Селекция растений животных и микроорганизмов

Сортоизучение и сортоиспытание

Сортоизучение подразумевает под собой исследование местных и завезенных видов винограда в производственных условиях методом экспедиционного обследования. Также при этом используется коллекционный метод. В коллекции собираются сорта среди местных и завезенных, а затем высаживается каждый по 10-20 кустов. После изучения выделяют лучшие виды, которые соответствуют направленности выращивания и природным условиям местности.

Далее избранные сорта передаются в производственное сортоиспытание и государственную сортоведческую сеть. На испытательных участках выбранной местности высаживаются подобранные сорта в соответствии с конкретной производственной задачей. По результатам испытаний в стандартный сортимент конкретного района вводятся ценные виды и исключаются менее пригодные. Также сортоиспытание осуществляет районирование новых виноградных сортов.

Суть сортоиспытательных действий — улучшение стандартного набора виноградных видов, подбор винограда для новой местности и районирование новых сортов.

Вклад Н.И. Вавилова в развитие селекции

Селекция — это комплексная наука, теоретической основой которой является генетика.

Основоположником теоретической селекции является Н.И. Вавилов, который и определил основные задачи этой науки. 

Н.И. Вавилов

с 1924 и по 1939 годы Н.И. Вавилов организовал 180 экспедиций с целью изучения многообразия и географического распространения культурных растений. В ходе экспедиций было собрано более 250 000 образцов растений из различных регионов земного шара, которые до сих пор используются в качестве исходного материала для выведения новых сортов растений. Экспедиции позволили Вавилову выявить мировые очаги (центры происхождения) культурных растений.

Советский ботаник Николай Вавилов на основе теоретической базы генетики обосновал практические основы селекции. Он много путешествовал и собирал семена редких и продуктивных растений в разных уголках земного шара. Результатом стало создание уникальной коллекции семян – база для получения новых сортов культурных растений.

Важным открытием Н.И. Вавилова стали центры происхождения культурных растений. Данные ученый собирал и систематизировал после экспедиций по регионам мира. Идеи о существовании регионов или областей, где выведены культурные растения далекими предками, были выдвинуты Ч. Дарвином. Он утверждал, что остатки окультуренных форм во всем генетическом разнообразии сохранились в диком виде. Николай Вавилов поддержал и доказал верные выводы, сделанные Ч. Дарвином. Проведя практические исследования, он выделил 7 центров происхождения культурных растений.

Селекция животных: методы

В этой области науки разрабатываются и изучаются наиболее результативные способы, позволяющие выводить новые породы домашних животных и улучшать уже существующие.

Селекция животных имеет свою специфику, которая связана с тем, что, у животных отсутствует способность размножаться вегетативным и бесполым путем. Для них характерно только половое размножение. Из данного обстоятельства вытекает и то, что для выведения потомства особь должна достигнуть половой зрелости, а это влияет на сроки исследований. Также возможности селекции ограничиваются и тем, что, как правило, потомство особей является немногочисленным.

Основными методами выведения новых пород животных, как и сортов растений, можно назвать отбор и гибридизацию.

Селекция животных, направленная на выведение новых пород, чаще всего использует не массовый, а индивидуальный отбор. Это обусловлено тем, что уход за ними более индивидуализирован по сравнению с уходом за растениями. В частности, за поголовьем скота численностью 100 особей ухаживает порядка 10 человек. Тогда как на площади, где произрастают сотни и тысячи растительных организмов, работают от 5 до 8 селекционеров.

Центры происхождения

  1. Южноазиатский (рис, сахарный тростник, баклажан, кокосовое пальмы и др.).
  2. Восточноазиатский (просо, гречиха, груши, яблони, сливы, ряда цитрусовых).
  3. Юго-западно-азиатский (мягкая пшеница, карликовая пшеница, горох, чечевица, конские бобы, хлопчатник).
  4. Средиземноморский (маслины, свекла, капуста и др.).
  5. Центральноамериканский (кукуруза, американская фасоль, тыква, перец, какао, американский хлопчатник).
  6. Южно-американский (картофель, табак, ананас, арахис).
  7. Абиссинский (эфиопский) (твердая пшеница, ячмень, кофейное дерево).

В каждом центре берут происхождение растения, которые выращивались в древних цивилизациях. Ученый доказал, что часть растений в древности окультурена в горных областях тропиков, субтропиков и умеренного пояса. Их семена Николай Вавилов привез в Россию, что стало толчком для дальнейшего развития селекции и создания новых сортов.

Н.И. Вавилов был не только практиком, он полностью владел теоретической базой генетики и создал закон гомологических рядов. С сообщением ученый выступил на III Всероссийском съезде селекционеров в 1920 году. Суть закона состоит в следующем: близкие роды и виды обладают сходными чертами наследственной изменчивости.

В основе закона лежит степень исторического родства, которое пропорционально количеству общих генов. Отсюда вытекает возможность сходных мутаций, что проявляется в фенотипе (внешнем облике) похожими изменениями. Благодаря выявленным, в близкородственных группах, сочетанием признаков, можно предвидеть существование новых, еще неизвестных науке видов.

Закон представляет собой не только теорию, он подтвержден практическими опытами. Например, если известны арбузы круглой и продолговатой формы, то такие же признаки есть  и у дыни. Если у пшеницы колос желтый, красный, серый, то и у ржи будут выражены такие же цвета. Позже было доказано, что закон действует и в отношении животного царства.

Учение Н. И. Вавилова о центрах происхождения и многообразия культурных растений

Н.И.Вавилов
(1887 — 1943)

Селекция — 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:

  1. Изучения сортового, видового и родового разнообразия интересующей нас культуры;

  2. Влияния среды на развитие интересующих селекционера признаков;

  3. Изучения наследственной изменчивости;

  4. Знаний закономерностей наследования признаков при гибридизации;

  5. Особенностей селекционного процесса для само- или перекрестноопылителей;

  6. 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, с этой целью Н.И.Вавиловым была собрана коллекция сортов культурных растений и их диких предков со всего земного шара. К 1940 году во Всесоюзном институте растениеводства насчитывалось 300 тыс. образцов. Но с позиций лысенковщины, занявшей в то время руководящие позиции в биологической науке России и считавшей, что определяющую роль в создании новых форм играет окружающая среда, эта коллекция была не нужна. Работы по пополнению коллекции были прекращены. В настоящее время коллекция пополняется и является основой для работ по селекции любой культуры.

Н.И.Вавилов установил центры происхождения культурных растений, где находится наибольшее видовое и сортовое многообразие культурных растений.

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

Центры происхождения

Местоположение

Культивируемые растения

1. Южноазиатский тропический

2. Восточноазиатский

3. Юго-Западноазиат-ский

4. Средиземноморский

5. Абиссинский

6. Центральноамериканский

7. Южноамериканский

Тропическая Индия, Индокитай, о-ва Юго-Восточной Азии

Центральный и Восточный Китай, Япония, Корея, Тайвань

Малая Азия, Средняя Азия, Иран, Афганистан, Юго-Западная Индия

Страны по берегам Средиземного моря

Абиссинское нагорье Африки

Южная Мексика

Западное побережье Южной Америки

Рис, сахарный тростник, цитрусовые, баклажаны и др. (50% культурных растений)

Соя, просо, гречиха, плодовые и овощные культуры — слива, вишня и др. (20% культурных растений)

Пшеница, рожь, бобовые культуры, лен, конопля, репа, чеснок, виноград и др. (14% культурных растений)

Капуста, сахарная свекла, маслины, клевер (11% культурных растений)

Твердая пшеница, ячмень, кофейное дерево, бананы, сорго

Кукуруза, какао, тыква, табак, хлопчатник

Картофель, ананас, хинное дерево.

Наиболее богатыми по количеству культур являются древние центры цивилизации, именно там наиболее ранняя культура земледелия, более длительное время проводится искусственный отбор и селекция растений.

Одомашнивание растений и животных

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 растений 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 расширило 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.

Методы

Перед проведением селекционных работ необходимо отобрать правильные образцы растений. Наиболее распространённые способы отбора: индивидуальный и массовый. Первичный материал оценивается по следующим характеристикам:

  • генетическим;
  • биологическим;
  • иммунологическим;
  • эколого-географическому происхождению;
  • хозяйственным особенностям.

Методы селекции классифицируются на:

  • массовый посев семян, полученных при естественном опылении;
  • вегетативная гибридизация;
  • искусственная гибридизация;
  • фитосанитарная селекция;
  • клоновая селекция.

Удачная селекция напрямую зависит от выбора исходного материала и метода.

Массовый посев семян

Данный метод наиболее старый — он использовался c XVIII века. Позволяет одновременно высадить много семян сорта, а затем искусственным путем отобрать наиболее качественные саженцы. Метод получил широкое применение среди исследователей в области селекции благодаря своей простоте. Он широко используется и в современности при селекционных работах.

Особенности выращивания винограда из косточки описаны тут.

Искусственная половая гибридизация

Данный метод наиболее применяемый при селекции винограда. Он основывается на искусственном подборе родительских саженцев. Это повышает шансы наследования необходимых характеристик. Благодаря такому скрещиванию можно получить виноград с уникальными качествами. При гибридизации используется система ступенчатого отбора, которая позволяет создавать базы качественного селекционного материала.

Вегетативная селекция

Селекционная работа проводится путем прививки выбранного сорта к кусту винограда. Данный метод имеет ограниченную передачу генов между привоем и подвоем. Таким образом, при «вегетативной гибридизации» растение наследует лишь часть характеристик от прививочного сорта винограда.

Как прививать виноград весной расскажет эта статья.

Клоновая

Смыслом клоновой селекции является отделение и последующее изучение различных клонов, составляющих исследуемый сорт винограда, и размножение самых ценных среди них. С этой целью отбираются кусты известных стандартных видов, характеризующихся высоким плодородием и приносящие доброкачественный виноград.

Признаки и свойства, проявление которых вызвано методиками агротехники и влиянием окружающей среды, не считаются клоновыми.

Ранняя селекция растений

Одомашнивание

На этой карте показаны места одомашнивания ряда сельскохозяйственных культур. Места, где изначально выращивались сельскохозяйственные культуры, называются центрами происхождения.

Одомашнивание растений — это искусственный процесс отбора, проводимый людьми для получения растений, которые имеют более желательные черты, чем дикие растения, и который делает их зависимыми от искусственной, обычно улучшенной среды для их дальнейшего существования. Считается, что эта практика насчитывает 9–11000 лет. Многие культуры, выращиваемые в настоящее время, являются результатом одомашнивания в древние времена, около 5000 лет назад в Старом Свете и 3000 лет назад в Новом Свете . В период неолита одомашнивание занимало минимум 1000 лет и максимум 7000 лет. Сегодня все основные продовольственные культуры происходят из одомашненных сортов. Почти все одомашненные растения, используемые сегодня для производства продуктов питания и ведения сельского хозяйства, были одомашнены в центрах происхождения . В этих центрах все еще существует большое разнообразие близкородственных дикорастущих растений, так называемых диких родственников сельскохозяйственных культур , которые также могут быть использованы для улучшения современных сортов путем селекции растений.

Растение, происхождение или отбор которого обусловлено, главным образом, преднамеренной деятельностью человека, называется культигеном , а культурный вид сельскохозяйственных культур , который произошел от диких популяций из-за давления отбора со стороны традиционных фермеров , называется ландрасом . Ландрасы, которые могут быть результатом природных сил или одомашнивания, — это растения или животные , идеально подходящие для определенного региона или окружающей среды. Примером являются староместные сорта риса , подвид Oryza sativa indica , который был выведен в Южной Азии , и подвид Oryza sativa japonica , который был выведен в Китае .

Для получения дополнительной информации о механизмах одомашнивания см. Гибрид (биология) .

Колумбийская биржа

Люди веками торговали полезными растениями из далеких стран, и охотники за растениями были посланы, чтобы вернуть растения для выращивания. Человеческое сельское хозяйство дало два важных результата: растения, которые больше всего любили люди, стали выращивать во многих местах, и (2) сады и фермы предоставили растениям некоторые возможности для скрещивания, которые были бы невозможны для их диких предков. Прибытие Колумба в Америку в 1492 году вызвало беспрецедентный перенос растительных ресурсов между Европой и Новым Светом .

Пространственная и временная изоляция при скрещивании

При скрещивании перекрестноопыляющихся культур можно применять пространственную изоляцию: растения выращиваются на разных, удаленных от растений данного сорта, участках. К таким культурам относятся морковь, капуста, свекла и др.

Скрещивание перекрестноопыляющихся культур на изолированных участках намного минимизирует трудозатраты: опыление происходит естественным путем – ветром или насекомыми. Кроме того, на одном изолированном участке возможно размесить несколько растений одного сорта, таким образом, увеличив число полученных гибридных семян. Существенный недостаток такого метода состоит в невозможности полностью исключить попадание посторонней пыльцы. Кроме того, при естественном перекрестном опылении примерно половина растений оказывается оплодотворена пыльцой своего сорта.

В регионах с теплым климатом, где период вегетации достаточно продолжителен, для растений с быстро отцветающими цветками можно использовать изоляцию во временных интервалах: на одном и том же участке проводятся разные комбинации скрещивания. Разные сроки цветения исключают незапланированное переопыление.

В селекционной практике при отсутствии достаточного пространства для организации отдельных участков применяются изоляционные сооружения:

  • Конструкция выполняется в виде каркаса, который обтягивается легкой прозрачной тканью.
  • Для изоляции отдельных побегов или соцветий изготавливаются небольшие «домики» из пергаментной бумаги или марли, которыми обтягивают каркас из проволоки.

Для растений, опыляемых насекомыми, при сооружении изоляторов лучше использовать такие материалы, как батист или марля, для ветроопыляемых культур – пергаментную бумагу.

Отбор

Сравнительная характеристика естественного и искусственного отбора, их отличия и схожесть отражены в таблице.

Критерии

Искусственный отбор

Естественный отбор

Звено, осуществляющее отбор

Проводит селекционер

Осуществляется под влиянием окружающей среды

Ценные характеристики

Отслеживаются, закрепляются

Совершенствуются в процессе эволюции, наследственная передача

В роли материала выступает

Индивидуальный признак или признаки

Индивидуальный признак или признаки

Характеристики, не несущие ценности

Выбраковываются в процессе отбора

Выбраковываются в процессе борьбы за существование

Основные задачи, диктующие необходимость отбора

Сохранением свойств полезных человеку

Приспособлением растения, животного, микроорганизма к меняющимся условиям существования

Цель отбора

Получение новых штаммов, сортов, пород

Видообразование

Форма отбора

Проводимый индивидуально; проводимый массово;

бессознательный (стихийный);

методический (сознательный)

При изменении внешних условий – движущий, при постоянных условиях направлен на сохранение и закрепление признака – стабилизирующий.

Массовый отбор сопровождается выделением организмов, интересующих человека по своим внешним фенотипическим параметрам. Генотип при этом не учитывается. Этот метод применяют издревле, что обусловлено сохранением генетической устойчивости пород и сортов на протяжении ряда лет. Это позволяет выводить сорта с высокой урожайностью.

Если отбор выполняют, учитывая влияние генотипа – совокупности генов одного организма, говорят об индивидуальном отборе

Фенотип здесь не учитывают, основное внимание здесь отводят проявлению признака в поколениях. Оценка по потомству – необходимый прием индивидуального отбора.

Задача селекции

Селекция винограда позволяет совершенствовать базовые сорта, а также, скрещивая их, создавать новые виноградные виды. Благодаря тому, что отбор проводится искусственно (человеком), можно выводить сорта, которые соответствуют местам их будущего выращивания. В процессе селективных работ из растения исключаются слабые характеристики.

Из-за этого виноградные кусты становятся более устойчивыми к внешним негативным факторам, заболеваниям, а также повышается качество урожая. Селекция позволяет создавать уникальные вкусы ягод, путем скрещивания между собой необычных виноградных сортов. Эта задача особенно важна в виноделии, так как такой виноград позволяет производить неповторимые напитки.

Благодаря селекционным работам появились морозоустойчивые сорта винограда.

Какие семена сажают в России

В 2018 году ученые из Омского государственного аграрного университета вывели сорт пшеницы «Сова» с фиолетовыми зернами. Она содержит много антиоксидантов и богата антоцианами, которые придают зернам необычный цвет и помогают бороться с воспалительными процессами. Новый сорт устойчив к засухе и вредителям и не требует обработки химикатами.

Над выведением «Совы» исследователи работали около десяти лет. После трехлетних испытаний ее внесут в государственный реестр, ожидают селекционеры.

Всего в реестре сортов, допущенных к использованию на территории России, около 25 тыс. наименований. Но в промышленных масштабах используется только малая часть. При этом пшеница — единственная из ключевых сельхозкультур, производство которой опирается на разработки российских селекционеров.

По другим культурам ситуация совсем другая. За 2009-19 годы в российском АПК резко выросла доля семян зарубежной селекции, выяснили авторы исследовательского проекта «Селекция 2.0». Его подготовили эксперты из Института права и развития ВШЭ-Сколково, Международного центра конкурентного права и политики ВШЭ-Сколково и Центра технологического трансфера НИУ ВШЭ при поддержке Федеральной антимонопольной службы. Основные выводы доклада представили на круглом столе в «Российской газете».

По данным исследователей, доля иностранной селекции по кукурузе за последние десять лет увеличилась с 37 до 58%, по подсолнечнику — с 53% до 73%. Выше всего показатель по сахарной свекле: 98% площадей засеяно зарубежными сортами.

«Если ничего не менять, пшеница с высокой вероятностью повторит траекторию развития других культур», — прогнозируют авторы доклада. По их словам, пока глобальные компании мало вкладывались в биотехнологическую селекцию пшеницы: у этой культуры сложный геном, который ученые расшифровали только в 2018 году.

Но теперь селекционные программы по пшеницы будут обновляться. Это может поставить под угрозу в том числе позиции РФ как экспортера зерновых, предостерегают участники рынка.

Эдуард Зернин, предправления Союза экспортеров зерна:

«Россия держит лидерство на мировом рынке пшеницы в условиях жесткой конкурентной борьбы. И хотя некоторые страны — вчерашние лидеры — сфокусировали свое производство на более маржинальных культурах (в первую очередь, сое и кукурузе), мы чувствуем серьезное давление со стороны Австралии, особенно на рынках Юго-Восточной Азии, а также Аргентины. Обе страны имеют благоприятное расположение, которое в условиях глобального изменения климата начинает играть критическую роль.

Более того, в 2020 году Аргентина первой в мире одобрила коммерческое производство засухоустойчивой генно-модифицированной пшеницы. Это может привести к революционному переделу рынка, если Аргентина сможет существенно нарастить объемы производства и снизить себестоимость. Крупнейшие мировые потребители озабочены скорее ценой, чем качеством закупаемого зерна.

К слову, Китай, крупнейший производитель пшеницы в мире, недавно принял решение в направлении индустриального применения биотехнологий в селекции растений. Похоже, в долгосрочной перспективе коммерческая адаптация ГМО-культур станет главной угрозой нашим лидирующим позициям на мировом рынке пшеницы».

Особенности селекции животных

Селекция домашних питомцев началась около 12 тысяч лет назад.Данный процесс имеет ряд особенностей:

  • размножение происходит только половым путём;
  • оценивание качества происходит по потомству;
  • у некоторых видов поколение меняется спустя несколько лет;
  • немногочисленное количество потомства.

Изначально отбор животных происходил бессознательно, позднее люди стали целенаправленно отбирать лучших представителей вида для получения определённых качеств породы. Селекция, как наука, возникла на базе анализа и обобщенного опыта многих поколений по выведению новых пород.

Работа селекционеров имеет несколько направлений:

  • Сочетание выносливости к окружающим условиям природной зоны и продуктивностью;
  • Улучшение качественных показателей (соотношение мяса и жира, жирномолочность, качество шерсти и т.д.);
  • Породы с интенсивным ростом, которые помогают экономить затраты;
  • Способность противостоять заболеваниям.

Полиплоидия

Явление полиплоидии в селекции характерно для растений. При этом происходит увеличение числа хромосом в два, три и более раз. Это количество или кратность носит название плоидности. Подвергаются последней как соматические, содержащие двойной набор хромосом, так и половые с одинарным. Причем гаплоидные клетки (одинарные) не имеют идентичной хромосомной пары по сравнению с соматическими (диплоидными).

Причины полиплоидии различны:

  1. Изменение температурного режима.

  2. Излучение.

  3. Нарушение расхождения хромосом при митотическом и мейотическом делении. Например, вместо клетки, содержащей генетический материал от материнской и отцовской – диплоидной, формируется структура с тетраплоидным набором (содержащей хромосомы в удвоенном количестве).

Если число хромосом превышает исходное в три и более раз, говорят о геномных мутациях – эуплоидии. Участки, ответственные за передачу наследственной информации, могут кратно возрастать при скрещивании разных видов. Это аллополиплоидия. Последняя направлена на создание новых культур. Полиплоидные организмы обладают большей массой, объемом, но зачастую низкой плодовитостью.

Отбор исходного генетического материала

Селекция животных, растений и микроорганизмов может быть результативной только при условии тщательного отбора исходного материала. То есть правильность выбора исходных пород, сортов, видов обусловлена изучением их происхождения и эволюции в контексте тех свойств и признаков, которыми нужно наделить предполагаемый гибрид. В поиске нужных форм в строгой последовательности учитывается весь мировой генофонд. Так, первоочередным является использование местных форм с необходимыми признаками и свойствами. Далее осуществляется привлечение форм, произрастающих в других географических или климатических зонах, то есть используются методы интродукции и акклиматизации. В последнюю очередь прибегают к методам экспериментального мутагенеза и генетической инженерии.