Селекція і генетика: визначення, поняття, етапи еволюції, методи розвитку й особливості застосування

Здавна людство займається добором відповідних для задоволення потреб населення рослинних культур і тварин. Ці знання об’єднані в науку – селекцію. Генетика, в свою чергу, дає основу для проведення більш ретельного відбору та виведення нових сортів і порід, яким притаманні особливі якості. У статті розглянемо опис цих двох наук і особливості їх застосування.

Що таке генетика?

Наукою про генах називається дисципліна, яка вивчає процес передачі спадкової інформації і мінливість організмів крізь покоління. Генетика – теоретична основа селекції, поняття якої описано нижче.

До завдань науки належать:

• Дослідження механізму зберігання і передачі інформації від предків до нащадків.
• Вивчення реалізації такої інформації в процесі індивідуального розвитку організму з урахуванням впливу навколишнього середовища.
• Вивчення причин і механізмів мінливості живих організмів.
• Визначення взаємозв’язку відбору, варіативності і спадковості як чинників розвитку органічного світу.

Наука також бере участь у вирішенні практичних завдань, в чому виявляється значення генетики для селекції:

• Визначення ефективності відбору та вибір найбільш прийнятних типів гібридизації.
• Контроль розвитку спадкових факторів з метою удосконалення об’єкта до отримання більш значущих якостей.
• Отримання спадково змінених форм штучним шляхом.
• Розробка заходів, спрямованих на захист навколишнього середовища, наприклад від впливу мутагенів, шкідників.
• Боротьба зі спадковими патологіями.
• Досягнення прогресу у створенні нових способів селекції.
• Пошук інших методів генної інженерії.

Об’єктами науки є: бактерії, віруси, людина, тварини, рослини і гриби.

Основні поняття, що застосовуються в науці:

• Спадковість – властивість збереження і передачі нащадкам генетичної інформації, притаманне всім живим організмам, яке не можна відняти.
• Ген – частина молекули ДНК, яка відповідає за певну якість організму.
• Мінливість – здатність живого організму набувати нові якості і втрачати старі в процесі онтогенезу.
• Генотип – сукупність генів, спадкова основа організму.
• Фенотип – сукупність якостей, які організм набуває в процесі індивідуального розвитку.

Етапи розвитку генетики

Розвиток генетики і селекції пройшло кілька етапів. Розглянемо періоди становлення науки про генах:

До 20-го століття дослідження в області генетики носили абстрактний характер, вони не мали практичної бази, а базувалися на спостереженнях. Єдиною передовий роботою того часу стало дослідження Р. Менделя, опубліковане в «Працях товариства натуралістів». Але досягнення не набуло широкого поширення і було незатребуваним до 1900 року, поки троє вчених не виявили схожість своїх дослідів з дослідженням Менделя. Саме цей рік став вважатися часом зародження генетики.

Приблизно в 1900-1912 роках вивчалися закони спадковості, виявлені при гибридологических дослідах, які проводилися на рослинах і тварин. У 1906 році англійським вченим Ст. Ватсоном було запропоновано введення понять «ген» і «генетика». А через 3 роки Ст. Иоганнсен – датський вчений – запропонував ввести поняття «фенотип» і «генотип».

Приблизно в 1912-1925 роках американським вченим Т. Морганом і його учнями була розроблена хромосомна теорія спадковості.

Приблизно у 1925-1940 роках вперше були отримані зразки мутацій. Російські дослідники Р. А. Надсон і Р. С. Філіппов відкрили вплив гамма-випромінювання на появу мутують генів. С. С. Четвериков вніс внесок у розвиток науки, виділивши генетико-математичні методи вивчення мінливості організмів.

З середини 20-го століття до наших днів проводяться дослідження генетичних змін на молекулярному рівні. В кінці 20-го століття була створена модель ДНК, визначено сутність гена і розшифрований генетичний код. У 1969 році вперше здійснено синтезування простого гена, а пізніше він був введений в клітку і досліджено зміну її спадковості.

Методи генетичної науки

Генетика, як теоретична основа селекції, користується в своїх дослідженнях певними методами.

До них відносяться:

• Метод гібридизації. Ґрунтується на схрещуванні видів з чистою лінією, які відрізняються по одному (максимум кількома) ознаками. Мета – отримання гібридних поколінь, що дозволяє аналізувати характер успадкування ознак і розраховувати на отримання потомства з необхідними якостями.
• Метод генеалогії. Ґрунтується на аналізі генеалогічного древа, що дозволяє простежити передачу генетичної інформації крізь покоління, пристосованість до захворювань, а також скласти характеристику цінності особини.
• Близнецовый метод. Ґрунтується на порівнянні монозиготных особин, застосовується при необхідності встановлення ступеня впливу паратипових факторів при ігноруванні відмінностей в генетиці.
• Цитогенетичний метод ґрунтується на проведенні аналізу ядра і внутрішньоклітинних компонентів, порівнянні отриманих результатів з нормою за такими параметрами: число хромосом, число їх плечей і особливості будови.
• Метод біохімії ґрунтується на вивченні функцій і будови певних молекул. Наприклад, застосування різних ферментів використовується у біотехнології і генної інженерії.
• Біофізичний метод ґрунтується на дослідженні поліморфізму білків плазми, наприклад молока або крові, що дає інформацію про різноманітність популяцій.
• Моносомый метод в якості основи використовують гібридизацію соматичних клітин.
• Феногенетический метод ґрунтується на вивченні впливу генетичних і паратипових факторів на розвиток якостей організму.
• Популяційно-статистичний метод ґрунтується на застосуванні математичного аналізу в біології, що дозволяє проаналізувати кількісні ознаки: розрахунок середніх величин, показників мінливості, статистичних помилок, кореляцію та інші. Використання закону Харді-Вайнберга допомагає в аналізі генетичної структури популяції, рівня поширення аномалій, а також простежити мінливість популяції при застосуванні різних варіантів відбору.

Що таке селекція?

Селекцією називається наука, що вивчає методи створення нових сортів і гібридів рослин, порід тварин. Теоретичною основою селекції є генетика.

Мета науки – удосконалення якостей організму або отримання в ньому властивостей, необхідних людині, шляхом впливу на спадковість. За допомогою селекції не можуть бути створені нові види організмів. Селекцію можна вважати однією з форм еволюції, в якій присутній штучний відбір. Завдяки їй людство забезпечено продовольством.

Основні завдання науки:

• якісне поліпшення особливостей організму;
• підвищення продуктивності та врожайності;
• підвищення стійкості організмів до захворювань, шкідників, змін кліматичних умов.

Особливістю є комплексність науки. Вона тісно пов’язана з анатомією, фізіологією, морфологією, систематикою, екологією, імунологією, біохімією, фитопатологией, рослинництвом, тваринництвом і безліччю інших наук. Значущими є знання про запліднення, запилення, гістології, ембріології та молекулярної біології.

Досягнення сучасної селекції дозволяють управляти спадковістю та мінливістю живих організмів. Значення генетики для селекції та медицини відображається у цілеспрямованому контролі наступності якостей і можливостей отримання гібридів рослин і тварин для задоволення потреб людини.

Етапи розвитку селекції

Здавна людина займався розведенням і добором рослин і тварин сільськогосподарського призначення. Але така робота ґрунтувалася на спостереженні і інтуїції. Розвиток селекції і генетики відбувалося практично одночасно. Розглянемо етапи становлення селекції:

В період розвитку рослинництва і тваринництва селекція стала носити масовий характер, а становлення капіталізму призвело до селективним робіт на рівні промисловості.

В кінці 19-го століття німецький вчений Ф. Ахард провів дослідження і прищепив цукрових буряках якість по збільшенню врожайності. Англійські селекціонери П. Ширеф і Ф. Галлета займалися вивченням сортів пшениці. У Росії було створено «Полтавське дослідне поле», де проходили дослідження сортового складу пшениці.

Селекція як наука почала розвиватися з 1903 року, коли була організована селекційну станцію при Московському сільськогосподарському інституті.

До середини 20-го століття були здійснені такі відкриття: закон спадкової мінливості, теорію центрів походження рослин культурного призначення, еколого-географічні принципи селекції, отримані знання про вихідному матеріалі рослин і їх імунітет. Створений Всесоюзний інститут прикладної ботаніки і нових культур під керівництвом Н. В. Вавілова.

Дослідження з кінця 20-го століття і до наших днів носять комплексний характер, селекція тісно взаємодіє з іншими науками, особливо з генетикою. Були створені гібриди з високою агроекологічної адаптацією. Сучасні дослідження приділяють увагу отримання високої продуктивності у гібридів і протистояння біотичних і абіотичних стрессорам.

Методи селекції

Генетика розглядає закономірності передачі спадкової інформації і способи управління таким процесом. У селекції використовуються знання, отримані від генетики, та застосовуються інші методи для оцінки організмів.

Основними з них є:

• Метод відбору. У селекції застосовується природний і штучний (несвідомий або методичний) відбір. Також може відбиратися конкретний організм (індивідуальний відбір) або їх група (масовий відбір). Визначення виду відбору грунтується на особливостях розмноження тварин і рослин.
• Гібридизація дозволяє отримати нові генотипи. У методі виділяють внутрішньовидову (схрещування відбувається всередині одного виду) і межвидовую гібридизацію (схрещування різних видів). Проведення інбридингу дозволяє закріпити спадкові властивості при зниженні життєздатності організму. Якщо у другому чи подальших поколіннях проводиться аутбридинг, то селекціонер отримує високоврожайні та стійкі гібриди. Встановлено, що при віддаленому схрещуванні потомство безплідно. Тут значення генетики для селекції виражається в можливості дослідження генів і впливу на плодючість організмів.
• Поліплоїдія – процес збільшення хромосомних наборів, який дозволяє домогтися народжуваності у безплідних гібридів. Помічено, що деякі культурні рослини після поліплоїдії мають більш високу народжуваність, ніж їх споріднені види.
• Індукований мутагенез – штучно викликаний процес мутацій організму після обробки його мутагеном. Після закінчення мутації селекціонер отримує інформацію про вплив фактора на організм і придбання їм нових якостей.
• Клітинна інженерія призначена для конструювання кліток нового типу з допомогою культивування, реконструкції та гібридизації.
• Генна інженерія дозволяє виділяти і досліджувати гени, проводити з ними маніпуляції з метою удосконалення якостей організмів і виведення нових видів.

Рослини

У процесі вивчення росту, розвитку та виділення корисних властивостей рослин генетика і селекція тісно взаємопов’язані. Генетика в сфері аналізу життєдіяльності рослин займається питаннями вивчення особливостей їх розвитку та генів, які забезпечують нормальне формування, а також функціонування організму.

Наука вивчає такі напрямки:

• Розвиток одного конкретного організму.
• Контроль сигнальних систем рослини.
• Експресія генів.
• Механізми взаємодії клітин і тканин рослини.

Селекція, в свою чергу, забезпечує створення нових або поліпшення якостей існуючих видів рослин на підставі знань, отриманих за допомогою генетики. Наука вивчається і успішно використовується не тільки фермерами і садівниками, але і селекціонерами в дослідницьких організаціях.

Застосування досягнень генетики у селекції і насінництві дає можливість прищепити рослинам нові якості, які можуть бути корисні в різних сферах людського життя, наприклад, в медицині та кулінарії. Також знання про генетичні особливості дозволяють отримати нові сорти культур, які можуть рости в інших кліматичних умовах.

Завдяки генетики селекції застосовується метод схрещування та індивідуального відбору. Розвиток науки про генах дозволяє застосовувати в селекції такі методи, як поліплоїдія, гетерозис, експериментальний мутагенез, хромосомна і генна інженерія.

Світ тварин

Селекція і генетика тварин – розділи наук, які займаються вивченням особливостей розвитку представників тваринного світу. Завдяки генетиці людина отримує знання про спадковість, генетичні особливості та мінливості організму. А селекція дозволяє відібрати для використання тільки тих тварин, якості яких необхідні людині.

Здавна люди проводять відбір тварин, які, наприклад, більше підходять для використання в сільському господарстві або полювання. Велике значення для селекції мають господарські ознаки і екстер’єр. Так, тварини господарського призначення оцінюються по зовнішньому вигляду і якості їх потомства.

Застосування знань генетики селекції дозволяє контролювати потомство тварин і їх необхідні якості:

• стійкість до вірусів;
• збільшення удою;
• розмір особини і статура;
• терпимість до клімату;
• плодючість;
• стать приплоду;
• усунення спадкових порушень у нащадків.

Селекція тварин набула поширення не тільки в цілях задоволення першочергових потреб людини в харчуванні. Сьогодні можна спостерігати безліч домашніх порід тварин, виведених штучно, а також гризунів і риб, наприклад гуппі. Селекція і генетика в тваринництві використовують такі методи: гібридизація, штучне осіменіння, експериментальний мутагенез.

Селекціонери і генетики часто стикаються з проблемою нескрещиваемости видів серед першого покоління гібридів і значним зниженням плодючості нащадків. Сучасні вчені активно вирішують такі питання. Основним завданням наукових робіт є вивчення закономірностей сумісності гамет, плода і організму матері на генетичному рівні.

Мікроорганізми

Сучасні знання про селекції і генетики дозволяють забезпечити потреби людини в цінних продуктах харчування, які в основному отримують від тваринництва. Але увагу вчених привертають та інші об’єкти природи – мікроорганізми. Наука довгий час вважала, що ДНК є індивідуальною особливістю і не може бути передана іншій організму. Але дослідження показали, що ДНК бактерії можуть бути успішно введені в хромосоми рослин. Завдяки такому процесу якості, властиві бактерії або віруси, приживаються в іншому організмі. Також давно відомо вплив генетичної інформації вірусів на клітини людини.

Вивчення генетики і селекція мікроорганізмів проводяться в більш короткі терміни, порівняно з рослинництвом і тваринництвом. Це пояснюється швидким розмноженням і зміною поколінь мікроорганізмів. Сучасні методи селекції і генетики – використання мутагенів та гібридизації – дозволили створити мікроорганізми з новими властивостями:

• мутанти мікроорганізмів здатні до сверхсинтезу амінокислот і підвищеному утворенню вітамінів та провітамінів;
• мутанти азотфіксуючих бактерій здатні значно прискорити ріст рослини;
• виведені дріжджові організми – одноклітинні гриби та багато інших.

Селекціонери і генетики використовують такі мутагени:

• ультрафіолет;
• іонізуюча радіація;
• этиленимин;
• нитрозометилмочевина;
• застосування нітратів;
• акридиновые фарби.

Для ефективності мутації використовуються часті обробки мікроорганізму малими дозами мутагену.

Медицина та біотехнології

Загальним значення генетики для селекції і медицини є те, що в обох випадках наука дозволяє вивчити спадковість організмів, що виявляється у них імунітет. Такі знання важливі для боротьби із збудниками хвороб.

Вивчення генетики в області медицини дозволяє:

• запобігти народження дітей з генетичними відхиленнями;
• провести профілактику і лікування спадкових патологій;
• вивчити вплив навколишнього середовища на спадковість.

Для цього застосовуються такі методи:

• генеалогічний – вивчення сімейного древа;
• близнецовый – зіставлення близнецовой пари;
• цитогенетичний – дослідження хромосом;
• біохімічний – дозволяє виявити мутантні алеї у ДНК;
• дерматоглифический – аналіз шкірного малюнка;
• моделювання та інші.

Сучасні дослідження виявили приблизно 2 тисячі хвороб, що передаються у спадок. В основному це психічні розлади. Вивчення генетики та проведення селекції мікроорганізмів дозволяють знизити рівень захворюваності серед населення.

Досягнення генетики і селекції в біотехнології дозволяють використовувати біологічні системи (прокаріоти, гриби і водорості) в науці, промисловому виробництві, медицині, сільському господарстві. Знання про генетику дають нові можливості для розвитку таких технологій: енерго-та ресурсозберігаючі, безвідходні, наукомісткі, безпечні. У біотехнології застосовуються такі методи: клітинна і хромосомна селекція, генна інженерія.

Генетика і селекція – науки, які нерозривно пов’язані. Селекційна робота багато в чому залежить від генетичного різноманіття вихідного числа організмів. Саме ці науки надають знання для розвитку сільського господарства, медицини, промисловості та інших сфер людського життя.