Селекция. Биотехнология

Селекция — наука о создании новых и улучшении существующих сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов. Теоретическая основа — генетика. Главные задачи: повышение урожайности и продуктивности; повышение устойчивости к болезням, вредителям, неблагоприятным условиям; улучшение качества продукции (вкус, питательность, технологические свойства); создание форм с заданными параметрами. Основоположник научной селекции в России — Николай Иванович Вавилов: разработал учение о центрах происхождения культурных растений; открыл закон гомологических рядов; создал крупнейший в мире банк семян.

Гибридизация — скрещивание организмов с разными генотипами для получения потомства с новыми полезными комбинациями признаков. Два вида: Внутривидовая гибридизация — скрещивание в пределах одного вида. Наиболее часто применяется в селекции. Пример: скрещивание высокоурожайного, но болезненного сорта пшеницы с устойчивым к болезням, но менее урожайным → получение сорта с обоими ценными признаками. Отдалённая (межвидовая и межродовая) гибридизация — скрещивание организмов разных видов. Гибриды часто бесплодны (мул = лошадь × осёл). Для преодоления бесплодия применяют полиплоидизацию. Пример: тритикале = пшеница × рожь (гибридный злак, устойчивый и урожайный).

Искусственный отбор — выбор человеком особей с нужными признаками для последующего разведения. Массовый отбор: отбирают группу особей с желательным фенотипом, не проверяя их генотип. Быстрый, но эффективен только для признаков с высокой наследуемостью. Применяется при первоначальном улучшении популяции. Индивидуальный отбор: отбирают отдельных особей и проверяют их потомство (оценка по потомству). Медленнее, но точнее: позволяет выявить скрытые генотипы. Особенно важен у животных (проверка быка-производителя по молочности дочерей). Применяется для сложных полигенных признаков.

Гетерозис — явление «гибридной силы»: гибриды первого поколения (F1) превосходят обоих родителей по жизнеспособности, продуктивности и другим признакам. Пример: гибридная кукуруза F1 значительно урожайнее родительских линий. Условие получения гетерозиса: скрещивание инбредных (инбредированных — полученных длительным самоопылением или близкородственным скрещиванием) линий. Механизм объясняется доминированием: в гибриде F1 все рецессивные неблагоприятные аллели перекрываются доминантными аллелями партнёра. Ограничение: гетерозис ослабевает в F2 (нельзя пересевать семена гибридной кукурузы — следующий год даст расщепление).

Полиплоидия — кратное увеличение набора хромосом. В селекции полиплоиды часто превосходят диплоидные формы по размеру, урожайности и устойчивости. Метод получения: обработка семян или проростков колхицином — алкалоидом, блокирующим образование веретена деления. В результате хромосомы удваиваются, но клетка не делится. Примеры полиплоидных культур: тритикале (гексаплоид 6n = 42); арбуз без косточек (тетраплоид 4n); некоторые сорта земляники (октаплоид 8n). Особенно широко применяется у растений, реже — у животных (полиплоидные животные почти всегда бесплодны).

Экспериментальный мутагенез — искусственное создание мутаций с помощью физических или химических мутагенов для получения нового исходного материала для отбора. Рентгеновское облучение семян или проростков вызывает случайные мутации; большинство вредны, но небольшая доля может оказаться полезной. Химические мутагены (нитрозоэтилмочевина и др.) часто дают более специфические мутации. Метод «шансовый» — нужно просмотреть тысячи мутантов и найти единицы с полезными признаками. Применяется при создании сортов зерновых с коротким стеблем (устойчивых к полеганию), устойчивых к болезням, с изменённым химическим составом.

Биотехнология — использование живых организмов и биологических процессов в промышленном производстве. Включает: генную инженерию, клеточную инженерию, микробиологический синтез. История: люди тысячелетия использовали микроорганизмы (дрожжи для брожения, бактерии для квашения) — это древняя биотехнология. Современная биотехнология опирается на достижения молекулярной биологии и генетики. Применения: медицина (инсулин, вакцины, антибиотики), сельское хозяйство (ГМО), пищевая промышленность, охрана окружающей среды (биоремедиация).

Генная инженерия — целенаправленное изменение генетической информации организма путём введения, удаления или модификации генов. Основные операции: выделение нужного гена из ДНК донора; клонирование гена (размножение его копий); введение гена в вектор (плазмиду или вирус); трансфекция — перенос вектора с геном в клетку-реципиент; экспрессия гена в новой клетке. Практический пример: производство инсулина. Ген инсулина человека вставлен в плазмиду кишечной палочки. Бактерии синтезируют человеческий инсулин в промышленных масштабах. До 1982 года инсулин получали из поджелудочных желёз свиней и коров.

ГМО — генетически модифицированные организмы — организмы, в геном которых введены чужеродные гены. Примеры: ГМ-соя, устойчивая к гербициду раундапу; ГМ-кукуруза с геном токсина бактерии Bt (Bacillus thuringiensis) — вырабатывает собственный инсектицид; ГМ-рис «Золотой рис» с геном синтеза бета-каротина (предшественника витамина A) — создан для борьбы с авитаминозом в развивающихся странах. Научная позиция: крупнейшие научные организации мира (ВОЗ, Национальные академии наук США) признали употребление ГМО безопасным для здоровья человека. Общественные опасения связаны не с доказанными вредом, а с этическими и экологическими вопросами (монополизация сельского хозяйства, перекрёстное опыление с дикими видами).

Клеточная инженерия — методы работы с клетками и тканями вне организма (in vitro). Культура клеток — выращивание изолированных клеток на питательных средах. Используется для: производства вакцин, моноклональных антител, диагностических тест-систем. Культура тканей растений — из небольшого кусочка ткани можно получить целое растение (клонирование). Используется в цветоводстве, садоводстве для получения безвирусного материала. Соматическая гибридизация — слияние соматических клеток двух разных видов с образованием гибридной клетки. Позволяет получить гибриды видов, между которыми обычное скрещивание невозможно.

Клонирование — получение генетически идентичных копий организма (или молекулы). Молекулярное клонирование — размножение фрагментов ДНК в бактериях или клетках; основа генной инженерии. Репродуктивное клонирование животных — перенос ядра соматической клетки в безъядерную яйцеклетку с последующим развитием зародыша. Первый клонированный млекопитающий — овца Долли (1996, Великобритания, Иэн Уилмут). Терапевтическое клонирование — создание клонированного зародыша для получения стволовых клеток для лечения болезней (без рождения ребёнка). Клонирование человека репродуктивного характера запрещено во многих странах по этическим соображениям.

CRISPR-Cas9 — революционная технология редактирования генома, разработанная Дженнифер Дудной и Эммануэль Шарпантье (Нобелевская премия по химии 2020 года). Принцип: направляющая РНК «приводит» белок Cas9 (молекулярные «ножницы») к точному участку ДНК. Cas9 разрезает ДНК в нужном месте. Клетка восстанавливает разрыв, внося или устраняя нужные нуклеотиды. Применения: исправление мутаций, вызывающих генетические болезни; создание ГМО; изучение функций генов. CRISPR значительно точнее, быстрее и дешевле прежних методов редактирования генов. Это технология XXI века.

Николай Вавилов установил, что культурные растения происходят из нескольких географических центров — мест, где растение было впервые введено в культуру. Там сосредоточено наибольшее генетическое разнообразие данного вида. Основные центры: Китайский (соя, просо, персик); Индийский (рис, сахарный тростник, баклажан); Переднеазиатский (пшеница, рожь, виноград); Средиземноморский (свёкла, маслина, капуста); Эфиопский (кофе, сорго); Центральноамериканский (кукуруза, подсолнечник, тыква); Южноамериканский (картофель, томат, табак). Знание центров происхождения позволяет искать диких родственников культурных растений для введения в них генов устойчивости.

Внимание! Первая ошибка — путать селекцию и эволюцию. В эволюции отбор естественный; в селекции — искусственный (человек). Вторая ошибка — думать, что гетерозис усиливается с каждым поколением. Гетерозис максимален в F1; в F2 ослабевает из-за расщепления. Третья ошибка — считать, что генная инженерия и селекция — одно и то же. Классическая селекция — скрещивание и отбор без изменения самой ДНК. Генная инженерия — прямое изменение последовательности ДНК. Четвёртая ошибка — думать, что клонирование возможно только у растений. Клонирование возможно и у животных (Долли). У человека репродуктивное клонирование запрещено.