологических рядов: - Н.И. Вавилов четко разграничил внутривидовую и межвидовую изменчивость. При этом вид рассматривался как целостная, исторически сложившаяся система. - Н.И. Вавилов показал, что внутривидовая изменчивость небезгранична и подчиняется определенным закономерностям. - Закон гомологических рядов является руководством для селекционеров, позволяя предсказать возможные варианты признаков. Н. И. Вавилов впервые осуществил целенаправленный поиск редких или мутантных аллелей в природных популяциях и популяциях культурных растений. В наше время продолжается поиск мутантных аллелей для повышения продуктивности штаммов, сортов и пород.
Индуцированный мутагенез Эффективными способами получения исходного материала являются методы индуцированного мутагенеза – искусственного получения мутаций. Индуцированный мутагенез позволяет получить новые аллели, которые в природе обнаружить не удается. Например, этим путем получены высокопродуктивные штаммы микроорганизмов (продуцентов антибиотиков), карликовые сорта растений с повышенной скороспелостью и т.д. Экспериментально полученные мутации у растений и микроорганизмов используют как материал для искусственного отбора. Для получения индуцированных мутаций у растений используют физические мутагены (гамма-излучение, рентгеновское и ультрафиолетовое излучение) и специально созданные химические супер мутагены (например, N-метил-N-нитрозомочевина). Дозу мутагенов подбирают таким образом, чтобы погибало не более 30…50% обработанных объектов. Например, при использовании ионизирующего излучения такая критическая доза составляет от 1…3 до 10…15 и даже 50…100 кило рентген. При использовании химических мутагенов применяют их водные растворы с концентрацией 0,01…0,2%; время обработки – от 6 до 24 часов и более.
Обработке подвергают пыльцу, семена, проростки, почки, черенки, луковицы, клубни и другие части растений. Растения, выращенные из обработанных семян (почек, черенков и т.д.) обозначаются символом M1 (первое мутантное поколение). В M1 отбор вести трудно, поскольку большая часть мутаций рецессивная и не проявляется в фенотипе. Поэтому получают частично мутантные растения (химерные организмы). В этом случае говорят о соматических (точковых) мутациях. Многие сорта плодовых растений, винограда, картофеля являются соматическими мутантами. Эти сорта сохраняют свои свойства, если их воспроизводят вегетативным путем, например, прививая обработанные мутагенами почки (черенки) в крону немутантных растений; таким путем размножают, например, бессемянные апельсины.
Полиплоидия Полиплоидия-(от греческого polyploos - многократный и eidos - вид), наследственное изменение, заключающееся в кратном увеличении числа наборов хромосом в клетках организма. Распространена у растений (большинство культурных растений - полиплоиды), среди раздельнополых животных встречается редко. Может быть вызвана искусственно (например, алкалоидом колхицином). На основе полиплоидии созданы высокоурожайные сорта сельскохозяйственных растений (например, сахарной свеклы). (от греческого polyploos - многократный и eidos - вид), наследственное изменение, заключающееся в кратном увеличении числа наборов хромосом в клетках организма. Распространена у растений (большинство культурных растений - полиплоиды), среди раздельнополых животных встречается редко. Может быть вызвана искусственно (например, алкалоидом колхицином). На основе полиплоидии созданы высокоурожайные сорта сельскохозяйственных растений (например, сахарной свеклы). Полиплоидия в селекции используется для достижения следующих целей: - получение высокопродуктивных форм, которые могут непосредственно внедряться в производство или использоваться как материал для дальнейшей селекции; - восстановление плодовитости у межвидовых гибридов; - перевод гаплоидных форм на диплоидный уровень.
Гибридизация Это скрещивание разнородных в наследственном отношении растений, обычно одного и того же рода, реже разных. Гибридизация может быть естественной или осуществляемой с помощью человека. Под гибридизацией понимают ряд процессов: гибридизация при оплодотворении, при конъюгации, при копуляции. В эволюционизме выделяют интерградацию (близкородственное скрещивание, внутривидовое скрещивание) и интрогрессию (межвидовую гибридизацию). В природе часто межвидовые скрещивания наблюдаются у растений. Скрещиваются ивы, клевер, дубы, сосны. Спонтанные гибриды животных более редкие (кидас, тумак). Частота межвидовых гибридов у животных один гибрид на тысячу особей. Особенно редки гибриды у птиц, млекопитающих, двукрылых насекомых. Межвидовое скрещивание более широко распространено в тех группах организмов, у которых оплодотворение происходит во внешней среде (рыбы).
Гетерозис Гетерозис В ходе гибридизации часто проявляется гетерозис – гибридная сила, особенно в первом поколении гибридов. Механизмы гетерозиса до сих пор недостаточно изучены. Наиболее популярны две теории гетерозиса: теория доминирования и теория сверхдоминирования. Теория доминирования исходит из представлений о том, что при скрещивании гомозигот у гибридов первого поколения неблагоприятные рецессивные аллели переводятся в гетерозиготное состояние: AAbb × aaBB AaBb; тогда AaBb > AAbb, AaBb > aaBB. Теория сверхдоминирования предполагает повышенную конститутивную (общую) приспособленность гетерозигот по сравнению с любой из гомозигот: Aa > AA и Aa > aa.
Явление гетерозиса. Явление гетерозиса. При скрещивании разных пород животных или сортов растений в первом поколении гибридов повышается жизнеспособность и наблюдается мощное развитие. Это явление называется гибридной силой или гетерозисом. Объясняется переходом многих генов в гетерозиготное состояние и взаимодействием благоприятных доминантных генов. Эффективность отбора Отбор тем эффективнее, чем разнообразнее исходный материал. Скрещивание в сочетании с отбором - наиболее эффективный путь селекционной работы. Для изменения свойств линии осуществляют гибридизацию, которая ведет к появлению комбинативной изменчивости (полиплоидия).
Искусственный отбор Искусственный отбор - выбор наиболее ценных в хозяйственном отношении животных и растений какой- либо породы или сорта и использование их для дальнейшего разведения. Это основной фактор, обусловивший возникновение и дальнейшую эволюцию культурных растений и домашних животных. Различают И. О. бессознательный и методический. Уже первобытные скотоводы и земледельцы стремились сохранить наиболее ценные экземпляры животных и растений и получить от них потомство. Сохранение из поколения в поколение лучших животных обеспечивало воспроизводство стада, высев лучших семян надёжнее обеспечивал урожай. Отбором автоматически подхватывались и распространялись в породе или сорте все мутации, которые усиливали хозяйственно-важные свойства организмов или ослабляли вредные (с точки зрения человека) признаки. В то же время носители вредных для породы или сорта уклонений неизбежно устранялись в процессе элиминации (уничтожения) менее ценных особей. Творческая роль искусственного отбора. В ходе искусственного отбора ослабляются нежелательные признаки и многократно усиливаются хозяйственно полезные признаки. Творческая роль искусственного отбора заключается в том, что создаются формы, которых ранее не существовало. Кукуруза прошла пять долгих тысячелетий искусственного отбора
Учение об иммунитете растений Вавилов является основателем учения об иммунитете растений, положившего начало изучению его генетической природы. Он считал, что устойчивость против паразитов выработалась в процессе эволюции растений в центрах их происхождения на фоне длительного (в течение тысячелетий) естественного заражения возбудителями болезней. Согласно Вавилову, если в результате эволюции растения приобретали гены устойчивости к патогенам возбудителям болезней, то последние приобретали способность поражать устойчивые сорта благодаря появлению новых физиологических рас. Так, каждый сорт пшеницы может быть восприимчивым к одним расам и иммунным к другим. Новые расы фитопатогенных микроорганизмов возникают в результате гибридизации, мутаций или гетерокариозиса (разноядерности) и других процессов.иммунитетепаразитовэволюциигеныпатогенам фитопатогенных микроорганизмов гибридизациимутацийгетерокариозиса Вавилов подразделял иммунитет растений на структурный (механический) и химический. Механический иммунитет растений обусловлен морфологическими особенностями растения-хозяина, в частности, наличием защитных приспособлений, которые препятствуют проникновению патогенов в тело растений. Химический иммунитет зависит от химических особенностей растений
Задача: Кукуруза опыляется перекрестно. Как и для чего получают исходные чистые линии?
Задача: Гомозиготные линии выводят для закрепления желательных признаков. Происходит резкое снижение урожайности. Затем перекрестное опыление между самоопыляющимися линиями, получаются высокоурожайные гибриды.
Задача: Какие Мичурин применял различные факторы в целях управления доминированием признаков у гибридов? Что при этом изменяется у гибридов: фенотип или генотип? Можно ли путем воспитания превратить доминантный ген в рецессивный и наоборот?
Задача: Какие Мичурин применял различные факторы в целях управления доминированием признаков у гибридов? Что при этом изменяется у гибридов: фенотип или генотип? Можно ли путем воспитания превратить доминантный ген в рецессивный и наоборот? В основе работ Мичурина лежит сочетание трех основных методов: гибридизации, отбора и воздействия среды на развивающийся гибрид. Метод ментора - признаки развивающегося гибрида изменяются под влиянием привоя или подвоя. Метод способствует фенотипическому проявлению (доминированию) генов, полученных от другого сорта, не меняя при этом генотипа гибрида. Путем воспитания возможно превратить рецессивный ген в доминантный и наоборот.
Задача: Что такое племенная книга и какое значение она имеет в животноводстве?
Задача: Племенная книга – это книга, в которой подробно учитываются экстерьерные особенности и продуктивность родительских форм в течение ряда поколений. Такие книги служат селекционерам для подбора производителей при скрещивании в животноводстве. По признакам предков можно судить с известной вероятностью о генотипе производителей.
Задача: Для фермы приобретены два быка, у которых ген жирности молока точно неизвестен. Как следует поступить, пользуясь методом гибридизации, чтобы решить, которого из быков эффективнее использовать в качестве производителя?
Задача: Нужно скрестить этих двух быков с коровами, имеющими наиболее схожие генотипы и фенотипы и проследить за жирностью получаемого молока у телят.