Новейшие методы селекции
Бурное развитие новых методов исследований в генетике, расширение и
углубление наших представлений о структуре и законах организации наследственного
аппарата клетки обусловили создание и разработку принципиально новых
методов . Раньше генетическое разнообразие форм растений и животных –
исходного материала для селекции – экспериментально создавалось в селекции методами
гибридизации, полиплоидии, мутагенеза и др. Теперь ученые могут достигать
еще большего разнообразия благодаря манипулированию
отдельными клетками живого организма, отдельными
хромосомами и отдельными генами. Родились новые
понятия и направления современной генетики: клеточная, хромосомная
инженерия и генная инженерия. При этом принципиальное отличие данных
методов от традиционно используемых в селекции, например мутагенеза, состоит
в целенаправленном, а не случайном расширении границ изменчивости генотипа,
в планируемом разнообразии исходного материала для селекции. Эти современные
методы большее применение пока получили в селекции растений.
Клеточная инженерия связана
с культивированием отдельных клеток или тканей на специальных искусственных
средах. Показано, что если взять кусочки ткани или отдельные клетки из
разных органов, допустим, растений, хотя это возможно и у животных, и
пересадить их на специальные среды, содержащие минеральные соли, аминокислоты,
гормоны и другие питательные компоненты, то они способны расти. Это значит,
что в таких изолированных от организма тканях и клетках продолжаются
клеточные деления. Но самым важным и интересным оказалось то, что отдельные
растительные клетки (в отличие от клеток животных) в таких искусственных
условиях обладают тотипотентностью, т.е. способны к регенерации (формированию)
полноценных растений. Эта их
способность и была использована для селекции в разных направлениях.
Селективные среды.
Если необходимо, например, получить солеустойчивые растения, то составляется
специальная питательная среда для культивирования клеток растений с повышенным
содержанием солей (NaCl) и высеиваются на эти среды в чашках Петри
тысячи растительных клеток. Большинство таких клеток, не выдерживая высокие
концентрации солей, гибнет, но отдельные выживают и из них, как наиболее солеустойчивых,
могут регенирировать целые растения. Это один из примеров селекции на клеточном
уровне, когда отбору подвергаются не растения, а клетки, из которых потом воспроизводятся
растения.
Преимущества клеточной селекции очевидны, так как в объеме одной чашки Петри можно поместить тысячи клеток. Это во много раз повышает возможности отбора.
Вторым новейшим методом клеточной селекции у растений, уже давшим огромный
эффект, является метод гаплоидов (организмы с уменьшенным
вдвое числом хромосом, у которых в ядрах клеток из каждой пары гомологичных
хромосом, характерных для диплоидов присутствует только одна хромосома.)
Например, если у кукурузы диплоидные растения имеют 10 пар хромосом (всего
20), то гаплоидные – всего 10 хромосом. Гаметы, в том числе мужские (пыльцевые
зерна), имеют
гаплоидный набор хромосом. Этот факт и был использован для получения гаплоидных
растений.
Сейчас разработан метод проращивания пыльцевых зерен на искусственных питательных
средах в пробирках и получения из них полноценных гаплоидных растений. Какое
это имеет отношение к селекции? Чтобы ответить на этот вопрос, придется вспомнить метод
комбинационной селекции. В основе ее лежит гибридизация, в результате
которой получаются гетерозиготные организмы, а затем длительная гомозиготизация
до восьмого поколения, т.е. получение стабильных нерасщепляющихся форм. На
создание сорта таким методом уходит более 10 лет. С помощью гаплоидов этот
срок можно сократить в 2 раза. Для этого получают гибриды, берут
из них пыльцу, на питательных средах в пробирках регенерируют из нее гаплоидные
растения, а затем удваивают у них число хромосом и сразу получают полностью
гомозиготные диплоидные растения. Вся эта процедура вместо 6-8 лет занимает
2-3 года. Так как мы берем пыльцу из гибридных растений и получаем через гаплоидные
растения сразу гомозиготные диплоидные, то
остается только оценить их и затем размножить лучше.
Хромосомная инженерия.
В настоящий момент связывается прежде всего с возможностями замещения (замены) отдельных хромосом у растений или добавления новых. Известно, что в клетках каждого диплоидного организма имеются пары гомологичных хромосом. Такой организм называют дисомиком. Если в какой-либо паре хромосом остается одна гомологичная хромосома, то получается моносомик. При добавлении третьей гомологичной хромосомы возникает трисомик, а при отсутствии в геноме одной пары гомологичных хромосом возникает нуллисомик. Такие манипуляции с хромосомами дают возможность заменять одну или обе гомологичные хромосомы, допустим, одного сорта пшеницы на ту же пару хромосом, но из другого сорта. Что это дает селекционеру? Тем самым он может один признак, который ему кажется слабым у данного сорта , заменить на этот же, но более сильный признак из другого сорта. Таким образом, он приближается к созданию « идеального» сорта, у которого все полезные признаки будут выражены в максимальной степени. Эту же цель преследует и методика замены отдельных хромосом одного вида на хромосомы другого вида, близкого по своему происхождению. В литературе принято вместо слов «замена хромосом» употреблять «замещение хромосом». Поэтому полученные таким путем формы называются замещенными линиями. Другой методический прием состоит во введении (внедрении) в геном определенного вида или сорта какой-либо дополнительной пары хромосом другого вида растений, которые определяют развитие признака, отсутствующего у первого вида. Если такое введение пары дополнительных хромосом удается осуществить, то полученные формы называют дополненными линиями.
Генная инженерия.
Под генной инженерией обычно понимают искусственный перенос нужных генов от одного вида живых организмов (бактерий, животных, растений) в другой вид, часто очень далекий во своему происхождению. Чтобы осуществить перенос генов (или трансгенез), необходимо выполнить следующие сложные операции:
- выделение из клеток бактерий, животных или растений тех генов, которые намечены для переноса. Иногда эту операцию заменяют искусственным синтезом нужных генов, если таковой оказывается возможным;
- создание специальных генетических конструкций (векторов), в составе
которых намеченные гены будут внедряться в геном другого вида. Такие
конструкции кроме самого гена должны содержать все необходимое для
управления его работой (промоторы,
терминаторы) и гены-«репортеры», которые будут сообщать, что перенос успешно осуществлен;
- внедрение генетических векторов сначала в клетку, а затем в геном
другого вида и выращивание измененных клеток в целые
организмы (регенерация). - Растения и животные, геном которых изменен в результате таких генно-инженерных
операций, получили название трансгенных растений или
животных.
На рисунке показана одна из схем получения гена, кодирующего нужный
нам белок. На первом этапе из клеток выделяют и-РНК. Затем на ней,
как на матрице, синтезируют нить комплементарной ей ДНК (к-ДНК). Благодаря
этому получается гибридная ДНК-РНК-молекула. После удаления РНК из
этой молекулы на оставшейся одноцепочечной ДНК осуществляют синтез
второй нити. В результате возникает полноценная молекула ДНК. Используя
специальные ферменты, ее встраивают в кольцевую ДНК плазмид (внехромосомных
молекул ДНК), которые выполняют роль переносчика нужного гена. На последнем
этапе плазмиды со вставкой встраиваются в бактериальную хромосому.
В ней перенесенный ген человека, животного, растения или другого микроорганизма
начинает работать, и в бактериальной клетке накапливается необходимый
белок, остается лишь выделить его из бактериальной массы. Таких бактерий
размножают в промышленных масштабах и получают необходимыйбелок в больших
количествах. Все эти технологические приемы основаны на успехах в познании
физико-химических основ жизни. Решение практических задач с помощью
описанных методов молекулярной биологии и генетики и составляет сущность
генной инженерии
Для более наглядного представления рассмотрим пример, в котором ученым
из разных стран, в том числе и нашей, удалось с помощью генно-инженерных
методов создать ценные для селекции новые формы растений. В природе существует
бактерия Bacillus thuringiensis, которая нарабатывает белок, называемый
эндотоксином. Свое название он получил потому, что при попадании этой
бактерии в желудок насекомых – вредителей сельскохозяйственных растений
этот белок вызывает лизис (разрушение) стенки желудка и гибель насекомого
– вредителя. Это свойство белка генные инженеры решили использовать для
создания форм полезных сельскохозяйственных растений, устойчивых к насекомым
– вредителям. Они выделили из бактериальной ДНК ген, кодирующий белок
эндотоксин. Далее ген был встроен в состав природных генетических векторов
–
Ti-плазмид, присутствующих в клетках почвенной бактерии Acrobacterium tumefaciens.
Этой бактерией были заражены кусочки растительной ткани, выращиваемой на питательной
среде. Через некоторое время Плазмиды, несущие ген белка-токсина, внедрились
в растительные клетки, а затем ген встроился в ДНК растений. О том, что этот
процесс прошел успешно, сообщил специальный ген-«репортер», также искусственным
путем введенный в состав Ti-плазмид. Затем кусочки растительной ткани перенесли
на питательную среду другого состава, которая обеспечивает рост и разкитие
полноценных растений. В конце концов такие растения
были выращены, и оказалось, что если на их листья посадить гусениц насекомых-вредителей,
то, попробовав растительной ткани с белком-токсином, гусеницы погибают. Важно,
что белок-токсин оказался гибельным только для насекомых и совершенно безвреден
для человека и сельскохозяйственных животных. Описанным выше путем к настоящему
моменту удалось получить формы картофеля, томатов, табака, рапса, устойчивые
к разнообразным сельскохозяйственным вредителям. Это одно из первых и самых
значительных достижений генной инженерии растений в практической селекции.
Новые методы селекции животных.
Мощное развитие животноводства за последние десятилетия привело к появлению
выдающихся пород животных. Продуктивность молочного скота у некоторых
пород достигла 8-9 тыс.кг. Новый сибирский тип российской мясо-шерстной
породы овец отличается высокой мясной и шерстной продуктивностью. Средняя
масса плембранов составляет 110-130 кг, средний настриг шерсти в чистом
волокне 608 кг. Лучшие породы кур дают по 400 яиц в год на несушку, а
бройлерные цыплята достигают массы 2,5 – 3 кг за семь недель. Примеры
выдающихся достижений селекции можно перечислять очень долго. Однако
нас
больше интересует вопрос о том, какие новые методы селекции используются для
непрерывного совершенствования животных. Таких методов много, остановимся на
некоторых из них.
Посмотрим, для примера, как осуществляется селекционный процесс у молочного
скота. Комплекс селекционных приемов, используемых в молочном скотоводстве,
называется крупномасштабной селекцией. Она обеспечивает очень эффективный отбор
производителей, создание больших запасов замороженной спермы от выдающихся
быков, отбор и эффективнее использование лучших
коров. Методы гормональной суперовуляции и транплантации позволяют получать
от лучших коров десятки зигот в год и выращивать их в коровах, имеющих более
низкую племенную ценность. Вся система управляется из единого информационного
центра. Такая широкомасштабная селекция повышать продуктивность породы на 1-2%
в год. Это очень высокий показатель для таких медленно размножающихся животных,
как крупный рогатый скот. Успехи селекции. Создание продовольственного потенциала
как в мире, так и в нашей стране базируется на использовании
потенциала сортов растений и пород животных, полученных в процессе селекции.
Другими словами, наше благополучие напрямую связано с уровнем развития и эффективностью
селекции, что и определяет ее особую значимость для человечества. Хотя человек
и освоил под сельское хозяйство всего 10% суши нашей планеты, но увеличить
значительно долю пахотных земель
сегодня невозможно, так как все доступные на сегодня резервы пригодных для
сельского хозяйства земель фактически исчерпаны. Остается одно – значительно
увеличить отдачу используемых земель, резко повысить продуктивность растений
и животных.
За предшествующие 100 лет в деле улучшения растений и животных селекция сделала
поразительные успехи. Сегодня во многих развитых странах получают рекордные
урожаи пшеницы, риса, кукурузы. Считается, что конечный результат в растениеводстве
на 50% зависит от уровня урожайности сорта, на такую же величину от совершенства
технологии земледелия и возделывания растений. Столь же внушительные результаты
получены и в животноводстве. В процессе селекции созданы породы крупного рогатого
скота, дающие более 10 тыс. кг молока на корову за год. Естественно, что и
в животноводстве, кроме породы, большую роль играет
технология содержания и кормления животных. Однако как у растений, так и у
животных определяющей компонентной конечной продуктивности является биологический
потенциал сортов и пород, созданный в процессе селекции. В качестве иллюстрации
рассмотрим очень распространенную культуру – картофель. Сегодня созданы и возделываются
многочисленные его сорта. Урожайность картофеля очень колеблется по зонам,
странам, но в среднем составляет 250 ц/га. Однако селекционеры постоянно выпускают
в производство все новые сорта.
Химеры
Широкие возможности глубже понять роль генов в дифференцировке клеток и в регуляци взаимодействий между клетками в процессе развития дают химерные и трансгенные животные. Развитие экспериментальных методов в последнее время сделало возможным получать совершенно необычных животных, которые несут гены не только одного отца и одной матери, но и большего количества предков. Химерные животные — это генетические мозаики, образующиеся в результате объединения бластомеров от эмбрионов с разными генотипами.
Получение таких эмбрионов осуществляется во многих лабораториях. Принцип получения химер сводится главным образом к выделению двух или большего числа ранних зародышей и их слиянию. В том случае, когда в генотипе зародышей, использованных для создания химеры, есть отличия по ряду характеристик, удается проследить судьбу клеток обоих типов. С помощью химерных мышей был, например, решен вопрос о способе возникновения в ходе развития много ядерных клеток поперечнополосатых мышц. Теоретически можно допустить два варианта их возникновения, Один может быть результатом многократных делений ядер без деления цитоплазмы, другой вариант связан со слиянием одноядерных клеток.
Используя химерных мышей и специальные методы анализа ферментов, доказали, что многоядерные клетки - результат слияния одноядерных клеток. Изучение химерных животных позволило решить немало трудных вопросов, и в будущем благодаря применению этого метода появится возможность решать сложные проблемы генетики и эмбриологии.
