Содержание

Введение. 4

1. Теоретические основы селекции. 5

2. Значение селекции. 7

3. Селекция растений, методы.. 8

4. Селекция животных, методы.. 14

5. Селекция микроорганизмов, методы.. 17

6. Биотехнология, генетическая и клеточная инженерия. 20

Заключение. 25

Список литературы.. 26

Приложение 1. 27

Приложение 2. 28

Приложение 3. 29

Приложение 4. 30

Введение

         Селекция (от лат. — выбор, отбор) — это наука о путях и методах создания новых и улучшения уже существующих сор­тов культурных растений, пород домашних животных и штам­мов микроорганизмов с ценными для практики признаками и свойствами.

         Задачи селекции вытекают из ее определения — это выве­дение новых и совершенствование уже существующих сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов.

         Сортом, породой и штаммом называют устойчивую группу (популяцию) живых организмов, искусственно созданную человеком и имеющую определенные наследственные особенности. Все особи внутри породы, сорта и штамма имеют сходные, наследственно закрепленные морфологические, физиолого-биохимические и хозяйственные признаки и свойства, а также однотипную реакцию на факторы внешней среды. Основными направлениями селекции являются:

1.     высокая урожайность сортов растений, плодовитость и продуктивность пород животных;

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 путь развития (у растений — отзывчивость на удобрения, полив, а у животных — «оплата» корма и т. п.).

         Цель данной работы – изучить селекцию и ее виды.

         Задачи:

-       рассмотреть теоретические основы селекции;

-       изучить вопросы селекцию растений, животных и микроорганизмов.

1. Теоретические основы селекции

         В последние годы особое значение приобретает селекция ряда насекомых и микроорганизмов, используемых с целью биологической борьбы с вредителями и возбудителями болез­ней культурных растений.

         Селекция должна учитывать также и потребности рынка сбыта сельскохозяйственной продукции, удовлетворения кон­кретных отраслей промышленного производства. Например, для выпечки высококачественного хлеба с эластичным мяки­шем и хрустящей корочкой необходимы сильные (стекловид­ные) сорта мягкой пшеницы, с большим содержанием белка и упругой клейковины. Для изготовления высших сортов пе­ченья нужны хорошие мучнистые сорта мягкой пшеницы, а макаронные изделия, рожки, вермишель, лапша, вырабаты­ваются из твердой пшеницы.

         Ярким примером селекции с учетом потребностей рынка служит пушное звероводство. При выращивании таких цен­ных зверьков, как норка, выдра, лиса, отбираются животные с генотипом, соответствующим постоянно меняющейся моде в отношении окраски и оттенков меха.

         В целом развитие селекции должно быть основано на за­конах генетики как науки о наследственности и изменчиво­сти, поскольку свойства живых организмов определяются их генотипом и подвержены наследственной и модификационной изменчивости.

         Теоретической основой селекции является генетика. Именно генетика прокладывает пути эффективного управления на­следственностью и изменчивостью организмов. Вместе с тем селекция опирается и на достижения других наук: система­тики и географии растений и животных, цитологии, эмбрио­логии, биологии индивидуального развития, молекулярной биологии, физиологии и биохимии. Бурное развитие этих на­правлений естествознания открывает совершенно новые пер­спективы. Уже на сегодняшний день генетика вышла на уровень целенаправленного конструирования организмов с нуж­ными признаками и свойствами.

         Генетике принадлежит определяющая роль в решении прак­тически всех селекционных задач. Она помогает рациональ­но, на основе законов наследственности и изменчивости, планировать селекционный процесс с учетом особенностей на­следования каждого конкретного признака. Достижения генетики, закон гомологических рядов наследственной изменчивости, применение тестов для ранней диагностики селек­ционной перспективности исходного материала, разработка разнообразных методов экспериментального мутагенеза и от­даленной гибридизации в сочетании с полиплоидизацией, поиск методов управления процессами рекомбинации и эф­фективного отбора наиболее ценных генотипов с нужным ком­плексом признаков и свойств дали возможность расширить источники исходного материала для селекции. Кроме того, широкое использование в последние годы методов биотехнологии, культуры клеток и тканей позволили значительно ускорить селекционный процесс и поставить его на качественно новую основу. Этот далеко не полный перечень вклада генети­ки в селекцию дает представление о том, что современная се­лекция немыслима без использования достижений генетики.

         Успех работы селекционера в значительной мере зависит от правильности выбора исходного материала (видов, сортов, пород) для селекции, изучения его происхождения и эволюции, использования в селекционном процессе организмов с ценными признаками и свойствами. Поиск нужных форм ведется с учетом всего мирового генофонда в определенной последовательности. Прежде всего, используются местные формы с нужными признаками и свойствами, затем применяются методы интродукции и акклиматизации, т. е. привлекаются формы, произрастающие в других странах или в других климатических зонах и, наконец, методы экспериментального мутагенеза и генетической инженерии[1].

         С целью изу­чения многообразия и географического распространения культурных растений Н. И. Вавилов с 1924 г. и до конца 30-х гг. организовал 180 экспедиций по самым труднодоступным и зачастую опасным районам земного шара. В результате этих экспедиций Н. И. Вавилов изучил мировые растительные ре­сурсы и установил, что наибольшее разнообразие форм вида сосредоточено в тех районах, где этот вид возник. Кроме того, была собрана уникальная, самая крупная в мире коллекция культурных растений (к 1940 г. коллекция включала 300 тыс. образцов), которые ежегодно размножаются в кол лекциях Всероссийского института растениеводства имени Н. И. Вавилова (ВИР) и широко используются селекционе­рами как исходный материал для создания новых сортов зер­новых, плодовых, овощных, технических, лекарственных и других культур.

         На основании изучения собранного материала Вавилов выделил 7 центров происхождения культурных растений (Приложение 1). Центры происхождения важнейших культурных растений связаны с древними очагами цивилизации и местом первичного возделывания и селекции растений. Подобные очаги одомашнивания (центры происхождения) выявлены и у домашних животных.

 

2. Значение селекции

         Цели и задачи селекции как науки обуслов­лены уровнем агротехники и зоотехники, уровнем индустри­ализации растениеводства и животноводства. Например, в условиях дефицита пресной воды уже выведены сорта ячменя, которые дают удовлетворительные урожаи при орошении морской водой. Выведены породы кур, не снижающие про­дуктивности в условиях большой скученности животных на птицефабриках. Для России очень важно созда­ние сортов, продуктивных в условиях мороза без снега при ясной погоде, поздних заморозков и т. д.

         Одним из важней­ших достижений человека на заре его становления и разви­тия было создание постоянного и достаточно надежного ис­точника продуктов питания путем одомашнивания диких животных и возделывания растений. Главным фактором одо­машнивания служит искусственный отбор организмов, отве­чающих требованиям человека. У культурных форм растений и животных сильно развиты отдельные признаки, часто бесполезные или даже вредные для их существования в естественных условиях, но полезные для человека. Например, способность некоторых пород кур давать более 300 яиц в год лишена биологического смысла, поскольку такое количество яиц курица не сможет высиживать. Продуктивность всех культурных растения также значительно выше, чем у родственных диких видов, но вместе с тем они хуже адаптируются к постоянно меняющимся условиям среды и не имеют средств защиты от поедания (горьких или ядовитых веществ, шипов, ко­лючек и т. п.). Поэтому в естественных условиях культурные, т. е. одомашненные формы существовать не могут.

         Одомашнивание привело к ослаблению действия стабилизирующего отбора, что резко повысило уровень изменчивости: и расширяло его спектр. При этом одомашнивание сопровож­далось отбором, вначале бессознательным (отбор тех особей, которые лучше выглядели, имели более смирный нрав, обладали другими ценными для человека качествами), затем осоз­нанным, или методическим. Широкое использование методи­ческого отбора направлено на формирование у растений и жи­вотных определенных качеств, удовлетворяющих человека. Опыт многих поколений людей позволил создать методы и пра­вила отбора и сформировать селекцию как науку.

         Процесс одомашнивания новых видов растений и животных для удовлетворения потребностей человека продолжает­ся и в наше время. Например, для получения модной и высо­кокачественной пушнины в нынешнем столетии создана но­вая отрасль животноводства — пушное звероводство.

 

3. Селекция растений, методы

         В отличие от селекции микроор­ганизмов селекция растений не оперирует миллионами и миллиардами особей и скорость их размножения измеряет­ся не минутами и часами, а месяцами и годами. Однако по сравнению с селекцией животных, где число потомков единично, селекция растений находится в более выгодном положении. Кроме того, различаются и методические под­ходы к селекции само- и перекрестноопыляющихся рас­тений, размножающихся вегетативным и половым путем, одно- и многолетних растений и т. д.

         Основными методами селекции растений являются от­бор и гибридизация. Для отбора необходимо наличие гетерогенности, т. е. различий, разнообразия в используе­мой группе особей. В противном случае отбор не имеет смысла, он будет неэффективен, Поэтому сначала осу­ществляется гибридизация, а затем после появления рас­щепления — отбор.

         В случае, если селекционеру не хватает естественно­го разнообразия признаков, существующего генофонда, он использует искусственный мутагенез (получает генные, хромосомные или геномные мутации — полиплоиды), для манипуляций с отдельными генами — генетическую инже­нерию, а для ускорения селекционного процесса — клеточную. Однако классическими методами селекции были и остаются гибридизация и отбор.

         Различают две основные формы искусственного отбо­ра: массовый и индивидуальный.

         Массовый отбор — это выделение целой группы особей, обладающих ценными признаками. Чаще он используется при работе с перекрестноопыляемыми растениями. В этом случае сорт не является гомозиготным. Это сорт-популя­ция, обладающий сложной гетерозиготностью по многим генам, что обеспечивает ему пластичность в сложных условиях среды и возможность проявления гетерозисного эффекта. Основным достоинством метода является то, что он позволяет сравнительно быстро и без больших затрат сил улучшать местные сорта, а недостатком — то, что не может контролироваться наследственная обусловленность отбираемых признаков, в силу чего часто неустойчивы результаты отбора.

         Скрещивание, при ко­тором родительские формы отличаются только по одной паре альтернативных признаков, называется моногибридным. Мендель до скрещивания разных форм гороха прово­дил их самоопыление. При скрещивании белоцветковых горохов с такими же белоцветковыми он получал во всех последующих поколениях только белоцветковые. Анало­гичная ситуация наблюдалась и в случае пурпурноцветковых. При скрещивании же Горохов, имеющих пурпур­ные цветки, с белоцветковыми растениями все гибриды первого поколения Р₁ имели пурпурные цветки, но при их самоопылении среди гибридов второго поко­ления Р₂ кроме пурпурноцветковых растений (три части) появлялись и белоцветковые (одна часть) (Приложение 2).

         Скрещивание, при котором родительские формы отличаются по двум парам альтернативных признаков (по двум парам аллелей), называется дигибридным.

         Проводя   скрещивание   гомозиготных   родительских форм, имеющих желтые семена с гладкой поверхностью и зеленые семена с морщинистой, Мендель получил все растения с желтыми гладкими семенами и сделал вывод, что эти признаки являются доминантными.  Во втором поколении после самоопыления гибридов Р₁ он наблюдал следующее расщепление: 315 желтых гладких, 101 желтых морщинистых,  108 зеленых гладких и 32 зеленых морщинистых. Используя другие гомозиготные родительские формы (желтые морщинистые и зеленые гладкие), Мендель получил аналогичные результаты и в первом, и во втором поколениях гибридов, т. е. расщепление во втором поколении в отношении 9: 3 : 3 : 1 (Приложение 3).

         При индивидуальном отборе получают потомство от каждого растения отдельно при обязательном контроле наследования интересующих признаков. Он применяется у самоопылителей (пшеница, ячмень). Результатом инди­видуального отбора является увеличение числа гомозигот. Это связано с тем, что при самоопылении гомозигот будут образовываться только гомозиготы, а половина потомков самоопыленных гетерозигот также будут гомозиготами. При индивидуальном отборе формируются чистые линии. Чистые линии — это группа особей, являющаяся потом­ками одной гомозиготной самоопыленной особи. Они обла­дают максимальной степенью гомозиготности. Однако абсолютно гомозиготных особей практически не бывает, так как непрерывно происходит мутационный процесс, нарушающий гомозиготность. Кроме того, даже самые строгие самоопылители иногда могут переопыляться пере­крестно. Это повышает их приспособленность к условиям и выживаемость, поскольку народу с искусственным от­бором на все органические формы действует и естест­венный.

         Естественный отбор играет важную роль в селекции, так как при проведении искусственного отбора селекцио­нер не может избежать того, чтобы селекционный мате­риал не подвергался воздействию условий внешней среды. Более того, селекционерами часто привлекается и естест­венный отбор для отбора форм, наиболее приспособлен­ных к условиям произрастания — влажности, температу­ры, устойчивости к естественным вредителям и болезням[2].

         Так как одним из методов селекции является гибри­дизация, то большую роль играет выбор типа скрещива­ний, т. е. система скрещиваний.

         Системы скрещивания могут быть разделены на два основных типа: близкородственное (инбридинг — разве­дение в себе) и скрещивание между неродственными формами (аутбридинг — неродственное разведение). Если принудительное самоопыление приводит к гомозиготизации, то неродственные скрещивания — к гетерозиготизации потомков от этих скрещиваний.

         Инбридинг, т.е. принудительное самоопыление перекрестноопыляющихся форм, кроме прогрессирующей с каждым поколением степени гомозиготности, приводит и к распадению, разложению исходной формы на ряд чистых линий. Такие чистые линии будут обладать пони­женной жизнеспособностью, что, по-видимому, связано с переходом из генетического груза в гомозиготное состоя­ние всех рецессивных мутаций, которые в. основном явля­ются вредными.

         Чистые линии, полученные в результате инбридинга, имеют различные свойства. У них различные признаки проявляются по-разному. Кроме того, различна и степень снижения жизнеспособности. Если эти чистые линии скре­щивать между собой, то, как правило, наблюдается эффект гетерозиса.

         Гетерозис — явление повышенной жизнеспособности, урожайности, плодовитости гибридов первого поколения, превышающих по этим параметрам обоих родителей. Уже со второго поколения гетерозисный эффект угасает. Гене­тические основы гетерозиса не имеют однозначного толко­вания, но предполагается, что гетерозис связан с высоким уровнем гетерозиготности у гибридов чистых линий (меж­линейные гибриды). Производство чистолинейного мате­риала кукурузы с использованием так называемой цитоплазматической мужской стерильности было широко из­учено и поставлено на промышленную основу в США. Ее использование исключало необходимость кастрировать цветки, удалять пыльники, так как мужские цветки расте­ний, используемые в качестве женских, были стерильны.

         Разные чистые линии обладают разной комбинацион­ной способностью, т. е. дают неодинаковый уровень гетеро­зиса при скрещиваниях друг с другом. Поэтому, создав большое количество чистых линий, экспериментально опре­деляют наилучшие комбинации скрещиваний, которые затем используются в производстве.

         Отдаленная гибридизация — это скрещивание расте­ний, относящихся к различным видам. Отдаленные гибри­ды, как правило, стерильны, что связано с содержанием в геноме различных хромосом, которые в мейозе не конъюгируют. В результате этого формируются стерильные га­меты. Для устранения данной причины в 1924 г. советским ученым Г. Д. Карпеченко было предложено использовать удвоение числа хромосом у отдаленных гибридов, которое приводит к образованию амфидиплоидов.

         Таким методом кроме тритикале были получены многие ценные отдаленные гибриды, в частности многолетние пшенично-пырейные гибриды и др. У таких гибридов в клетках содержится полный диплоидный набор хромосом одного и другого родителя, поэтому хромосомы каждого родителя конъюгируют друг с другом и мейоз проходит нормально. Путем скрещивания с последующим удвоением числа хромосом терна и алычи удалось повторить эволю­цию — произвести ресинтез вида сливы домашней.

         Подобная гибридизация позволяет полностью со­вместить в одном виде не только хромосомы, но и свойства исходных видов. Например, тритикале сочетает многие качества пшеницы (высокие хлебопекарные качества) и ржи (высокое содержание незаменимой аминокислоты ли­зина, а также способность расти на бедных песчаных почвах).

         Это один из примеров использования в селекции полиплоидии, точнее аллоплоидии. Еще более широко исполь­зуется автополиплоидия. Например, в Беларуси возде­лывается тетраплоидная рожь, выведены сорта полиплоидных овощных культур, гречихи, сахарной свеклы. Все эти формы обладают более высокой урожайностью по сравне­нию с исходными формами, сахаристостью (свекла), со­держанием витаминов и других питательных веществ. Многие культуры представляют собой естественные полиплоиды (пшеница, картофель и др.).

         Выведение новых высокопродуктивных сортов расте­ний играет важнейшую роль в повышении урожайности и обеспечении населения продовольствием. Во многих странах мира идет «зеленая революция» — резкая интен­сификация сельскохозяйственного производства за счет выведения новых сортов растений интенсивного типа. В на­шей стране также получены ценные сорта многих сельско­хозяйственных культур.

         При использовании новых методов селекции получены новые сорта растений. Так, академиком Н. В. Цициным путем отдаленной гибридизации пшеницы с пыреем и последующей полиплоидизации выведены многолетние пше­ницы. Такими же методами получены перспективные сор­та новой зерновой культуры тритикале. Для селекции ве­гетативно размножаемых растений используются сомати­ческие мутации (они использовались и И.В. Мичури­ным, но он называл их почковыми вариациями). Широкое применение получили многие методы И. В. Мичурина после их генетического осмысления, хотя некоторые из них теоре­тически так и не разработаны. Большие успехи достигнуты в использовании результатов мутационной селекции в вы­ведении новых сортов зерновых, хлопчатника и кормовых культур. Однако наибольший вклад во все возделываемые сорта внесли образцы коллекции мирового генофонда культурных растений, собранные Н. И. Вавиловым и его учениками.

4. Селекция животных, методы

         Хотя основные принципы селек­ции животных существенно не отличаются от принципов селекции растений, все-таки они имеют ряд характерных особенностей. Так, у животных существует только половое размножение, смена поколений происходит редко (через несколько лет), количество особей в потомстве невелико. У них особенно сильно выражено модифицирующее влияние факторов внешней среды и затруднен анализ генотипа. Поэтому большую роль приобретает анализ совокупности внешних признаков, характерных для породы.

         Одомашнивание животных началось, вероятно, 10— 12 тыс. лет назад. Оно происходило в основном в тех же районах, где расположены и центры многообразия и происхождения культурных растений. Одомашнивание привело к ослаблению действия стабилизирующего отбора, что резко повысило уровень изменчивости и расширило ее спектр. Поэтому одомашнивание сразу же сопровожда­лось и отбором. По-видимому, сначала это был бессозна­тельный отбор, т. е. отбор тех особей, которые лучше выглядели, имели более смирный нрав и т. д. Однако постепенно начал использоваться отбор методический, осознанный и направленный на формирование у животных определенных качеств, удовлетворяющих те или иные потребности человека в данных конкретных природных и экономических условиях. Опыт многих поколений позволил создать методы и правила племенного отбора и подбора и сформировать селекцию животных как науку.

         Типы скрещивания и методы разведения внедрялись в  селекцию   животных  часто  путем  экстраполяции  из селекции растений. Это было связано с тем, что внедрение генетических знаний в селекцию растений началось го­раздо раньше, чем в селекцию животных из-за дорого­визны животных объектов, меньшего количества их в семье и т. д. Такая экстраполяция, проводившаяся без учета специфики объекта, часто давала отрицательные результаты. Так, в частности, метод инбридинга был внедрен из селекции растений-самоопылителей в селекцию животных как основной метод, хотя позже была установ­лена необоснованность его широкого использования, так как породы животных скорее соответствуют сортам-попу­ляциям перекрестноопылителей. Породы являются слож­ными полигетерозиготными комплексами, генотипы внутри которых приведены в определенную систему. Поэтому основной тип скрещиваний — аутбридинг, хотя в селекции используется и инбридинг — родственное скрещивание между братьями и сестрами или между родителями и по­томством. Так как инбридинг ведет к гомозиготности, то он ослабляет животных, снижает их устойчивость к условиям среды, повышает заболеваемость. Тем не менее, при выве­дении новых пород зачастую возникает необходимость в инбридинге с целью закрепления в породе характерных хозяйственно ценных признаков, предотвращения их «растворения», сглаживания в неродственных скрещива­ниях. Иногда его практикуют даже в течение нескольких поколений с целью получения в чистом виде какого-то важного признака, а затем обязательно используют аут­бридинг и выводят гетерозисное потомство. Неродствен­ное скрещивание в пределах породы и даже между поро­дами ведет к поддержанию и усилению ценных ка­честв породы, если такое скрещивание сопровождается отбором характерных признаков (Приложение 4).

         Хорошим примером меж­породного скрещивания может служить выведенная акаде­миком М. Ф. Ивановым высокопродуктивная порода сви­ней белая степная украинская от скрещивания местных беспородных украинских свиней с высокопродуктивными белыми английскими (на первом этапе). Затем применя­лось повторное межпородное скрещивание, несколько по­колений инбридинга, давшего начало нескольким отобран­ным чистым линиям, которые были скрещены между собой. Таким образом, уделяя должное внимание подбору исход­ных производителей, их качеству, комбинируя аутбридинг, инбридинг и используя жесткий отбор потомства по необ­ходимым признакам, селекционер реализует свою идею, свои планы, свое представление о породе.

         Основными методами анализа наследственных хозяйст­венно ценных признаков у животных производителей яв­ляются анализ экстерьера и оценка по потомству. Для вы­ведения новой породы животных, обладающей комплек­сом ценных признаков в соответствии с планом селекцио­нера и требованиями производства, большое значение имеют правильный подбор и оценка качества исходных производителей. Оценку производят в первую очередь по экстерьеру, т. е. фенотипу. Под экстерьером понимают всю совокупность наружных форм и признаков животных, включая их телосложение, соотношение частей тела жи­вотного и даже масти и наличия для каждой породы своей экстерьерной «метки». При этом для опытного селекцио­нера несущественные признаки интереса не представляют, им выбираются главные. Но в то же время, исследовав коррелятивные связи между признаками, можно по чисто внешним несущественным фенотипическим проявлениям проследить за наследованием трудно контролируемых, связанных с ними хозяйственно ценных признаков.

         Так как подбор производителей в некотором смысле является решающим фактором, то во избежание ошибок селекционерами часто используется как бы «пристрелоч­ный» предварительный эксперимент, суть которого состоит в оценке производителей по потомству, что особенно важно при оценке признаков, не проявляющихся у самцов. Для оценки проводится скрещивание производителей-самцов с несколькими самками, определяются продуктив­ность и другие качества потомства. Чтобы оценить ка­чество наследственности, например быков-производителей по жирномолочности, петухов по яйценоскости и т. д., признаки полученного потомства сравниваются со средне-породными и материнскими признаками.

         Отдаленная гибридизация домашних животных менее продуктивна, чем у растений, так как преодолеть стериль­ность отдаленных гибридов невозможно, если она прояв­ляется. Правда, в некоторых случаях отдаленная гибриди­зация видов с родственными хромосомными наборами не приводит к нарушению мейоза, а ведет к нормальному слиянию гамет и развитию зародыша у отдаленных гибридов, что позволило получить некоторые ценные поро­ды, сочетающие полезные признаки обоих использованных в гибридизации видов. Например, получены породы тонко­рунных архаромериносов, которые, как и архары, могут использовать высокогорные пастбища, недоступные для тонкорунных мериносов. Успешно завершились попытки улучшить породы местного крупного рогатого скота скре­щиванием его с зебу и яками.

         Следует отметить, что не всегда необходимо добиваться плодовитого потомства от отдаленной гибридизации. Иногда полезны и стерильные гибриды, как, например, веками использующиеся мулы — стерильные гибриды лошади и осла, отличающиеся выносливостью и долго­вечностью[3].

5. Селекция микроорганизмов, методы

         К микроорганизмам относятся, прежде всего, прокариоты (бактерии, актиномицеты, микоплазмы и др.) и одноклеточные эукариоты — простейшие, дрожжи и др. Из более 100 тыс. видов, известных в природе микроорганизмов, в хо­зяйственной деятельности человека используется уже не­сколько сотен, и число это растет. Качественный скачок в их использовании произошел в последние 20-30 лет, когда были установлены многие генетические механизмы регуля­ции биохимических процессов, происходящих в клетках микроорганизмов.

         Микроорганизмы играют исключительно важную роль в биосфере и в жизни человека. Многие из них про­дуцируют десятки видов органических веществ — аминокислот, белков, антибиотиков, витаминов, липидов, нуклеиновых кислот, ферментов, пигментов, Сахаров и т. п., широко исполь­зуемых в разных областях промышленности и медицины. Та­кие отрасли пищевой промышленности, как хлебопечение, производство спирта, некоторых органических кислот, вино­делие и многие другие, основаны на деятельности микроор­ганизмов.

         Микробиологическая промышленность предъявляет к про­дуцентам различных соединений жесткие требования, кото­рые важны для технологии производства: ускоренный рост, использование для жизнедеятельности дешевых субстратов и устойчивость к заражению микроорганизмами. Научная ос­нова этой промышленности — умение создавать микроорга­низмы с новыми, заранее определенными генетическими свойствами и умение использовать их в промышленных мас­штабах.

         Селекция микроорганизмов (в отличие от селекции расте­ний и животных) имеет ряд особенностей:

-       у селекционера имеется неограниченное количество ма­териала для работы — за считанные дни в чашках Петри или пробирках на питательных средах можно вырастить милли­арды клеток;

-       более эффективное использование мутационного про­цесса, поскольку геном микроорганизмов гаплоидный, что позволяет выявить любые мутации уже в первом поколении;

-       организация генома бактерий более проста: меньше ге­нов в геноме, менее сложна и генетическая регуляция взаи­модействия генов.

         Эти особенности накладывают свой отпечаток на методы селекции микроорганизмов, которые во многом существенно отличаются от методов селекции растений и животных. На­пример, в селекции микроорганизмов обычно используются их естественные способности синтезировать какие-либо по­лезные для человека соединения (аминокислоты, витамины, ферменты и др.). В случае использования методов генной ин­женерии можно заставить бактерии и другие микроорганиз­мы продуцировать те соединения, синтез которых в естествен­ных природных условиях им никогда не был присущ (напри­мер, гормоны человека и животных, биологически активные соединения).

         Природные микроорганизмы, как правило, обладают низ­кой продуктивностью тех веществ, которые интересуют се­лекционера. Для использования в микробиологической про­мышленности нужны высокопродуктивные штаммы, которые создают различными методами селекции, в том числе отбо­ром среди природных микроорганизмов.

         Отбору высокопродуктивных штаммов предшествует целе­направленная работа селекционера с генетическим материа­лом исходных микроорганизмов. В частности, широко используют различные способы рекомбинирования генов: конъюга­цию, трансдукцию, трансформацию и другие генетические процессы. Например, конъюгация (обмен генетическим мате­риалом между бактериями) позволила создать штамм, способ­ный утилизировать углеводороды нефти. Часто прибегают к трансдукции (перенос гена из одной бактерии в другую, по­средством бактериофагов), трансформации (перенос ДНК, изолированной из одних клеток, в другие) и амплификации (увеличение числа копий нужного гена).

         Так, у многих микроорганизмов гены биосинтеза антибио­тиков или их регуляторы находятся в плазмиде, а не в основной хромосоме. Поэтому увеличение путем амплификации числа этих плазмид позволяет существенно повысить производства антибиотиков.

         Важнейшим этапом в селекционной работе является индуцирование мутаций. Экспериментальное получение му­таций открывает почти неограниченные перспективы для создания исходного материала в селекции. Вероятность (ча­стота) возникновения мутаций у микроорганизмов (10^-10 — 10^-6) ниже, чем у всех других организмов (10^-6 —10^-4). Но ве­роятность выделения мутаций по данному гену у бактерий значительно выше, чем у растений и животных, поскольку получить многомиллионное потомство у микроорганизмов довольно просто и быстро.

         Для выделения мутаций служат селективные среды, на ко­торых способны расти мутанты, но погибают исходные роди­тельские особи дикого типа. Проводится так же отбор по окраске и форме колоний, скорости роста мутантов и диких форм и т. д.

         Отбор по продуктивности (например, продуцентов анти­биотиков) осуществляется по степени антагонизма и угнете­ния роста чувствительного штамма. Для этого штамм-проду­цент высевается на «газон» чувствительной культуры. По раз­меру пятна, где отсутствует рост чувствительного штамма вокруг колонии штамма-продуцента, судят о степени актив­ности (в данном случае антибиотической). Для размножения, естественно, отбираются наиболее продуктивные колонии. В результате селекции производительность продуцентов уда­ется увеличить в сотни - тысячи раз. Например, комбинируя мутагенез и отбор в работе с грибом Penicillium, выход анти­биотика пенициллина увеличили примерно в 10 тыс. раз по сравнению с исходным диким штаммом.

         Роль микроорганизмов в микробиологической, пищевой промышленности, в сельском хозяйстве и других областях трудно переоценить. Особенно важно отметить то, что мно­гие микроорганизмы для производства ценных продуктов ис­пользуют отходы промышленного производства, нефтепро­дукты и тем самым производят их разрушение, предохраняя от загрязнения окружающую среду[4].

6. Биотехнология, генетическая и клеточная инженерия

         Биотехнология — это сознательное производство необходимых человеку продуктов и материалов с помощью живых организ­мов и биологических процессов.

         С незапамятных времен биотехнология применялась пре­имущественно в пищевой и легкой промышленности: в вино­делии, хлебопечении, сбраживании молочных продуктов, при обработке льна и кож, основанных на применении микроор­ганизмов. В последние десятилетия возможности биотехно­логии необычайно расширились. Это связано с тем, что ее методы выгоднее Обычных по той простой причине, что в живых организмах биохимические реакции, катализируемые ферментами, идут при оптимальных условиях (температуре и давлении), более производительны, экологически чисты и не требуют химических реактивов, отравляющих среду.

         Объектами биотехнологии являются многочисленные пред­ставители групп живых организмов — микроорганизмы (ви­русы, бактерии, простейшие, дрожжевые грибы), растения, животные, а также изолированные из них клетки и субкле­точные компоненты (органеллы) и даже ферменты. Биотех­нология базируется на протекающих в живых системах физиолого-биохимических процессах, в результате которых осу­ществляются выделение энергии, синтез и расщепление продуктов метаболизма, формирование химических и струк­турных компонентов клетки.

         Главным направлением биотехнологии является производство с помощью микроорганизмов и культивируемых эукариотических клеток биологически активных соединений (ферменты, витамины, гормоны), лекарственных препаратов (антибиоти­ки, вакцины, сыворотки, высокоспецифичные антитела и др.), а также ценных соединений (кормовые добавки, например, не­заменимые аминокислоты, кормовые белки и т. д.).  Методы генетической инженерии позволили осуществить синтез в промышленных количествах таких гормонов, как инсулин и соматотропин (гормон роста), которые необходи­мы для лечения генетических болезней человека.

         Одним из важнейших направлений современной биотех­нологии является также использование биологических мето­дов борьбы с загрязнением окружающей среды (биологиче­ская очистка сточных вод, загрязненной почвы и т. п.).

         Так, для извлечения металлов из сточных вод могут широ­ко использоваться штаммы бактерий, способные накапливать уран, медь, кобальт. Другие бактерии родов Rhodococcus и Nocardia с успехом применяют для эмульгирования и сорб­ции углеводородов нефти из водной среды. Они способны разделять водную и нефтяную фазы, концентрировать нефть, очищать сточные воды от примесей нефти. Ассимилируя уг­леводороды нефти, такие микроорганизмы преобразуют их в белки, витамины из группы В и каротины.

         Некоторые из штаммов галобактерий с успехом применя­ют для удаления мазута с песчаных пляжей. Получены также генно-инженерные штаммы, способные расщеплять октан, камфару, нафталин, ксилол, эффективно утилизировать сы­рую нефть.

         Большое значение имеет использование методов биотех­нологии для защиты растений от вредителей и болезней.

         Биотехнология проникает в тяжелую промышленность, где микроорганизмы используются для добычи, превращения и переработки природных ископаемых. Уже в древности пер­вые металлурги получали железо из болотных руд, произво­димых железобактериями, которые способны концентриро­вать железо. Теперь разработаны способы бактериальной кон­центрации ряда других денных металлов: марганца, цинка, меди, хрома и др. Эти методы используются для разработки отвалов старых рудников и бедных месторождений, где тра­диционные методы добычи экономически невыгодны[5].

         Генетическая инженерия — один из важнейших мето­дов биотехнологии. Она предполагает целенаправленное искусственное создание определенных комбинаций генети­ческого материала, способных нормально функциониро­вать в клетке, т. е. размножаться и контролировать син­тез конечных продуктов. Можно выделить несколько разновидностей метода генетической инженерии в зависи­мости от уровня и особенностей его использования.

         Генетическая инженерия используется в основном на прокариотах и микроорганизмах, хотя в последнее время начала применяться и на высших эукариотах (напри­мер, на растениях). Этот метод включает выделение из клеток отдельных генов или синтез генов вне клеток (например, на основе матричной РНК, синтезированной данным геном), направленную перестройку, копирование и размножение выделенных или синтезированных генов (клонирование генов), а также их перенос и включение в подлежащий изменению геном. Таким путем можно добиться включения в клетки бактерий «чужих» генов и синтеза бактериями важных для человека соединений. Благодаря этому в геном кишечной палочки удалось ввести ген синтеза инсулина из генома человека. Инсулин, синтезированный бактериями, используется для лечения больных сахарным диабетом.

         Развитие генетической инженерии стало возможным благодаря открытию двух ферментов — рестриктаз, разре­зающих молекулу ДНК в строго определенных участках, и лигаз, сшивающих кусочки различных молекул ДНК друг с другом. Кроме того, в основе генетической инжене­рии лежит открытие векторов, которые представляют собой короткие, самостоятельно размножающиеся в клет­ках бактерий кольцевые молекулы ДНК. С помощью рестриктаз и лигаз в векторы и встраивают необходимый ген, добиваясь впоследствии его включения в геном клет­ки-хозяина.

         Клеточная инженерия — это метод конструирования клеток нового типа на основе их культивирования, гибри­дизации и реконструкции. Она базируется на использова­нии методов культуры клеток и тканей. Выделяются два направления клеточной инженерии: 1) использование кле­ток, переведенных в культуру, для синтеза различных полезных для человека соединений; 2) применение культи­вируемых клеток для получения из них растений-регенерантов.

         Растительные клетки в культуре — это важный источ­ник ценнейших природных веществ, так как они сохраняют способность синтезировать свойственные им вещества: алкалоиды, эфирные масла, смолы, биологически активные соединения. Так, переведенные в культуру клетки женьше­ня продолжают синтезировать, как и в составе целостного растения, ценное лекарственное сырье. Причем, в культуре с клетками и их геномами можно проводить любые мани­пуляции. Используя индуцированный мутагенез, можно повышать продуктивность штаммов культивируемых клеток и проводить их гибридизацию (в том числе и отда­ленную) гораздо легче и проще, чем на уровне целостно­го организма. Кроме этого, с ними, как и с прокариотическими клетками, можно проводить генно-инженерные работы.

         Путем гибридизации лимфоцитов (клеток, синтези­рующих антитела, но неохотно и недолго растущих в куль­туре) с опухолевыми клетками, обладающими потенциальным бессмертием и способными к неограниченному росту в искусственной среде, решена одна из важнейших задач биотехнологии на современном этапе — получены клетки гибридомы, способные к бесконечному синтезу высоко­специфических антител определенного типа.

         Таким образом, клеточная инженерия позволяет конструировать клетки нового типа с помощью мутацион­ного процесса, гибридизации и, более того, комбинировать отдельные фрагменты разных клеток (ядра, митохондрии, пластиды, цитоплазму, хромосомы и т. д.), клетки раз­личных видов, относящиеся не только к разным родам, семействам, но и царствам. Это облегчает решение многих теоретических проблем и имеет практическое значение.

         Клеточная инженерия широко используется в селекции растений. Выведены гибриды томата и картофеля, яблони и вишни. Регенерированные из таких клеток растения с измененной наследственностью позволяют синтезировать новые формы, сорта, обладающие полезными свойствами и устойчивые к неблагоприятным условиям среды и болез­ням. Этот метод широко используется и для «спасения» ценных сортов, пораженных вирусными болезнями. Из их ростков в культуре выделяют несколько верхушечных клеток, еще не пораженных вирусом, и добиваются регене­рации из них здоровых растений сначала в пробирке, а затем пересаживают в почву и размножают.

Заключение

         Для того чтобы обеспечить себя доброкачественной пищей и сырьем и при этом не привести планету к экологической ка­тастрофе, человечеству необходимо научиться эффективно изменять наследственную природу живых организмов. Поэто­му не случайно главной задачей селекционеров в наше время стало решение проблемы создания новых форм растений, животных и микроорганизмов, хорошо приспособленных к индустриальным способам производства, устойчиво перено­сящих неблагоприятные условия, эффективно использующих солнечную энергию и, что особенно важно, позволяющих по­лучать биологически чистую продукцию без чрезмерного за­грязнения окружающей среды. Принципиально новыми под­ходами к решению этой фундаментальной проблемы являет­ся использование в селекции генной и клеточной инженерии.

         Биотехнология решает не только конкретные задачи на­уки и производства. У нее есть более глобальная методологи­ческая задача — она расширяет и ускоряет масштабы воздей­ствия человека на живую природу и способствует адаптации          живых систем к условиям существования человека, т. е. к ноосфере. Биотехнология, таким образом, выступает в роли мощ­ного фактора антропогенной адаптивной эволюции.

         У биотехнологии, генетической и клеточной инженерии многообещающие перспективы. При появлении все новых и новых векторов человек с их помощью будет внедрять нуж­ные гены в клетки растений, животных и человека. Это по­зволит постепенно избавиться от многих наследственных бо­лезней человека, заставить клетки синтезировать необходи­мые лекарства и биологически активные соединения, а затем — непосредственно белки и незаменимые аминокисло­ты, употребляемые в пищу.

Список литературы

1.     Биология. / Н.П.Соколова, И.И.Андреева и др. – М.: Высшая школа, 1987. – 304с.

2.     Колесников С.И. Экология. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2003. – 384с.

3.     Лемеза Н.А., Камлюк Л.В., Лисов Н.Д.  Биология.– М.: Айрис-пресс, 2005. – 512с.

4.     Петров Б.Ю. Общая биология. – СПб.: Химия, 1999. – 420с

5.     Петров К.М. Взаимодействие общества и при­роды: Учебное пособие для вузов. - СПб: Химия, 1998. – 408с.

Приложение 1

Центры происхождения культурных растений (по Н. И. Вавилову)

Центры происхождения	Местоположение	Культурные растения
Южноазиатский тропический	Тропическая Индия, Индокитай, Южный Китай, о-ва Юго-Восточной Азии	Рис, сахарный тростник, цитрусовые, огурец, бакла­жаны и др. (50 % культурных растений)
Восточноазиатский	Центральный и Восточ­ный Китай, Япония, Ко­рея, Тайвань	Соя, просо, гречиха, плодо­вые и овощные культуры — слива, вишня и др. (20 % культурных растений)
Юго-Западноазиатский	Малая и Средняя Азия, Иран, Афганистан, Юго-Западная Индия	Пшеница, рожь, бобовые культуры, лен, конопля, репа, морковь, виноград, чеснок, груша, абрикос и др. (14 % культурных растений)
Средиземноморский	Страны по берегам Средиземного моря	Капуста, сахарная свекла, маслины, кормовые травы (11 % культурных растений)
Абиссинский	Абиссинское нагорье Аф­рики	Твердая пшеница, ячмень, сорго, кофейное дерево, ба­наны
Центрально­американский	Южная Мексика	Кукуруза, какао, тыква, табак, хлопчатник
Южноамериканский	Западное побережье Юж­ной Америки	Картофель, ананас, кокаиновый куст, хинное дерево

Приложение 2

Схема менделевского скрещивания горохов пурпур­ноцветковых с белоцветковыми

                                   пурпурный цветок               белый цветок

черными   кружками  обозначены  доминантные  аллели;   белыми — рецессивные

Приложение 3

Дигибридное скрещивание горохов, различающихся по форме и окраске семян

Приложение 4

Наследование формы гребня у кур

 

---

[1] Петров Б.Ю. Общая биология. – СПб.: Химия, 1999. – 420с.

[2] Биология. / Н.П.Соколова, И.И.Андреева и др. – М.: Высшая школа, 1987. – 304с.

[3] Петров К.М. Взаимодействие общества и при­роды: Учебное пособие для вузов. - СПб: Химия, 1998. – 408с.

[4] Колесников С.И. Экология. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2003. – 384с.

[5] Лемеза Н.А., Камлюк Л.В., Лисов Н.Д.  Биология.– М.: Айрис-пресс, 2005.