Для чего нужны методы селекции растений
Особенности селекции растений
Особенности селекции растений
Селекция растений
Методы селекции растений. Основными методами селекции растений являются отбор и гибридизация. Однако методом отбора нельзя получить формы с новыми признаками и свойствами; он позволяет только выделить генотипы, уже имеющиеся в популяции. Для обогащения генофонда создаваемого сорта|сорта растений и получения оптимальных комбинаций признаков применяют гибридизацию с последующим отбором.
В селекции различают два основных вида искусственного отбора: массовый и индивидуальный.
Массовый отбор — это выделение группы особей|особей, сходных по одному или комплексу желаемых признаков, без проверки их генотипа. Например, из всей популяции злаков того или иного сорта|сорта для дальнейшего размножения оставляют только те растения, которые отличаются устойчивостью к возбудителям болезней и полеганию, имеют крупный колос с большим|большим числом колосков и т. д. При их повторном посеве снова отбирают растения с нужными качествами. Сорт, полученный таким способом, генетически однороден, и отбор периодически повторяют.
Основным достоинством данного метода|метода является то, что он технически прост, экономичен и позволяет сравнительно быстро улучшать местные сорта|сорта, а его недостаток состоит в невозможности индивидуальной оценки по потомству, в силу чего результаты отбора неустойчивы.
При индивидуальном отборе (по генотипу) получают и оценивают потомство каждого отдельного растения в ряду поколений при обязательном контроле наследования интересующих селекционера признаков. В результате индивидуального отбора увеличивается число гомозигот, т. е. полученное поколение становится генетически однородным. Подобный отбор обычно применяют среди самоопыляемых растений (пшеницы, ячменя и др.) для получения чистых линий. Чистая линия — это группа растений, являющихся потомками одной гомозиготной самоопыляемой особи. Они обладают максимальной степенью гомозиготно-сти и представляют очень ценный исходный материал для селекции.
Отбор в селекции отличается наибольшей эффективностью в том случае, если сочетается с определёнными типами скрещиваний.
Методы гибридизации (типы скрещивания) в селекции. Всё|Все разнообразие типов скрещивания сводится к инбридингу и аут-бридингу. Инбридинг —это близкородственное (внутрисортовое), а аутбридинг — неродственное (межсортовое) скрещивание. При инбридинге, т. е. в случае принудительного самоопыления перекрестноопыляющихся форм, происходит гомозиготизация потомков, а при аутбридинге — их гетерозиготизация.
Родственное скрещивание применяют в тех случаях, когда желают перевести большинство генов сорта|сорта в гомозиготное состояние и, как следствие, закрепить хозяйственно ценные признаки, сохраняющиеся у потомков.
Вместе с тем чистые линии, полученные в результате инбридинга, отличаются не только различными признаками, но и степенью снижения жизнеспособности (часто наблюдается ослабление организмов, их постепенное вырождение), обусловленной переходом в гомозиготное состояние всех рецессивных мутаций, которые преимущественно являются вредными. Если эти чистые линии скрещиваются между собой, то обычно наблюдается эффект гетерозиса.
Гетерозис, или гибридная мощность, — это явление повышенной жизнеспособности и продуктивности гибридов первого поколения по сравнению с обеими родительскими формами. В дальнейших поколениях его эффект ослабляется и исчезает. Предполагается, что гетерозис связан с высоким уровнем гетеро-зиготности межлинейных гибридов.
Кукуруза была первым растением, у которого получение высокопродуктивных гетерозисных гибридов было поставлено на промышленную основу. Валовые|Валовые сборы зерна|зёрна такого гибрида были на 20—30% выше, чем у родительских организмов. Однако нередко сочетание разных признаков у чистых линий оказывается неблагоприятным; поэтому, создав большое количество чистых линий, экспериментально определяют наилучшие комбинации гибридизации, которые затем используются в производстве.
Полиплоидия и отдалённая гибридизация. При создании новых сортов растений селекционеры широко используют метод|метод автополиплоидии, который приводит к увеличению размеров клеток и всего растения вследствие умножения числа|числа наборов хромосом. Кроме того, избыток хромосом повышает их устойчивость к патогенным организмам (вирусам, грибам, бактериям) и ряду|ряду других неблагоприятных факторов, например к радиации: при повреждении одной или даже двух гомологичных хромосом аналогичные остаются неповреждёнными. Полиплоидные особи жизнеспособнее диплоидных.
Ценные результаты даёт также использование в селекции явления аллополиплоидии, в основе которого лежит метод|метод отдалённой гибридизации, т. е. скрещивания организмов, относящихся к разным видам и даже родам|родам. Например, выведены межвидовые полиплоидные гибриды капусты и редьки, ржи и пшеницы. Гибридизация пшеницы (Triticum) и ржи (Secale) позволила получить ряд форм, объединённых общим названием тритикале. Они обладают высокой урожайностью пшеницы и зимостойкостью и неприхотливостью ржи, устойчивостью ко многим болезням, в том числе к линейной ржавчине, являющейся одним из главных факторов, ограничивающих урожайность пшеницы.
На основе гибридизации пшеницы и пырея российским академиком Н. В. Цициным получены пшенично-пырейные гибриды, отличающиеся высокой урожайностью и устойчивостью к полеганию. Однако отдалённые гибриды, как правило, бесплодны. Это связано с содержанием в геноме различных хромосом, которые в мейозе не конъюгируют. Для восстановления плодовитости у межвидовых гибридов в 1924 г. советский генетик Г. Д. Кар-печенко предложил использовать у отдалённых гибридов удвоение числа|числа хромосом, которое приводит к образованию амфиди-плоидов.
Г. Д. Карпеченко проводил скрещивание редьки и капусты. Число хромосом у этих растений одинаково (2л = 18). Соответственно, их гаметы несут по 9 хромосом. Гибрид капусты и редьки имеет 18 хромосом, но он бесплоден, так как хромосомы этих растений в мейозе не конъюгируют, поэтому процесс образования гамет не может протекать нормально. В результате удвоения числа|числа хромосом в бесплодном гибриде оказалось 36 хромосом, слагающихся из двух полных диплоидных наборов редьки и капусты. Это создало нормальные возможности для мейоза: хромосомы капусты и хромосомы редьки конъюгировали между собой. Каждая гамета несла по одному гаплоидному набору редьки и капусты (9 + 9 = 18). В зиготе вновь оказалось 36 хромосом; межвидовой гибрид стал плодовитым. По фенотипу новый растительный организм совмещал признаки редьки и капусты, например в строении стручка.
Лекция № 23. Селекция растений
Селекция
Это наука о создании новых и улучшении существующих пород животных, сортов растений, штаммов микроорганизмов. В основе селекции лежат такие методы, как гибридизация и отбор. Теоретической основой селекции является генетика.
Для успешного решения задач, стоящих перед селекцией, академик Н.И. Вавилов особо выделял значение изучения сортового, видового и родового разнообразия культур; изучения наследственной изменчивости; влияния среды на развитие интересующих селекционера признаков; знаний закономерностей наследования признаков при гибридизации; особенностей селекционного процесса для само- или перекрестноопылителей; стратегии искусственного отбора.
Породы, сорта, штаммы — искусственно созданные человеком популяции организмов с наследственно закрепленными особенностями: продуктивностью, морфологическими, физиологическими признаками.
Каждая порода животных, сорт растений, штамм микроорганизмов приспособлены к определенным условиям, поэтому в каждой зоне нашей страны имеются специализированные сортоиспытательные станции и племенные хозяйства для сравнения и проверки новых сортов и пород.
Для успешной работы селекционеру необходимо сортовое разнообразие исходного материала. Во Всесоюзном институте растениеводства Н.И. Вавиловым была собрана коллекция сортов культурных растений и их диких предков со всего земного шара, которая в настоящее время пополняется и является основой для работ по селекции любой культуры.
Центры происхождения культурных растений, выявленные Н.И. Вавиловым
Наиболее богатыми по количеству культур являются древние центры цивилизации. Именно там наиболее ранняя культура земледелия, более длительное время проводятся искусственный отбор и селекция растений.
Классическими методами селекции растений были и остаются гибридизация и отбор. Различают две основные формы искусственного отбора: массовый и индивидуальный.
Массовый отбор
Массовый отбор применяют при селекции перекрестноопыляемых растений (рожь, кукуруза, подсолнечник). В этом случае сорт представляет собой популяцию, состоящую из гетерозиготных особей, и каждое семя обладает уникальным генотипом. С помощью массового отбора сохраняются и улучшаются сортовые качества, но результаты отбора неустойчивы в силу случайного перекрестного опыления.
Индивидуальный отбор
Индивидуальный отбор применяют при селекции самоопыляемых растений (пшеница, ячмень, горох). В этом случае потомство сохраняет признаки родительской формы, является гомозиготным и называется чистой линией. Чистая линия — потомство одной гомозиготной самоопыленной особи. Так как постоянно происходят мутационные процессы, то абсолютно гомозиготных особей в природе практически не бывает. Мутации чаще всего рецессивны. Под контроль естественного и искусственного отбора они попадают только тогда, когда переходят в гомозиготное состояние.
Естественный отбор
Этот вид отбора играет в селекции определяющую роль. На любое растение в течение его жизни действует комплекс факторов окружающей среды, и оно должно быть устойчивым к вредителям и болезням, приспособлено к определенному температурному и водному режиму.
Инбридинг (инцухт)
В центре гетерозисная кукуруза, слева и справа родительские особи.
Так называется близкородственное скрещивание. Инбридинг имеет место при самоопылении перекрестноопыляемых растений. Для инбридинга подбирают такие растения, гибриды которых дают максимальный эффект гетерозиса. Такие подобранные растения в течение ряда лет подвергаются принудительному самоопылению. В результате инбридинга многие рецессивные неблагоприятные гены переходят в гомозиготное состояние, что приводит к снижению жизнеспособности растений, к их «депрессии». Затем полученные линии скрещивают между собой, образуются гибридные семена, дающие гетерозисное поколение.
Гетерозис («гибридная сила») — явление, при котором гибриды по ряду признаков и свойств превосходят родительские формы. Гетерозис характерен для гибридов первого поколения, первое гибридное поколение дает прибавку урожая до 30%. В последующих поколениях его эффект ослабляется и исчезает. Эффект гетерозиса объясняется двумя основными гипотезами. Гипотеза доминирования предполагает, что эффект гетерозиса зависит от количества доминантных генов в гомозиготном или гетерозиготном состоянии. Чем больше в генотипе генов в доминантном состоянии, тем больше эффект гетерозиса.
| Р | ♀ AAbbCCdd | × | ♂ aaBBccDD |
| F1 | AaBbCcDd | ||
Гипотеза сверхдоминирования объясняет явление гетерозиса эффектом сверхдоминирования. Сверхдоминирование — вид взаимодействия аллельных генов, при котором гетерозиготы превосходят по своим характеристикам (по массе и продуктивности) соответствующие гомозиготы. Начиная со второго поколения гетерозис затухает, так как часть генов переходит в гомозиготное состояние.
Растения диплоидной (2n = 16) и тетраплоидной (2n = 32) гречихи.
Перекрестное опыление самоопылителей дает возможность сочетать свойства различных сортов. Например, при селекции пшеницы поступают следующим образом. У цветков растения одного сорта удаляются пыльники, рядом в сосуде с водой ставится растение другого сорта, и растения двух сортов накрываются общим изолятором. В результате получают гибридные семена, сочетающие нужные селекционеру признаки разных сортов.
Метод получения полиплоидов. Полиплоидные растения обладают большей массой вегетативных органов, имеют более крупные плоды и семена. Многие культуры представляют собой естественные полиплоиды: пшеница, картофель, выведены сорта полиплоидной гречихи, сахарной свеклы.
Виды, у которых кратно умножен один и тот же геном, называются автополиплоидами. Классическим способом получения полиплоидов является обработка проростков колхицином. Это вещество блокирует образование микротрубочек веретена деления при митозе, в клетках удваивается набор хромосом, клетки становятся тетраплоидными.
Отдаленная гибридизация
Восстановление плодовитости капустно-редечного гибрида: 1 — капуста; 2 — редька; 3, 4 — капустно-редечный гибрид.
Отдаленная гибридизация — это скрещивание растений, относящихся к разным видам. Отдаленные гибриды обычно стерильны, так как у них нарушается мейоз (два гаплоидных набора хромосом разных видов не могут конъюгировать) и, следовательно не образуются гаметы.
Методика преодоления бесплодия у отдаленных гибридов была разработана в 1924 году советским ученым Г.Д. Карпеченко. Он поступил следующим образом. Вначале скрестил редьку (2n = 18) и капусту (2n = 18). Диплоидный набор гибрида был равен 18 хромосомам, из которых 9 хромосом были «редечными» и 9 — «капустными». Полученный капустно-редечный гибрид был стерильным, поскольку во время мейоза «редечные» и «капустные» хромосомы не конъюгировали.
Далее с помощью колхицина Г.Д. Карпеченко удвоил хромосомный набор гибрида, полиплоид стал иметь 36 хромосом, при мейозе «редечные» (9 + 9) хромосомы конъюгировали с «редечными», «капустные» (9 + 9) с «капустными». Плодовитость была восстановлена. Таким способом были получены пшенично-ржаные гибриды (тритикале), пшенично-пырейные гибриды и др. Виды, у которых произошло объединение разных геномов в одном организме, а затем их кратное увеличение, называются аллополиплоидами.
Использование соматических мутаций
Соматические мутации применяются для селекции вегетативно размножающихся растений. Это использовал в своей работе еще И.В. Мичурин. С помощью вегетативного размножения можно сохранить полезную соматическую мутацию. Кроме того, только с помощью вегетативного размножения сохраняются свойства многих сортов плодово-ягодных культур.
Экспериментальный мутагенез
Основан на открытии воздействия различных излучений для получения мутаций и на использовании химических мутагенов. Мутагены позволяют получить большой спектр разнообразных мутаций. Сейчас в мире созданы более тысячи сортов, ведущих родословную от отдельных мутантных растений, полученных после воздействия мутагенами.
Методы селекции растений, предложенные И.В. Мичуриным
С помощью метода ментора И.В. Мичурин добивался изменения свойств гибрида в нужную сторону. Например, если у гибрида нужно было улучшить вкусовые качества, в его крону прививались черенки с родительского организма, имеющего хорошие вкусовые качества, или гибридное растение прививали на подвой, в сторону которого нужно было изменить качества гибрида. И.В. Мичурин указывал на возможность управления доминированием определенных признаков при развитии гибрида. Для этого на ранних стадиях развития необходимо воздействие определенными внешними факторами. Например, если гибриды выращивать в открытом грунте, на бедных почвах повышается их морозостойкость.
Перейти к лекции №22 «Методы генетики человека»
Перейти к лекции №24 «Селекция животных»
Смотреть оглавление (лекции №1-25)
Методы селекции растений
Урок 12. Общая биология 11 класс ФГОС
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Методы селекции растений»
Огромный вклад в развитие генетики и селекции внёс советский ученый генетик и селекционер Николай Иванович Вавилов. В годы репрессий он погиб в сталинских застенках в расцвете творческих сил. Прошло пол века, но и сегодня многие его идеи и труды не утратили актуальность.
При изучении близких групп культурных растений Вавилов обнаружил сходные варианты развития одного и того же признака, которые повторялись у разных видов растений.
Сходство структур организмов называется ― гомологией.
Вавилов сформулировал закон гомологичных рядов наследственной изменчивости.
Который звучит так: «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. Целые семейства растений в общем характеризуются определённым циклом изменчивости, проходящей через все роды и виды, составляющие семейство».
Вавилов установил, что растения, предлежащие к эволюционно родственным группам, содержат одинаковые гены и потому претерпевают одинаковые мутации, приобретая при этом одинаковые признаки.
Так, например, у двурядного ячменя колосья бываю белые и черные, и у многорядного — белые и черные. Как у того, так и у другого колосья встречаются и без остей. А также с остистыми придатками, с короткими остями и с длинными остями.
Сформулированный закон гомологических рядов Вавилов выразил формулой:
Прописными буквами G1, G2, G3 обозначаются виды, а строчными a, b, c ― их различные варьирующие признаки, например окраска, форма стеблей, листьев, семян, биологические особенности (скороспелость, холодостойкость, отзывчивость на удобрения и др.).
Доказательством закона служит материал, представленный в таблице, демонстрирующий гомологию, то есть сходство наследственной изменчивости по некоторым признакам и свойствам в пределах ряда культурных растений семейства злаковых. Такие таблицы с гомологическими рядами изменчивости были составлены ученым для большого количества сортов и видов, имеющих непосредственное отношение к культурным растениям.
Зная характер изменчивости одного или нескольких близких видов, можно целенаправленно искать формы, ещё не известные у данного организма, но уже открытые у его филогенетических родственников.
Гомологические ряды наследственной изменчивости служат источником поиска генетического разнообразия в потомстве каждой особи и способствуют отбору лучших форм в селекционной практике.
Говоря словами Вавилова, закон гомологических рядов показывает исследователю и селекционеру, что следует искать.
Центры происхождения культурных растений
Основные методы селекции вообще и селекции растений в частности — отбор и гибридизация.
Прежде чем создать новый сорт, необходимо найти нужные растения с нужными свойствами. Чем разнообразнее исходный материал для селекции, тем больших результатов можно достичь.
Для того чтобы решить проблему поиска необходимо было изучить распространение различных видов и сортов растений. С этой целью Николай Иванович Вавилов совершил немало экспедиций по земному шару. Под его руководством были организованы научные экспедиции в разные регионы Земли для сбора образцов культурных растений, их диких предков и сородичей.
В своих исследованиях Вавилов заметил, что разнообразие сортов определённых видов культурных растений по станциям отличается. И предположил, что район наибольшего генетического разнообразия какого-либо вида культурного растения является центром его происхождения.
На основании материалов о мировых растительных ресурсах, Вавилов выделял 8 основных географических центров происхождения культурных растений.
Первый центр — Индийский (Южноазиатский). В него входит полуостров Индостан, Южный Китай, юго-восточная Азия.
Индийский центр является родиной цитрусовых, риса, сахарного тростника, баклажанов и огурцов.
Второй центр происхождения культурных растений называется Китайский (Восточноазиатский) центр, который включает в себя Центральный и Восточный Китай, Корею и Японию. Данный центр является родиной сои, гречки, редьки, вишни, сливы и проса.
Третий центр называется Среднеазиатский. Он охватывает страны Средней Азии, Иран, Афганистан, а также Северо-Западную Индию. В этом центре были окультурены человеком абрикос, груша, морковь, лен, горох и пшеница.
Следующий центр происхождения культурных растений называется Переднеазиатский центр. Он расположен в Турции и странах Закавказья. Это родина розы, инжира, ячменя и ржи.
Средиземноморский центр охватывает африканские страны. То есть страны, которые расположены по берегам Средиземного моря. Средиземноморский центр является родиной капусты, петрушки, сахарной свеклы, маслин и клевера.
Шестой центр — Абиссинский — является самым древним из всех центров, выделенных Вавиловым. Он расположен в небольшом районе современной Эфиопии и на Южном побережье Аравийского полуострова. Абиссинский центр является родиной бананов, твёрдой пшеницы и сорго.
Центральноамериканский центр — седьмой центр происхождения культурных растений. Включает в себя Мексику, Карибские острова и часть стран Центральной Америки. Центр является родиной кукурузы, табака, красного перца, тыквы и хлопчатника.
И последний центр, который выделил Вавилов в своих работах называется Южноамериканский. Он охватывает западное побережье Южной Америки. Этот центр ― родина картофеля, ананаса, томатов и фасоли.
Так были открыты центры многообразия и происхождения важнейших культурных растений.
В ходе экспедиций было собрано более 160 тыс. образцов разных видов и сортов растений.
Эта уникальная коллекция хранится во Всероссийский институт растениеводства имени Н. И. Вавилова и используется селекционерами в практической работе. Здесь одной только пшеницы более 25 тысяч разновидностей.
Так, известный сорт озимой пшеницы — Безостая-1 — был получен в результате гибридизации аргентинских пшениц из коллекции Н. И. Вавилова с отечественными сортами.
Цель селекции ― создание сортов растений, которые удовлетворяют требованиям сельскохозяйственного производства. Селекционеры прежде всего определяют хозяйственно ценные признаки сорта. Бракуют сорта полегающие, неустойчивые к болезням и вредителям.
Перед селекционерами стоит проблема собрать сорта, которые объединяю все многообразие этих требований.
Прежде чем подойти к решению проблемы, селекционеры глубоко изучают биологию самого растения, особенности его размножения.
Новые сорта перекрёстно опыляющихся растений получают путём гибридизации и последующего массового отбора. Он состоит в том, чтобы выделить наибольшее число растений с наилучшими признаками. Отобрав такие растения, селекционер получает от них семена для дальнейшей работы.
У самоопылителей основным методом формирования сорта является индивидуальный отбор, а также гибридизация с последующим отбором растений, сочетающих запланированные признаки.
Затем наилучшие отобранные растения передают на государственные сортоиспытания, где в различных почвенно-климатических условиях им дают объективную и всестороннюю оценку созданного сортового разнообразия, и выявляют наиболее ценные сорта по урожайности, качеству продукции и другим полезным признакам для их районирования и внедрения в производство на конкретной территории возделывания.
Система государственного сортоиспытания работает независимо от селекционных научно-исследовательских учреждений, давая окончательное объективное заключение о результатах и качестве их работы. После проверки растение с наилучшими признаками именуется сортом.
Один из основоположников русской селекции — Иван Владимирович Мичурин, разработал методы отдалённой гибридизации для вегетативно размножаемых растений. Он получил гибриды очень отдалённых форм.
Иван Владимирович Мичурин, скрещивая французский сорт груши Бере рояль с дикой уссурийской и выращивая сеянцы в условиях средней полосы России, создал сорт Бере зимняя, сочетающий высокие вкусовые качества плодов с зимостойкостью. Методы, разработанные Мичуриным, успешно используются селекционерами и в настоящее время.
Как принципиально решается вопрос о получении нового сорта, когда требуется совместить признаки различных сортов?
Проследим за выведением нового сорта подсолнечника. Это перекрёстноопыляемое растение.
Вы видите культурную форму, обладающую многими ценными качествами. Но у неё есть существенный недостаток она неустойчива к таким заболеваниям, как ржавчина, ложно-мучнистая роса, склеротиния.
Дикая форма подсолнечника малоурожайна, зато она более устойчива к этим болезням. Лучшие признаки двух форм — продуктивность и иммунитет —селекционер должен соединить в одном сорте.
Для этого с дикого растения собирают пыльцу. А на материнской форме удаляют пыльники. Пыльцу переносят на корзинку подсолнечника. Идёт скрещивание. Получают гибридные семена.
Рассмотрим гибридизацию растения самоопылителя
Поле коллекционного питомника засеяно разными сортами пшеницы. Селекционеры ставят перед собой задачу получить новый сорт, соединяющий в себе лучшие качества различных сортов.
Прежде чем приступить к скрещиванию на материнской форме удаляют пыльники. Этим её лишают возможности самоопылиться. Материнскую форму помещают вместе со специально отобранными растениями, которые будут её опылять.
Вот и результат ― гибридные семена. Их высевают. Каждое зерно имеет номер. Когда пшеница заколосится, начинают индивидуальный отбор. Выбирают колосья содержащие наибольшее количество зёрен. От этих растений получают потомство.
Индивидуальный отбор продолжается в четырёх-пяти поколениях. Наконец сорт выведен. Им становится потомство однородное по всем хозяйственно ценным признакам имеющее наивысшие показатели, ― озимая пшеница безостая-1.
Новое как всегда подвергается всесторонней проверке. Исследуют качество муки. Хлеб, испечённый из этой пшеницы, обладает многими ценными свойствами: высоким содержанием белка, пористостью, эластичностью.
Так селекционеры дают людям высокопродуктивные сорта основной продовольственной культуры — пшеницы, а это означает, что с каждым годом увеличивается количество и улучшается качество хлебопекарных изделий. Так учёные-селекционеры решают важнейшую проблему современности — повышение эффективности сельского хозяйства.