Для чего применяют искусственный мутагенез в селекции
Что такое ИСКУССТВЕННЫЙ мутагенез? Где его применяют? Приведите примеры. Заранее большое спасибо!
Мутагенез — внесение изменений в нуклеотидную последовательность ДНК (мутаций). Различают естественный (спонтанный) и искусственный (индуцированный) мутагенез. Искусственный мутагенез, т. е. контролируемый человеком процесс возникновения мутаций, успешно применяется в селекции растений и микроорганизмов. Чаще всего применяется в селекции растений. Использование этого метода оказалось особенно эффективным применительно к разнообразным микроорганизмам: грибам, дрожжам, водорослям, бактериям. Микроорганизмы широко используются в пищевой промышленности, в производстве лекарств, биологически активных веществ, а также в производстве кормов для животных. Области их применения постоянно расширяются. С помощью искусственного мутагенеза, в частности, получены плесневые грибки, продуцирующие антибиотики в тысячи раз эффективнее, чем исходные формы. Значение антибиотиков общеизвестно: они сохраняют жизнь миллионам людей. Использование искусственного мутагенеза в селекции привело к созданию высокопродуктивных штаммов микроорганизмов — продуцентов витаминов, аминокислот, белков, которые активно используются в медицине и сельском хозяйстве. В будущем роль микроорганизмов в различных отраслях человеческой жизни неизбежно возрастет, что еще больше повысит значение селекции и генетики микроорганизмов.
Благодаря использованию мутагенов возникают мутантные формы растений, у которых сохранены ценные свойства формы или сорта и вместе с тем улучшены признаки, особенно интересующие селекционеров. Мутантное растение лишь в редких случаях может быть сразу родоначальником сорта. В большинстве случаев такие растения служат материалом, который может быть использован для создания сортов путем гибридизации и отбора. Таким образом, искусственный мутагенез является важным и эффективным в арсенале методов, используемых в современной селекции.
Примером эффективности метода искусственного мутагенеза может служить сорт яровой пшеницы Новосибирская-67, созданный в Институте цитологии и генетики Сибирского отделения РАН. Этот сорт получен на основе мутантной формы, возникшей под влиянием обработки рентгеновскими лучами семян сорта пшеницы Новосибирская-7. Сорт Новосибирская-67 характеризуется укороченной и утолщенной соломиной, вследствие чего значительно повысилась его устойчивость против полегания. Он способен в условиях Западной Сибири давать урожай до 30—40 ц/га и обладает высокими хлебопекарными качествами.
Для чего применяют искусственный мутагенез в селекции
В селекции с помощью индуцированного мутагенеза можно решать разные задачи. Следует указать три главных направления.
1. Мутагены применяют, чтобы вызвать мутационную изменчивость с широким спектром мутаций и высокой частотой их появления с целью получения исходного материала для отбора. Располагая большим разнообразием мутантных форм, селекционер отбирает среди сотен бесполезных или вредных изменений единичные ценные формы и использует их при выведении новых сортов. В результате мутаций у растений могут появляться новые, ранее не известные, полезные признаки, при получении которых такой испытанный и ведущий метод, как гибридизация, может оказаться неэффективным.
Часто мутанты одновременно с положительными изменениями имеют и отрицательные. В этих случаях их можно использовать для скрещивания с лучшими сортами или с другими мутантами с целью передачи только ценного новообразования.
2. Искусственный мутагенез используют для индуцирования мутантов со специфическими изменениями отдельных признаков с целью исправления у существующих сортов некоторых дефектов. При этом важно, чтобы другие хозяйственно важные признаки оставались неизменными. Так, индийским селекционерам удалось с помощью мутагенеза повысить устойчивость сорта сахарного тростника Со 449 к красной гнили. Из материала, подвергнутого гамма-облучению, был выделен соматический мутант с высоким иммунитетом к этой болезни, выпущенный в качестве нового сорта Со 6602. Таким же путем повысили устойчивость к указанной болезни сорта сахарного тростника Со 997.
Данный принцип был с успехом применен для улучшения качества зерна у ряда ценных сортов риса подвида japonica, обладающих высокой урожайностью и устойчивостью к бактериальным и грибным болезням.
3. Мутагенные воздействия могут быть использованы для решения специальных селекционных задач, например для увеличения рекомбинации генов и разрывов нежелательных сцеплений, переноса фрагментов хромосом одного вида растений в хромосомы другого вида при отдаленной гибридизации, получения гомозиготных мутантов путем облучения гаплоидов и последующего удвоения у них числа хромосом и т. д.
Для чего применяют искусственный мутагенез в селекции
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.
Все особи такой группы имеют сходные морфологические и физиологические признаки, однотипную реакцию на изменение факторов внешней среды, определённый уровень продуктивности.
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.
Микробы
Микроорганизмы:
Бактерии
Бактерии — это очень простая форма растительной жизни, которая состоит из одной живой клетки. Размножение осуществляет.
Streptococcus mutans
Streptococcus mutans — грамм-положительная, факультативно анаэробная бактерия, обычно обнаруживаемая в ротовой полости.
Популярные статьи
Исследования
Разделы
Вирусы:
Вирусы под микроскопом
Типы бактериофагов
Живая часть вируса
Открытие мелких микроорганизмов
Основы вирусологии:
Саннтарно-бактериологический контроль методом исследования смывов
Отбор проб и доставка в лабораторию В практике текущего санитарного надзора за объектами общественного питания, торг.
Кл. Споровики
В этот класс включены паразитические виды простейших. В процессе своего развития имеют стадию так называемой споры, ко.
Вирусы гепатита а, в и с
Этиология. Термин «вирусный гепатит» объединяет две болезни: инфекционный гепатит (болезнь Боткина) — гепатит А и сыво.
Авторизация
Искусственный мутагенез: насколько он важен в селекции
Важность искусственного мутагенеза трудно недооценить, ведь именно он служит важнейшим источником получения исходных материалов в селекции растений. Биологи уже научились применять ионизирующее излучение и химические мутагены, с помощью которых возможно увеличить число мутаций. Правда, вначале учёные не особо придавали значение искусственному мутагенезу, считая его просто очередным экспериментом. Вся важность этого открытия была понята не сразу, но когда, наконец, биологи осознали, насколько важен искусственный мутагенез в селекции растений, то сразу взяли на вооружение эту технологию.
Через год над искусственным мутагенезом проводили свои опыты многие учёные и биологи не только из нашей страны, но и зарубежные коллеги обратили внимание, на искусственный мутагенез, понимая, насколько он важен в сельском хозяйстве. Вскоре в СССР был создан центр по изучению искусственного мутагенеза, а также велась разработка новых способов применения мутаций в качестве исходных селекционных материалов. Больше всего учёных и биологов, изучавших искусственный мутагенез, волновала проблема, как получить мутации, позволяющие растениям переносить грибковые и другие виды заболеваний. Именно эта задача и ставилась перед учеными, которые занимались искусственным мутагенезом.
Применив в искусственном мутагенезе ионизирующие излучения и химические мутагены можно легко избавиться от главных недостатков, которыми зачастую страдают многие виды сельскохозяйственных растений. Применив искусственный мутагенез взамен проблемных растений легко получить совершенно новые формы, обладающие очень важными свойствами, такими, как устойчивость к заболеваниям, скороспелость, хорошая переносимость жары и холода и другие не менее полезные качества, выводящие сельскохозяйственные культуры на новую ступень.
Существуют два пути применения искусственного мутагенеза, которые можно использовать при применении искусственных мутаций у сельскохозяйственных растений:
В первом варианте перед учёными стоит задача улучшить существующие виды растений по основным известным признакам, при этом, не забывая исправлять их главные недостатки. Первый метод искусственного мутагенеза является наиболее перспективным при использовании прямых мутации в растениях. К тому же метод прямых мутаций позволяет не только получить новые виды растений, но и оставить нетронутыми старые сорта.
Второй вариант применения искусственных мутаций больше подходит для быстрого получения исходного материала с требуемыми признаками и свойствами. Однако такой метод не гарантирует получение качественных образцов, а зачастую именно эти требования предъявляются к новым видам растений. А значит, этот вариант может рассматриваться только в виде эксперимента, позволяя учёным создавать всевозможные виды мутаций.
А для того чтобы в искусственном мутагенезе получить наиболее ценные в сельском хозяйстве мутации учёные применяют гамма-лучи и лучи Рентгена, а также нейтроны, а также используют химические мутагены типа этиленимина. Чтобы получить хотя бы одну полезную мутацию учёным приходиться подвергать искусственному мутагенезу две тысячи семян. Благодаря открытию и изучению искусственного мутагенеза, были получены новые сорта и виды растений, которые имеют значительные преимущества перед своими собратьями. Во многом благодаря искусственному мутагенезу, биологами были получены ценные исследования, которые позволили открыть множество полезных свойств используемых для получения новых мутаций в сельскохозяйственных растениях.
Основные методы селекции растений, животных и микроорганизмов (гибридизация, отбор, полиплоидия, искусственный мутагенез)
Вопрос 2. Чем массовый отбор отличается от индивидуального?
Массовый отбор характеризуется тем, что его проводят только по фенотипу, т.е. с учетом лишь совокупности признаков организма. Из потомства берут особей с нужными признаками и снова скрещивают их между собой. Массовый отбор обычно применяют для перекрестно опыляемых растений и для животных. Направлен этот отбор на поддержание данной породы или определенного сорта на заданном хозяйственном уровне.
При индивидуальном отборе выбирают отдельную особь и при последующих самоопылении у растений или близко¬родственных скрещиваниях у животных выводят чистые линии. Чистые линии — группы генетически однородных (гомозиготных) организмов — являются ценным материалом селекции.
Вопрос 3. Что такое гетерозис?
Гетерозис проявляется в том, что гибриды обладают выдающимися качествами (большим ростом, весом, устойчивостью к заболеваниям и т. п.) по сравнению с родительскими формами. Если провести перекрестное опыление между разными «чистыми» линиями растений, то в результате в ряде случаев получают высокоурожайные гибриды, обладающие нужными селекционеру свойствами. Это метод межлинейной гибридизации часто приводит к эффекту гетерозиса: гибриды первого поколения обладают высокой урожайностью и устойчивостью к неблагоприятным воздействиям. Гетерозис характерен для гибридов первого поколения, которые получаются при скрещивании не только разных линий, но и разных сортов и даже видов. К сожалению, эффект гетерозисной мощности бывает сильным только в первом гибридном поколении, а в следующих поколениях постепенно снижается.
Основная причина гетерозиса заключается в устранении в гибридах вредного проявления накопившихся рецессивных генов. Другая причина — объединение в гибридах доминантных генов родительских особей и взаимное усиление их эффектов.