Ключевые тезисы: Селекция, наука о создании новых и улучшении существующих сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов. Теоретическая основа, генетика и законы Менделя. Основные методы: искусственный отбор, гибридизация, мутагенез, полиплоидия, клеточная и генная инженерия. Н. И. Вавилов определял её как «эволюцию, направляемую волей человека».
Определение селекции: что это такое простыми словами
Почему современные помидоры такие крупные, а собаки разных пород выглядят почти как разные виды? Ответ, селекция.
Термин происходит от латинского «selectio», «отбор». Селекция в биологии, наука о методах создания новых и улучшения существующих пород животных, сортов растений и штаммов микроорганизмов с ценными для человека признаками. Люди занимались примитивной селекцией тысячи лет, отбирая лучшие зёрна и оставляя на размножение самых продуктивных животных. Как самостоятельная научная дисциплина она оформилась в первой половине XX века.
Наследственность и изменчивость организмов, два явления, без понимания которых целенаправленная работа по улучшению сортов и пород невозможна.
Сорт, порода, штамм: чем они отличаются
На ЕГЭ эти три термина путают чаще всего. Запомнить просто: сорт, растения, порода, животные, штамм, микроорганизмы.
| Понятие | Объект | Пример |
|---|---|---|
| Сорт | Растения | Пшеница «Саратовская 29» |
| Порода | Животные | Голштинская корова |
| Штамм | Микроорганизмы | Penicillium для пенициллина |
Чем селекция отличается от эволюции и генетики
Рабочая формула: генетика, фундамент, эволюция, процесс, селекция, инструмент. Естественный отбор сохраняет признаки, повышающие выживаемость в среде, и действует тысячи поколений. Искусственный отбор проводит человек: он закрепляет хозяйственно ценные признаки за годы или десятилетия.
Наследственность и изменчивость как основа селекции
Изменчивость бывает двух типов. Наследственная (мутационная и комбинативная) передаётся потомству и служит материалом для отбора. Ненаследственная (модификационная) возникает под влиянием среды и в следующем поколении не воспроизводится. Для селекции полезна только наследственная изменчивость. Законы Менделя дают селекционеру инструмент предсказания: зная генотипы родителей, можно рассчитать соотношение форм в потомстве.
Примеры результатов селекции
Дикий банан набит твёрдыми семенами и почти несъедобен. Современный культурный банан, стерильный триплоид без семян, результат многовекового отбора. Апельсин в дикой природе не существует: это естественный гибрид помело и мандарина, закреплённый и улучшенный селекцией.
Результаты селекционной работы окружают нас ежедневно:
-
Хлеб, из сортов пшеницы с высоким содержанием клейковины
-
Молоко и сыр, от пород коров с рекордным удоем
-
Йогурт, на основе специально отобранных штаммов молочнокислых бактерий
-
Хлопковая одежда, из сортов хлопчатника с длинным волокном
История развития селекции
Путь от интуитивного народного отбора до молекулярной биотехнологии занял несколько тысячелетий.
Народная (стихийная) селекция
Около 8000 лет до н. э. в Плодородном полумесяце люди начали отбирать дикие злаки с наиболее крупными зёрнами. Так дикая однозернянка постепенно превратилась в культурную пшеницу. Ни генетики, ни понимания наследственности, только наблюдение и отбор лучшего.
Научная селекция: от Менделя до Вавилова
Грегор Мендель в 1865 году сформулировал законы наследования признаков, заложив фундамент генетики. Чарльз Дарвин обосновал роль искусственного отбора как движущей силы изменения пород и сортов. Николай Иванович Вавилов создал учение о мировых центрах происхождения культурных растений, открыл закон гомологических рядов и собрал крупнейшую в мире коллекцию семян (около 250 000 образцов к 1940 году).
Выдающиеся учёные-селекционеры
-
И. В. Мичурин создал свыше 300 сортов плодово-ягодных культур методами отдалённой гибридизации
-
В. С. Пустовойт вывел сорта подсолнечника с рекордным содержанием масла, изменив масличную отрасль сельского хозяйства
-
Н. В. Цицин разработал основы гибридизации пшеницы с пыреем, получив формы с морозостойкостью до -35 °C
-
П. П. Лукьяненко вывел более 40 высокопродуктивных сортов пшеницы, включая ржавчиноустойчивые формы
Современная биотехнологическая селекция
Сегодня полное секвенирование генома даёт исследователю все гены, их расположение и функции. Молекулярные маркеры позволяют отбирать нужные генотипы на стадии проростка. Технология CRISPR-Cas9 вносит изменения в конкретный ген без введения чужеродной ДНК. Классические методы отбора и гибридизации при этом не устарели.
Основные задачи и цели селекции
По прогнозам ФАО, к 2050 году население Земли достигнет 10 миллиардов человек. Ключевые задачи селекции:
-
Повышение урожайности, максимальная продуктивность при минимальных затратах ресурсов
-
Устойчивость к болезням и вредителям, снижение потерь и сокращение применения пестицидов
-
Улучшение качества продукции, содержание белка, масла, витаминов, вкусовые свойства
-
Адаптация к условиям среды, засухоустойчивые и морозостойкие сорта для изменяющегося климата
-
Сокращение вегетационного периода, расширение зон возделывания в северных регионах
Методы селекции в биологии
Все методы делятся на классические (отбор и гибридизация) и современные биотехнологические (мутагенез, полиплоидия, клеточная и генная инженерия). На практике их применяют в сочетании.
Искусственный отбор: массовый и индивидуальный
Искусственный отбор, целенаправленное сохранение и размножение особей с ценными признаками. Массовый отбор выделяет группу особей по фенотипу без учёта родословной; применяется у перекрёстноопыляемых растений. Индивидуальный отбор ведётся по генотипу с учётом потомства; ведёт к формированию генетически однородных чистых линий у самоопыляемых растений и в животноводстве.
Гибридизация: внутривидовая и отдалённая
Инбридинг (близкородственное скрещивание) повышает гомозиготность и закрепляет ценные признаки, но может вызвать инбредную депрессию. Аутбридинг (скрещивание неродственных особей) нередко даёт гетерозис, повышенную продуктивность гибридов первого поколения.
Отдалённая гибридизация скрещивает представителей разных видов или родов. Тритикале, первый искусственно созданный злак, гибрид пшеницы и ржи, сочетающий высокую урожайность с зимостойкостью. Стерильность исходных гибридов преодолели с помощью полиплоидии.
Мутагенез: индуцированные мутации в селекции
Зачем намеренно вызывать мутации? Естественная частота мутаций слишком мала для нужного разнообразия в разумные сроки. Мутагены делятся на физические (гамма-излучение, ультрафиолет), химические (алкилирующие агенты) и биологические (вирусы, транспозоны). Семена обрабатывают мутагеном, получают тысячи случайных изменений, затем отбирают единицы с нужными свойствами. По данным базы данных ФАО/МАГАТЭ, этим методом создано около 3400 сортов различных культур.
Полиплоидия и её значение
Полиплоидия, увеличение числа хромосомных наборов в клетке. Она решает три задачи: преодолевает барьер межвидовой нескрещиваемости, восстанавливает фертильность отдалённых гибридов и даёт более крупные продуктивные формы. Основной инструмент, колхицин, алкалоид, блокирующий расхождение хромосом при делении. Садовая земляника, октоплоид (8 наборов хромосом), мягкая пшеница, гексаплоид с 42 хромосомами.
Клеточная и генная инженерия
Клеточная инженерия работает с целыми клетками: культура тканей позволяет вырастить растение из одной клетки, соматическая гибридизация объединяет геномы разных видов. Генная инженерия переносит конкретные гены между эволюционно далёкими организмами. Ген инсулина человека введён в геном E. coli, которая производит гормон в промышленных масштабах. В геном хлопчатника введён ген бактерии Bacillus thuringiensis: Bt-хлопок устойчив к вредителям без инсектицидов.
Селекция растений, животных и микроорганизмов
Логика одна во всех трёх направлениях: отбери лучшее, закрепи признак в потомстве. Детали различаются существенно.
Особенности селекции растений
Самоопыляемые виды (пшеница, горох, томат) переводят в гомозиготное состояние принудительным самоопылением: через 5-7 поколений получается чистая линия. Вегетативное размножение сохраняет ценный генотип без расщепления признаков. ВИР в Санкт-Петербурге хранит более 320 000 образцов; Глобальное семенохранилище на Шпицбергене содержит резервные копии коллекций из более чем 90 стран.
Особенности селекции животных
Животных нельзя самооплодотворить: селекционер всегда работает с гетерозиготными особями. Поколения у крупного рогатого скота сменяются раз в 2-3 года, потомков от одной самки немного. Основной метод оценки производителя, испытание по потомству: самца скрещивают с группой самок, затем оценивают признаки дочерей. Лучшие голштинские коровы дают свыше 12 000 кг молока в год ( Holstein Association USA).
Особенности селекции микроорганизмов
Скорость, главное преимущество. Бактерия E. coli делится каждые 20 минут: за сутки можно получить тысячи поколений. Штаммы Penicillium notatum с многократно повышенной продуктивностью по пенициллину спасли десятки миллионов жизней. Методы: массовый отбор мутантов, индуцированный мутагенез, генная инженерия.
Закон гомологических рядов Вавилова
«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.», Н. И. Вавилов, 1920
Если у пшеницы найден ген карликовости, ищи его у ржи, ячменя и других злаков. Родственные виды несут гомологичные гены в схожем порядке на хромосомах: мутации дают сходные фенотипические эффекты. Для селекционера это превращает поиск нужных признаков из случайного перебора в целенаправленную работу.
Центры происхождения культурных растений
Центры происхождения, географические районы с максимальным разнообразием диких предков культурных видов. Здесь сосредоточен лучший исходный материал: формы с природной устойчивостью к болезням, засухе и морозу.
| Центр | Регион | Ключевые культуры |
|---|---|---|
| Южноазиатский тропический | Индия, Индокитай | Рис, сахарный тростник, огурец |
| Восточноазиатский | Китай, Япония, Корея | Соя, просо, гречиха |
| Юго-Западноазиатский | Передняя Азия, Кавказ | Пшеница, рожь, ячмень, виноград |
| Средиземноморский | Средиземноморье | Овёс, лён, свёкла, капуста |
| Эфиопский | Эфиопия | Кофе, сорго, твёрдая пшеница |
| Центральноамериканский | Мексика, Центральная Америка | Кукуруза, какао, тыква, фасоль |
| Южноамериканский | Перу, Боливия, Эквадор | Картофель, томат, табак |
| Средиземноморско-Переднеазиатский | Малая Азия | Мягкая пшеница, горох, чечевица |
Практическое значение селекции
Результаты селекции присутствуют в каждом приёме пищи, каждом курсе антибиотиков, каждом хлопковом изделии:
-
Продукты питания, все культурные сорта зерновых, овощей, фруктов
-
Медицина, инсулин, антибиотики, вакцины на основе отобранных штаммов
-
Текстиль, хлопок с длинным волокном, тонкорунные породы овец
-
Пищевая промышленность, дрожжи для хлебопечения, молочнокислые бактерии для йогурта
-
Экология, штаммы бактерий, разлагающие нефтяные загрязнения
В 1960-х годах Норман Борлоуг вывел карликовые высокоурожайные сорта пшеницы, адаптированные к условиям Азии и Латинской Америки. По оценке Нобелевского комитета (1970), эта работа предотвратила массовый голод для сотен миллионов людей. В 1970 году Борлоуг получил Нобелевскую премию мира.
Заключение
Селекция объединяет строгость генетики, творчество экспериментатора и ответственность перед следующими поколениями. Вавилов называл её «эволюцией, направляемой волей человека»: человек берёт на себя роль, которую в природе играет естественный отбор, но действует быстрее и с конкретной целью.
Итоговые тезисы: Селекция опирается на генетику как теоретическую основу. Основные методы: искусственный отбор, гибридизация, мутагенез, полиплоидия, клеточная и генная инженерия. Вавилов заложил теоретические основы научной селекции. Будущее науки, в сочетании классических методов с геномными технологиями для решения задач продовольственной безопасности.
Часто задаваемые вопросы
1. Что такое селекция в биологии, кратко?
Селекция, наука о методах создания новых и улучшения существующих сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов с признаками, ценными для человека. Теоретическая основа, генетика. Главный инструмент, искусственный отбор. Вавилов определял её как «эволюцию, направляемую волей человека».
2. Чем отличается искусственный отбор от естественного?
Естественный отбор сохраняет признаки, повышающие выживаемость в среде, и действует тысячи поколений. Искусственный проводит человек: он закрепляет хозяйственно ценные признаки за годы или десятилетия. Цель и движущая сила принципиально различны.
3. Что такое гетерозис в селекции?
Гетерозис, явление, при котором гибриды первого поколения превосходят обоих родителей по продуктивности или жизнеспособности. Возникает при скрещивании генетически различающихся линий. Широко используется в селекции кукурузы, подсолнечника и птицы. В следующих поколениях эффект ослабевает.
4. Какой вклад внёс Вавилов в развитие селекции?
Вавилов открыл закон гомологических рядов в наследственной изменчивости, создал учение о мировых центрах происхождения культурных растений и собрал коллекцию около 250 000 образцов семян к 1940 году. Его труды остаются фундаментом современной растениеводческой науки.
5. Опасны ли ГМО-организмы?
Одобренные ГМО-продукты проходят многолетние испытания на безопасность. Научный консенсус ВОЗ и Национальных академий наук США состоит в том, что одобренные ГМО-продукты не несут доказанного вреда для здоровья человека.
6. Чем занимается селекционер?
Селекционер разрабатывает программы создания новых сортов, пород или штаммов: подбирает исходный материал, планирует скрещивания, оценивает потомство по фенотипу и генотипу, отбирает лучшие формы. Современный специалист также работает с молекулярными маркерами и базами данных геномов.
7. Что такое сорт, порода и штамм?
Сорт, искусственно созданная совокупность растений с наследственно закреплёнными признаками. Порода, то же самое для домашних животных. Штамм, клон микроорганизмов с генетически устойчивыми свойствами. Все три категории созданы человеком и не являются самостоятельными биологическими видами.
8. Каковы основные методы селекции?
Классические методы: искусственный отбор (массовый и индивидуальный) и гибридизация (внутривидовая и отдалённая). Современные: индуцированный мутагенез, полиплоидия, клеточная инженерия (культура тканей, соматическая гибридизация) и генная инженерия. На практике классические и современные методы применяют в сочетании.
9. Что такое закон гомологических рядов Вавилова?
Закон 1920 года: генетически близкие виды характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости. Зная мутации одного вида, можно предсказать их наличие у родственных видов. Это позволяет целенаправленно искать нужные признаки у диких родичей культурных растений.
10. Чем отличается селекция растений от селекции животных?
У растений возможно самоопыление и вегетативное размножение: чистые линии получают за 5-7 поколений. Животных нельзя самооплодотворить, поколения сменяются медленно, потомков мало. Поэтому в животноводстве применяют испытание по потомству и тщательный учёт родословных.
