ВВЕДЕНИЕ
Слово "селекция" произошло от лат. "selectio", что в переводе обозначает выбор, отбор". Селекция это наука, которая разрабатывает н
овые пути и методы получения сортов растений и их гибридов, пород животных. Это также и отрасль сельского хозяйства, занимающаяся выведением новых сортов и пород с нужными для человека свойствами: высокой продуктивностью, определенными качествами продукции, невосприимчивых к болезням, хорошо приспособленных к тем или иным условиям роста. Теоретическая основа селекции — генетика и разрабатываемые ею закономерности наследственности и изменчивости организмов. Эволюционная теория Чарльза Дарвина, законы Грегори Менделя, учения о чистых линиях и мутациях позволили селекционерам разработать методы управления наследственностью растительных и животными организмов. Большую роль в селекционной практике играет гибридологический анализ.
Селекционный процесс разбивается на три отрасли: селекция в растениеводстве, селекция в животноводстве и селекция микроорганизмов.
Отыскать определенный ген, извлечь его из клетки, вживить в другую и получить абсолютно новый организм, идеально отвечающий всем требованиям, – о таком можно только мечтать. Найди нужное сочетание генов, и картофель перестанет бояться колорадского жука, пшеница – дождей и заморозков, соя даст невиданные урожаи, в помидорах будет вдвое больше бета-каротина, капуста брокколи начнет тормозить рост раковых клеток, куры осчастливят нас яйцами, богатыми полиненасыщенными жирными кислотами, которые есть только в рыбе. Да мало ли чего еще можно добиться, манипулируя генным кодом!
Селекция в растениеводстве
Примитивная селекция растений возникла одновременно с земледелием. Начав возделывать растения, человек стал отбирать, сохранять и размножать лучшие из них. Многие культурные растения возделывались примерно за 10 тысяч лет до нашей эры. Селекционеры древности создали прекрасные сорта плодовых растений, винограда, многие сорта пшеницы, бахчевых культур. Но значительное влияние на развитие селекции растений оказала работа западно-европейских селекционеров-практиков 18 века, например, английских ученых Галлета, Ширефа, немецкого ученого Римпау. Они создали несколько сортов пшеницы, разработали способы выведения новых сортов. В 1774 под Парижем основана селекционная фирма «Вильморен», селекционеры которой первыми стали оценивать отбираемые растения по потомству. Им удалось вывести сорта сахарной свёклы, которые содержали почти в 3 раза больше сахара, чем исходные. Эта работа доказала огромное влияние селекции на изменение природы растений в нужную человеку сторону. С развитием капитализма в конце 18 — начале 19 веков в Европе и Северной Америке возникают промышленные семенные фирмы и крупные селекционно-семеноводческие предприятия; зарождается промышленная селекция растений, на развитие которой большое влияние оказали достижения ботаники, микроскопической техники и мн. др.
И в России И.В. Мичурин начал работы по селекции плодовых культур. Успешно применив ряд новых оригинальных методов, он создал много сортов плодовых и ягодных культур. Большое значение для теории и практики селекции растений имели его работы по гибридизации географически отдаленных форм. В это же время в США Л. Бёрбанк путем тщательного проведения скрещиваний и совершенного отбора создал целый ряд новых сортов различных сельскохозяйственных культур. Некоторые из них относились к формам, ранее не встречавшимся в природе (бескосточковая слива, неколючие сорта ежевики).
В селекции растений особое значение имеют развитие научных основ отбора и гибридизации, методы создания исходного материала — полиплоидия, экспериментальный мутагенез, гаплоидия, клеточная селекция, хромосомная и генная инженерия, гибридизация протопластов, культура зародышевых и соматических клеток и тканей растений; изучение генетических и физиолого-биохимических основ иммунитета, наследование важнейших количественных и качественных признаков (белка и его аминокислотного состава, жиров, крахмала, сахаров). В современной селекции растений в качестве исходного материала используют естественные и гибридные популяции, самоопыленные линии, искусственные мутанты и полиплоидные формы. Большинство сортов сельскохозяйственных растений создано методом отбора и внутривидовой гибридизации. Получены мутантные и полиплоидные сорта зерновых, технических и кормовых культур. Успех гибридизации в значительной степени определяется правильным подбором для скрещивания исходных родительский пар, особенно по эколого-географическому принципу. При необходимости объединить в гибридном потомстве признаки нескольких родительских форм используют ступенчатую гибридизацию. Этот метод широко применяется во всем мире. Для усиления в гибридном потомстве желаемых свойств одного из родителей применяют возвратные скрещивания. Для сочетания в одном сорте признаков и свойств разных видов или родов растений применяют отдаленную гибридизацию.
Мичурин и его работа
И. В. Мичурин — выдающийся учёный-селекционер, один из основателей науки о селекции плодовых культур. Он жил и работал в уездном городе Козлове (Тамбовская губерния), переименованном в 1932 г. в Мичуринск. Работа в саду с юных лет была его любимым делом. Он поставил целью своей жизни обогатить сады России новыми сортами и добился осуществления этой мечты, несмотря на невероятные трудности и лишения.
Им были разработаны оригинальные практические методы получения гибридов с новыми, полезными для человека свойствами, а также сделаны весьма важные теоретические выводы.
Поставив перед собой задачу продвижения южных сортов плодовых деревьев в среднюю полосу России, Мичурин сначала пытался решить ее путем акклиматизации указанных сортов в новых условиях. Но выращенные им южные сорта зимою вымерзали. Одно лишь изменение условий существования организма не может изменить филогенетически выработавшийся стойкий генотип, притом в определенную сторону.
Убедившись в непригодности метода акклиматизации, Мичурин посвятил свою жизнь селекционной работе, в которой использовал три основных вида воздействия на природу растения: гибридизацию, воспитание развивающегося гибрида в различных условиях и отбор.
Гибридизация, т. е. получение сорта с новыми, улучшенными признаками, чаще всего производилась путем скрещивания местного сорта с южным, обладавшим более высокими вкусовыми качествами. При этом наблюдалось отрицательное явление—доминирование у гибрида признаков местного сорта. Причина этого заключалась в исторической приспособленности местного сорта к определенным условиям существования.
Одним из основных условий, способствующих успеху гибридизации, Мичурин считал подбор родительских пар. В одних случаях он брал для скрещивания родителей, отдаленных по своему географическому месту обитания. Если для родительских форм условия существования не соответствуют их обычным, рассуждал он, то полученные от них гибриды будут иметь возможность легче
приспособиться к новым факторам, так как не произойдет одностороннего доминирования. Тогда селекционер сможет управлять развитием гибрида, приспосабливающегося к новым условиям.
Таким методом был выведен сорт груши Бере зимняя Мичурина. В качестве матери была взята уссурийская дикая груша, отличающаяся мелкими плодами, но зимостойкая, в качестве отца — южный сорт Бере рояль с крупными сочными плодами. Для обоих родителей условия средней полосы России были необычными. У гибрида проявились нужные селекционеру качества родителей: плоды были крупные, лежкие, обладали высокими вкусовыми качествами, а само гибридное растение переносило холод до — 36°.
В других случаях Мичурин подбирал местные морозостойкие сорта и скрещивал их с южными теплолюбивыми, но с иными отличными качествами. Тщательно отобранные гибриды Мичурин воспитывал в спартанских условиях, считая, что в противном случае у них появятся черты теплолюбивости. Так был получен сорт яблони Славянка от скрещивания Антоновки с южным сортом Ранетом ананасным.
Кроме скрещивания двух форм, относящихся к одной систематической категории (яблони с яблоней, груши с грушей), Мичурин применял и гибридизацию отдаленных форм: получал межвидовые и межродовые гибриды.
Им получены гибриды между вишней и черемухой (церападусы), между абрикосом и сливой, сливой и терном, рябиной и сибирским боярышником и др.
В естественных условиях чужеродная пыльца другого вида не воспринимается материнским растением и скрещивания не происходит. Для преодоления нескрещиваемости при отдаленной гибридизации Мичурин применял несколько методов.
Метод предварительного вегетативного сближения
Однолетний черенок гибридного сеянца рябины (привой) прививается в крону растения другого вида или рода, например к груше (подвой). После 5—6-летнего питания за счет веществ, вырабатываемых подвоем, происходит некоторое изменение, сближение физиологических и биохимических свойств привоя.
Во время цветения рябины ее цветки опыляют пыльцой подвоя. При этом осуществляется скрещивание.
Применялся Мичуриным при осуществлении гибридизации культурного персика с диким монгольским миндалем бобовником (в целях продвижения персика на север). Поскольку прямое скрещивание указанных форм не удавалось, Мичурин скрестил бобовник с полукультурным персиком Давида. Их гибрид скрещивался с культурным персиком, за- что и был назван посредником.
Метод опыления смесью пыльцы
И. В. Мичурин применял различные варианты смеси пыльцы. Смешивалось небольшое количество пыльцы материнского растения с пыльцой отцовского. В этом случае своя пыльца раздражала рыльце пестика, которое становилось способным воспринять и чужеродную пыльцу. При опылении цветков яблони пыльцой груши к последней добавляли немного пыльцы яблони. Часть семяпочек оплодотворялась своей пыльцой, другая часть — чужой (грушевой).
Преодолевалась нескрещиваемость и при опылении цветков материнского растения смесью пыльцы разных видов без добавления пыльцы своего сорта. Эфирные масла и другие секреты, выделяемые чужой пыльцой, раздражали рыльце материнского растения и способствовали ее восприятию.
Всей своей многолетней работой по выведению новых сортов растений И. В. Мичурин показал важность последующего за скрещиванием воспитания молодых гибридов.
При воспитании развивающегося гибрида Мичурин обращал внимание на состав почвы, метод хранения гибридных семян, частую пересадку, характер и степень питания сеянцев и другие факторы.
Метод ментора
Кроме того, Мичурин широко применял разработанный им метод ментора. Для воспитания в гибридном сеянце желательных качеств сеянец прививается к растению, обладающему этими качествами. Дальнейшее развитие гибрида идет под влиянием веществ, вырабатываемых растением-воспитателем (ментором); у гибрида усиливаются искомые качества. В данном случае в процессе развития гибридов происходит изменение свойств доминантности.
Ментором может быть как подвой, так и привой. Таким способом Мичурин вывел два сорта—Кандиль-китайку и Бельфлёр-китайку.
Кандиль-китайка — результат скрещивания Китайки с крымским сортом Кандиль-синап. Поначалу гибрид стал уклоняться в сторону южного родителя, что могло развить в нем недостаточную холодостойкость. Чтобы развить и закрепить признак морозоустойчивости, Мичурин привил гибрид в крону матери Китайки, обладавшей этими качествами. Питание в основном ее веществами воспитало в гибриде нужное качество. Выведение второго сорта Бельфлёр-китайки было сопряжено с некоторым уклонением гибрида в сторону морозоустойчивой и раннеспелой Китайки. Плоды гибрида не могли выдерживать долгого хранения. Чтобы воспитать в гибриде свойство лежкости, Мичурин привил в крону гибридного сеянца Бельфлёр-китайки несколько черенков позднеспелых сортов. Результат оказался хорошим — плоды Бельфлёр-китайки приобрели желаемые качества — позднеспелость и лежкость.
Метод ментора удобен тем, что его действие можно регулировать следующими приемами: 1) соотношением возраста ментора и гибрида; 2) продолжительностью действия ментора; 3) количественным соотношением листвы ментора и гибрида.
Например, интенсивность действия ментора будет тем выше, чем старше его возраст, крона богаче листвой и чем длительнее он действует. В селекционной работе Мичурин придавал существенное значение отбору, который производился многократно и весьма жестко. Гибридные семена отбирались по их крупности и округлости: гибриды — по конфигурации и толщине листовой пластинки и черешка, форме побега, расположению боковых почек, по зимостойкости и сопротивляемости к грибковым заболеваниям, вредителям и многим другим признакам и, наконец, по качеству плода.
Результаты работы И. В. Мичурина поразительны. Им были созданы сотни новых сортов растений. Ряд сортов яблонь и ягодных культур продвинут далеко на север. Они обладают высокими вкусовыми качествами и в то же время прекрасно приспособлены к местным условиям. Новый сорт Антоновка шестисотграммовая дает урожай с одного дерева до 350 кг. Мичуринский виноград выдерживал зиму без присыпки лоз, что делается даже в Крыму, и вместе с тем не снизил своих товарных показателей. Мичурин своими работами показал, что творческие возможности человека безграничны.
Современный взгляд
В принципе, ничего нового в идее получения модифицированных продуктов нет. Сама природа в процессе эволюции создавала новые организмы и снабжала созданные ранее новыми свойствами. Правда, на это уходили тысячелетия. Человек решил ускорить этот процесс и создал науку о выведении новых сортов растений и пород животных – селекцию. Ученые скрещивали организмы с необходимыми свойствами, из полученного потомства отбирали удавшиеся образцы и вновь скрещивали их между собой, добиваясь полной генетической чистоты. Требовались десятилетия, чтобы с помощью такого метода получить морозостойкую пшеницу или породу коров, дающую семикратные надои. Несколько десятков лет по сравнению с тысячелетием – ничто, однако нетерпеливому человечеству и это показалось слишком долгим. Ученые нашли еще более быстрый способ получения организмов с определенным набором генов. Живые клетки подвергали жесткому радиационному воздействию, вызывая случайные мутации, – в надежде, что хоть пара клеток мутирует в нужном направлении. И хотя нежелательных результатов при этом методе селекции было больше, чем при обычном скрещивании, сроки получения желаемого сократились до 10-15 лет.
Применение радиационного мутагенеза вызвало среди ученых бурю – но в стакане воды. Споры велись, но за закрытыми дверями, дабы не привлекать внимания общественности. По сравнению с радиационными методами технология пересадки фрагмента ДНК, применяемая генной инженерией, кажется верхом деликатности. По к
райней мере, она практически исключает риск получения не желаемых результатов.
Яблоком раздора явилось оригинальное генетическое творение – помидор с жабрами, которому для морозостойкости вживили ген североамериканской камбалы. Никто, конечно, не предполагал, что получится в результате. Кто знает, какие еще сюрпризы преподнесут людям трансгенные продукты? Экологов, например, сильно волнует, чем станут питаться колорадские жуки, если в мире не останется немодифицированного картофеля. Но производители картофеля не спешат разделить их тревогу: картошка, устойчивая к вредителям, выращивается теперь практически повсеместно.
Медиков настораживает другая сторона вопроса: как скажутся модифицированные продукты на организме человека? Не воспримет ли он клетки той же картошки с внедренным в них фрагментом ДНК капусты как аллергены? И вообще – насколько хорошо усвоится такая пища, даст ли она в полном объеме необходимые организму вещества?
Вряд ли споры вокруг трансгенных продуктов быстроразрешимы. Скорей всего, пока ученые будут тихо мирно искать золотую середину между “полезно” и “вредно”, модифицированные продукты незаметно, сами собой вольются в наш обиход. В настоящее время они уже делают это. Сверкающие яблоки, морковка одна к одной, как на подбор, зимние помидоры… Не стоит также думать, что урожай с собственного огорода не имеет отношения к генной инженерии. Использованные дачниками семена, возможно, тоже детища науки.
Но в ряде случаев трансгенные продукты не опаснее и даже лучше обычных. Так, например, получилось с соей – первым генномодифицированным продуктом, получившим в России государственное регистрационное удостоверение, позволяющее беспрепятственно выращивать и использовать эту культуру. Ученые пришли к выводу, что трансгенная соя более экологична и безопасна, чем обычная. Для борьбы с сорняками и вредителями, поражающими эту культуру, традиционно применяли пестициды, гербициды и инсектициды, а трансгенная соя сама справляется со всеми напастями. То есть мы получили хоть и не совсем натуральный, но зато экологически чистый продукт.
В Соединенных Штатах Америки разрешается использовать генномодифицированные продукты без каких-либо ограничений (и даже без указания, что это детище генной инженерии). В странах Евросоюза продажу модифицированных продуктов разрешили с условием снабжать их специальной этикеткой. В нашей стране каждый продукт с измененным геном должен получить государственное регистрационное удостоверение, подтверждающее его безопасность. Всё выглядит относительно благополучно. Но на практике все гораздо сложнее. Продукт может содержать всего один компонент, полученный из трансгенного сырья. Кто нам скажет, модифицированный он теперь или нет. Учитывая это обстоятельство, медики и специалисты по питанию настаивают, чтобы каждый такой продукт имел специальную этикетку, на которой бы указывалось, какая модифицированная составляющая и в какой пропорции в нем содержится. Каждый из нас имеет право знать, что лежит в его тарелке.
Такое явление как селекция явилось продуктом развития человеческой цивилизации. Здесь есть и плохие и хорошие стороны, но факта не уйти. Значит нужно извлекать пользу из открытия. Один только Мичурин вошел в науку как создатель свыше 300 видов растений. Страшно представить на что способны современные ученые. Будем надеяться, что люди не навредят сами себе, как это уже не раз случалось.
1. Шикман А.П., Деятели отечественной истории. Биографический справочник. М., 1997 г.
2. Биологический энциклопедический словарь, М., 1989 г.
3. Сельскохозяйственный энциклопедический словарь, М., 1989 г.
4. Серебровский А.С., Селекция растений и животных, М., 1969 г.
5. С. И. Исаев, "Селекция как эволюция, управляемая человеком", 1994 г.
Источник
Селекция растений
Селекцией растений называют науку о создании качественно новых и улучшении уже существующих сортов культурных растений. В основе селекции находятся ее главные методы – отбор и гибридизация. Теоретическая основа селекции – наука генетика.
Особенности селекции растений обусловлены успешным решением задач, которые перед ней стоят. Очень значимо изучение сортового, родового и видового разнообразия культур, влияния окружающей среды на развитие главных признаков, закономерностей наследования этих признаков для гибридизации, а также особенностей процесса селекции и стратегии искусственного отбора.
Каждый сорт растений приспособлен к каким-то определенным условиям, и поэтому в разных местностях существуют разные специализированные станции и племенные хозяйства для проверки и сравнения новых сортов растений.
Чтобы селекция растений была успешной, селекционер должен располагать сортовым разнообразием исходного материала. Ученый Н.И. Вавилов в свое время собрал огромную коллекцию сортов растений и их предков со всей планеты Земля, которая сегодня успешно пополняется и считается основой для работ по селекции любой культуры.
Н. И. Вавилов выделяет семь центров происхождения растительных культур: южноазиатский тропический, восточноазиатский, средиземноморский, юго-западноазиатский, абиссинский, южноамериканский, центральноамериканский. Самые богатые области по количеству культур – древние центры цивилизации. В таких местах наиболее ранняя культура земледелия, соответственно, и селекция растений, и искусственный отбор проводятся более длительное время. Рассмотрим более подробно, что собой являет это понятие.
Существуют определенные методы селекции растений: отбор и гибридизация. Отбор свою очередь может быть индивидуальным и массовым.
Массовым отбором называют форму искусственного отбора, которая применяется при селекции так называемых «перекрестноопыляемых» растений (ржи, кукурузы, подсолнечника). В данном случае сорт являет собой популяцию, которая состоит из гетерозиготных особей, где каждое семя несет в себе уникальный генотип. Благодаря массовому отбору сохраняются и совершенствуются сортовые характеристики, однако результаты такого отбора очень неустойчивы из-за неопределенного перекрестного опыления.
Индивидуальный отбор применяется при селекции растений, которые опыляются самостоятельно (ячмень, пшеница). Потомство сохраняет все без исключения признаки родительской формы и носит название чистой линии (так называют потомство одной самоопыленной гомозиготной особи). Так как мутационные процессы происходят постоянно, по сути, гомозиготные особи встречаются крайне редко. Под контроль искусственного и естественного отбора они попадают только после перехода в гомозиготное состояние.
Селекция растений по методу естественного отбора играет очень важную роль. Любое растение на протяжении своей жизни находится под влиянием определенных внешних факторов, поэтому оно должно быть устойчивым к болезням и вредителям, приспособленным к водному и температурному режиму.
Инбридинг – близкородственное скрещивание. Это явление имеет место у перекрестноопыляемых растений при самоопылении. Для этого метода селекции подбираются такие растения, гибриды которых способны дать максимальный эффект гетерозиса. Такие растения много лет подвержены принудительному самоопылению.
Существует также такой метод, как отдаленная гибридизация. Так называют скрещивание растений, которые относятся к разным видам. Как правило, отдаленные гибриды стерильны, поэтому гаметы не образуются.
Селекция растений располагает также такими методами, как использование соматических мутации, экспериментальный мутагенез, а также методами селекции, предложенными И.В. Мичуриным. Об этих и других методах можно узнать более подробно, прочитав работы вышеупомянутых ученых.
Источник
Клеточные технологии в селекции растений
Обогащение генофонда зерновых культур может быть достигнута при использовании огромных генетических ресурсов их дикорастущих сородичей. Найдены виды злаков с высокой устойчивостью к болезням и вредителям, температурным и водным стрессам, засолению и высокой кислотности почв. В селекционной работе для преодоления межвидовой (или даже межродовой) несовместимости применяют методы оплодотворения in vitro, культуру зародышей, возвратные скрещивания и другие современные приемы (Feldman, Sears, 1984).
Генная инженерия растений создает совершенно новый механизм генетической изменчивости — трансгеноз, который в отличие от ранее существовавших (рекомбиогенез, мутагенез) характеризуется возможностью переноса отдельных генов. Правда, эта особенность затрудняет применение методов генной инженерии для улучшения ряда хозяйственно ценных признаков, наследуемых полигенно. Но уже получены химерные растения, несущие гены устойчивости к болезням, насекомым, гербицидам и др. (Кильчевский, Хотылева, 1997).
Отдаленная гибридизация культурных злаков с дикорастущими сородичами имеет целью перенос единичных генов или небольших фрагментов хромосом от дикорастущих в геном культурных видов. Но для этого необходимо преодолеть барьер несовместимости — отсутствие конъюгации хромосом в мейозе. У пшеницы в хромосоме 5В были обнаружены гены, влияющие на конъюгацию хромосом, и, таким образом, выявлена возможность в определенной степени управлять этим процессом. Удаляя или нейтрализуя в гибридном ядре ген, ингибирующий конъюгацию негомологичных хромосом, вызывают их спаривание и кроссин-говер. Таким путем в Институте селекции растений (Кембридж, Великобритания) был перенесен из генома эгилопса (Al. comosum) в геном пшеницы ген, определяющий устойчивость к линейной ржавчине и создан устойчивый высокопродуктивный сорт Compair (Robbele, 1977).
Зерновые культуры являются трудным объектом для генной инженерии. Это обусловлено прежде всего отсутствием векторных систем для введения генов в геном клеток злаков. Наиболее эффективная векторная система на основе плазмид Agrobacterium tumefaciens для ряда видов растений малопригодна для злаков.
Разрабатываются методы прямого переноса генов в клетки растений. Так, в Мадридском университете (Испания) и Институте селекции общества Макса Планка (Кельн, ФРГ) для озимой ржи разработан метод прямого переноса генов, позволяющий получать трансгенные растения относительно простым способом in vivo, исключающим необходимость регенерации растений из клеточных культур (De Ia Репа, 1987). Было установлено, что в строго определенную фазу развития — за две недели до начала формирования гамет, генеративные клетки ржи способны абсорбировать крупные молекулы, в том числе молекулы ДНК. Инъекция в эту фазу в развивающийся продуктивный побег ДНК, включающей определенный ген, позволяет направленно изменять генотип зародышевых клеток и получать семена, способные давать нормальные растения, в которых чужеродный ген присутствует и проявляется.
К методам прямого переноса чужеродной ДНК в протопласты растений и животных относится электропарация: кратковременные электрические разряды (1—100 мкс при напряженности поля 1000—10000 В/см 2 ) увеличивают проницаемость мембран протопластов, куда и проникает находящееся в растворе ДНК. Так были получены трансформанты кукурузы, риса и сахарного тростника (Гапоненко, Долгов, 1997). В MCXA разрабатывается метод введения чужеродной ДНК с использованием электрофореза в агаровом геле (Карлов, Шаденков, Хрусталева и др., 1997). Показана возможность применения данного метода для трансформации каллусов пшеницы с последующей регенерацией из них трансгенных растений.
Оригинальный способ введения чужеродной ДНК в злаки разработан в Корнельском университете США. С помощью генетического пистолета в клетки растений выстреливают крохотные вольфрамовые шарики, покрытые генетическим материалом. Например, способ баллистической трансформации применили для введения гена вируса табачной мозаики в клетки лука. Была установлена экспрессия гена в клетках (Уайк, 1988). Метод высокоскоростной баллистической трансформации в настоящее время широко используется в Центре «Биоинженерия», ИМГ, ИФР. ВНИИСБ при создании трансгенных растений пшеницы, кукурузы, подсолнечника, плодовых культур (Гапоненко, Долгов, 1997; Шевелуха и др., 1998).
Часто признаками высокой толерантности обладают организмы, далекие в систематическом отношении от культурных растений и не скрещивающиеся с ними. В таких случаях перенос соответствующих генов может быть осуществлен с помощью методов генной инженерии. В Калифорнийском университете (США) в растениях и микроорганизмах идентифицированы гены, которые защищают их от засухи в условиях резкого недостатка влаги или засоления почвы. Эти гены способствуют накоплению в клетках аминокислоты пролина, служащей осморегулятором у солеустойчивых организмов. Были проведены модельные опыты по выделению такого гена и пересадке его из кишечной палочки в бактерию Klebsiella. Антистрессовая активность обнаружена и у ряда других продуктов метаболических реакций (лактатдегидрогеназа, бетаин), синтез которых контролируется обычно немногочисленными генами, что делает их подходящим объектом для генной инженерии (Hanson et al., 1979; Hanson, 1987).
Одной из важных областей приложения методов генной инженерии в растениеводстве является биологическая фиксация азота. Эти исследования проводятся с целью повышения продуктивности азотфиксирующих бактерий и получения эффективных биологических препаратов для фиксации азота посевами как бобовых, так и небобовых культур; создания симбиотических отношений между азотфиксирующими микроорганизмами и небобовыми культурами, в частности злаковыми; получения растений, способных самостоятельно, без помощи микроорганизмов, фиксировать азот. Обнаружены азотфиксирующие микроорганизмы из семейств Spirillaceae, Enterobacteriaceae, Bacillaceae и ряда других, способные сосуществовать с корневой системой злаков (рис, кукуруза, пшеница, сорго), снабжающей их углеводами. Наиболее широко работы ведутся с бактериями Azospirillum (Postgate, 1989). В серии опытов, проведенных в различных штатах Индии, инокуляция семян пшеницы, риса, сорго, проса ри-зосферными азотфиксаторами обеспечивала прибавки урожая зерна до 30% (Subba Rao, 1982).
Проведена большая и результативная работа по выделению и идентификации функций бактериальных генов, ответственных за фиксгцию азота (гены nif). B университете штата Висконсин (США) идентифицировано у свободноживущей азотфиксирую-щей бактерии Klebsiella 17 генов nif, составляющих отдельный блок (nif-оперон). Исследователи Гарвардской биологической лаборатории (США) и университета графства Суссекс (Великобритания) выделили их из бактериального генома как единое целое, расклонировали и пересадили в кишечную палочку. Изучаются возможности переноса этих генов в организмы различного эволюционного уровня и условия функционирования в чужом организме (Postgate, 1980).
Перенос генов фиксации атмосферного азота в геном сельскохозяйственных растений — задача очень трудная. Система фиксации азота потребует от растения больших энергетических затрат, что может повлечь за собой вместо повышения даже снижение продуктивности. Возможно, в перспективе удастся соединить у растений молекулярные механизмы азотфиксации и фотосинтеза в единую сопряженную систему, способную использовать для восстановительных реакций непосредственно лучистую энергию.
Более широкое практическое применение в настоящее время получило другое важнейшее направление современной биотехнологии — клеточная селекция как метод создания новых форм растений путем выделения мутантных клеток и сомаклональных вариаций в селективных условиях. Клеточная селекция является как бы развитием мутационной селекции, но реализуется на уровне единичных клеток с использованием техники in vitro, что придает ей, с одной стороны, более широкие возможности, а с другой стороны — создает значительные трудности из-за необходимости регенерации из отдельных клеток полноценных растений (Бутенко, 1986;Касаева, 1989; Муромцев, 1996 и др.). Преимущество клеточной селекции перед традиционными методами состоит в отсутствии сезонности в работе, возможности использования миллионов клеток при отборе, направленности селекции путем применения селективных сред и выполнении работ в лабораторных условиях (Шамина, 1984).
С развитием культуры in vitro появилась реальная возможность более широкого использования гаплоидии в селекции сельскохозяйственных культур. Применение метода культуры клеток позволило осуществить регенерацию растений из генеративных клеток, содержащих гаплоидный набор хромосом. Стало возможным массовое получение гаплоидов. Практическое значение в селекции в настоящее время получили культура пыльников (андрогенез), завязей и семяпочек (гиногенез) и метод гаплопродюсера, который является разновидностью гиногенеза (Наволоцкий, 1986, 1997; Choo et al., 1985: Keller et al., 1987).
В Селекционно-генетическом институте (г. Одесса, бывш. ВСГИ) методом гаплопродюсера были созданы первые два отечественные сорта ячменя Исток и Одесский 115. Сорт Одесский отличался повышенной продуктивностью и устойчивостью к болезням и был признан перспективным в ряде областей (Ново-лоцкий, 1986). В последующем этим методом были получены засухоустойчивые сорта Прерия и Степной дар (Новолоцкий, 1997). Срок выведения сортов ячменя при использовании гаплоидной селекции сокращается на 4—6 лет.
В Госреестр Российской Федерации включены (1993—1994гг.) сорта ярового ячменя Биос 1, Рамос и Рахат, являющиеся дигаплоидными линиями. Сорта Суздалец и Эльф получены с участием в скрещивании дигаплоидных линий. Эти сорта явились результатом совместных исследований ученых НИИСХ ЦРНЗ, Рязанского, Владимирского, Курского, Татарского НИИСХ, ВНИ-ИСБ под руководством Э.Д. Неттевича. В Красноярском НИИСХ с помощью культуры незрелых зародышей на селективных средах с низким рН и высокой концентрацией солей разработана технология получения форм ячменя, обладающих повышенной устойчивостью к неблагоприятным факторам среды. Отрабатываются технологии выравнивания селекционного материала этой культуры с помощью метода гаплоидных тканей. В ПНИИЖБ создан сорт озимой пшеницы Смуглянка с использованием культуры пыльников. Он включен в Госреестр РФ в 1997 г. и признан перспективным для Поволжья. Сорт устойчив к бурой ржавчине, мучнистой росе, твердой головне, вынослив к хлебному пилильщику и природному комплексу вирусных и микоплазменных болезней.
При изучении растений, регенерированных из соматических клеток в культуре in vitro, было установлено, что они генетически не всегда однородны. Эту, так называемую, сомаклональную изменчивость как источник полезных мутаций стали использовать в селекции растений. У регенерантов в отличие от индуцированных мутантов редко наблюдается мозаичность, что является результатом их происхождения из единичной клетки, и поэтому сомаклоны могут быть стабилизированы в течение одного поколения (Evans, Sharp, 1986; Scowcroft et al., 1987).
Отбор сомаклонов может быть проведен среди регенерантов после их испытания в полевых условиях. Таким путем были получены во ВНИИ риса сомаклональные варианты риса, использованные при создании сорта Биориза, сочетающего длиннозер-ность с раннеспелостью, дающего крупу повышенного качества (Кучеренко, Харченко, Ковалева, 1986).
Преимущества сомаклональной изменчивости перед обычной мутационной селекцией проявляются в наибольшей степени в том случае, если испытание и отбор генотипов ведутся in vitro с использованием селективных сред. Общий принцип отбора растительных клеток in vitro заключается в том, что признак растения. по которому ведется отбор, должен проявляться на клеточном уровне. При таком отборе осуществляется скрининг миллионов генотипов. Вместе с тем, следует иметь в виду, что селекция здесь осуществляется на уровне индивидуальной клетки, а фенотипи-ческое проявление ожидается на уровне всего растения. Это ограничивает возможности данного метода улучшением только определенных признаков. Такие признаки как урожайность, сроки цветения и созревания, высота растения не экспрессируются на клеточном уровне. К этому следует добавить, что признаки, проявляющиеся на уровне клетки, не всегда проявляются на уровне растений, так как механизмы адаптации клетки и организма к стрессам могут быть различны (Бутенко, 1986; Wenzel, 1987).
В связи с этим клеточная селекция в большинстве случаев используется при получении форм растений, устойчивых к абиотическим факторам, токсинам, патогенам, гербицидам и др. Созданы устойчивые формы яровой пшеницы к засолению на кафедре сельскохозяйственной биотехнологии MCXA (Nikiforova, 1994), морозоустойчивые клеточные линии озимой пшеницы в Институте физиологии РАН (Оголовец, Самыгин, Бутенко и др.. 1984; Самыгин, Трунова, 1993), устойчивые формы люцерны и клевера лугового к абиотическим факторам и фитопатогенам во ВНИИ кормов (Новоселова, Мазин, 1986; Мазин, 1996). Методами биотехнологии создан первый отечественный сорт люцерны. Во ВНИИСС методами клеточной селекции in vitro получены 2-е линии сахарной свеклы, устойчивые к засолению. Разработана схема получения растений, устойчивых к корнееду, при отборе регенерантов на селективных средах.
Таким образом, хотя возможности традиционной селекции использованы еще не до конца, современным требованиям уже неполностью отвечают медленный ее темп, связанный со сменой поколений, большой объем и трудоемкость селекционных экспериментов, нередко косвенные, неточные и даже интуитивные методы оценки селекционного материала. К этому следует добавить, как считают многие специалисты, генетические ресурсы зерновых культур, в частности пшеницы, в значительной степени исчерпаны. В связи с этим возникает необходимость изменить подход к селекции зерновых, перенести основное внимание на физиологические, биохимические, экологические и генетические аспекты повышения продуктивности и устойчивости растений (фотосинтез, темновое и световое дыхание, адаптация, азотфиксация и т.п.) с привлечением генетических ресурсов более далеких в систематическом отношении организмов.
Источник
Клеточная инженерия
Клеточная инженерия — КЛЕТОЧНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ, конструирование специальными методами клеток нового типа. Клеточная инженерия включает реконструкцию жизнеспособной клетки из отдельных фрагментов разных клеток, объединение двух целых клеток, принадлежащих различным видам
Клеточная инженерия связана с культивированием отдельных клеток или тканей на специальных искусственных средах|средах. Доказано, что если взять кусочки ткани и отдельные клетки из разных органов|органов, допустим|допустим, растений, хотя это возможно и у животных, и пересадить их на специальные среды|среды, содержащие минеральные соли|соли и другие вещества, то они способны расти. Это значит, что в таких изолированных от организма тканях и клетках продолжаются клеточные деления.
Новейшим методом клеточной селекции у растений, уже давшим огромный эффект, является метод|метод гаплоидов. Гаплоидные клетки имеют половинный набор хромосом. Пыльцевые зерна|зёрна (пыльца) имеют гаплоидный набор хромосом. Сейчас разработан метод|метод проращивания пыльцевых зёрен на искусственных средах|средах в пробирках и получения из них полноценных гаплоидных растений. Какое это имеет отношение к селекции? У полученных гибридов берут пыльцу, на питательных средах|средах в пробирках регенерируют из неё гаплоидные растения, а затем удваивают у них число хромосом и сразу получают полностью гомозиготные диплоидные растения. Так как мы берём пыльцу из гибридных растений и получаем через гаплоидные растения сразу гомозиготные диплоидные, то остаётся только оценить их и затем размножить лучшие.
КЛЕТОЧНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ, совокупность методов, используемых для конструирования новых клеток. Включает культивирование и клонирование клеток на специально подобранных средах|средах, гибридизацию клеток, пересадку клеточных ядер и другие микрохирургические операции по «разборке» и «сборке» (реконструкции) жизнеспособных клеток из отдельных фрагментов.
Начало|Начало клеточной инженерии относят к 1960-м гг., когда возник метод|метод гибридизации соматических клеток. К этому времени были усовершенствованы способы культивирования животных клеток и появились способы выращивания в культуре клеток и тканей растений. Соматическую гибридизацию, т. е. получение гибридов без участия полового процесса, проводят, культивируя совместно клетки различных линий одного вида или клетки различных видов. При определённых условиях происходит слияние двух разных клеток в одну гибридную, содержащую оба генома объединившихся клеток. Удалось получить гибриды между клетками животных, далёких по систематическому положению, напр. мыши и курицы. Соматиче-ские гибриды нашли широкое применение как в научных исследованиях, так и в биотехнологии. С помощью гибридных клеток, полученных от клеток человека и мыши и человека и китайского хомячка, была проделана важная для медицины работа по картированию генов в хромосомах человека. Гибриды между опухолевыми клетками и нормальными клетками иммунной системы (лимфоцитами) – т. н. гибридомы – обладают свойствами обеих родительских клеточных линий. Подобно раковым клеткам, они способны неограниченно долго делиться на искусственных питательных средах|средах (т. е. они «бессмертны») и, подобно лимфоцитам, могут вырабатывать моноклональные (однородные) антитела|антитела определённой специфичности. Такие антитела|антитела применяют в лечебных и диагностических целях, в качестве чувствительных реагентов на различные органические вещества и т. п.
При гибридизации соматических клеток растений их предварительно освобождают от плотной клеточной оболочки, а затем проводят слияние изолированных протопластов. В этом случае, как и при гибридизации клеток животных, также удаётся преодолевать барьеры нескрещиваемости, которые существуют при обычной (половой|половой) гибридизации растений разных видов и родов|родов. Из гибридной растительной клетки на специальной среде можно вырастить клеточную массу – каллюс, дифференцирующуюся в нормальное целое растение с корнями, стеблями|стеблями и т. д. Такое гибридное растение можно высадить в землю и выращивать и размножать обычными способами. Эти методы, в отличие от традиционных, позволяют сравнительно легко и быстро получать достаточное количество генетически разнообразного исходного материала для селекции. Их применение привело, напр., к увеличению урожайности ряда культур – картофеля, цитрусовых и др.
Другое направление клеточной инженерии – манипуляции с безъядерными клетками, свободными ядрами и другими фрагментами, сводящиеся к комбинированию разнородных частей клетки. Эти эксперименты, а также микроинъекции в клетку хромосом, красителей и т. п. проводят для выяснения взаимных влияний ядра|ядра и цитоплазмы, факторов, регулирующих активность генов, и т. п.
Путём соединения клеток разных зародышей на ранних стадиях их развития выращивают мозаичных животных, или химер, состоящих из двух различающихся генотипами видов клеток. С помощью таких экспериментов изучают процессы дифференцировки клеток и тканей в ходе развития организма.
Ведущиеся уже не одно десятилетие опыты по пересадке ядер соматических клеток в лишённые ядра|ядра (энуклеированные) яйцеклетки животных с последующим выращиванием зародыша во взрослый организм с кон. 20 в. получили широкую известность как клонирование животных.
Преимущество клеточной инженерии в том, что она позволяет экспериментировать с клетками, а не с целыми организмами. Последнее гораздо сложнее, а иногда и невозможно, особенно в случае млекопитающих животных и человека или при получении отдалённых гибридов. Методы клеточной инженерии в медицине, сельском хозяйстве или биотехнологии часто применяют в сочетании с генной инженерией.
Видео по теме : Клеточная инженерия
Каждый живой организм состоит из клеток: начиная от бактерии, заканчивая высшими млекопитающими. Высшие организмы состоят из органов|органов, органы|органы состоят из тканей, ткани состоят из клеток. Всё|Все свойства любого организма определяются его геномом, который находится в клетке (в любой|любой из клеток данного организма).
По некоторым данным, геном|геном обыкновенной мухи и человека совпадают на три четверти. Ничего удивительного в этом нет. Основа генов — дезоксирибонуклеиновая кислота — ДНК — несёт всю информацию о построении всех белков и биохимии данного организма, а на долю «внешнего вида», размеров и веса|веса экземпляра биологического вида, по-видимому, отводится не так уж много. Короче говоря, Дарвин абсолютно прав, и эволюция на определённом узловом этапе связывает и муху и человека. И религии это нисколько не противоречит, поскольку она утверждает только факт создания жизни Богом, но никак не регламентирует саму технологию.
Генная и клеточная инженерия (это одно понятие) занимается вопросами связи между устройством ДНК и наследственными свойствами организмов. Конечно, она вооружена такими методами, о которых раньше, например, во времена Менделя, и мечтать не смели|смели.
Метод|Метод клеточной инженерии заключается на современном этапе в том, что специалисты получают фрагменты ДНК различных организмов и встраивают их в ДНК организма, выбранного как объект исследования. Этот метод|метод на языке учёных, обожающих специальные термины, называется экспрессией рекомбинантных ДНК. В качестве инструмента берутся рестриктазы — особые бактериальные ферменты, способные расщеплять ДНК. Их и называют образно — биологическими ножами.
Получив нужный ген (трансген), собранный из упомянутых фрагментов, встраивают его в молекулу ДНК, называемую вектором, и переносят её в клетку, где она реплицируется (размножается) самостоятельно или после объединения с «родной» хромосомой. Здесь возникают большие|большие сложности с аппаратурой, так как материал нужно ввести в микроскопическую клетку принудительно, но не нарушая её целостности. Для этого существует множество весьма изощрённых методов, поскольку естественными путями сделать этого нельзя. Разумеется, здесь нет никакой мистики, просто эволюция ничего такого не предусмотрела, напротив, поставила кучу препятствий в рамках естественного отбора.
Цель, которую несёт в себе клеточная инженерия: получение лекарств, выведение качественных сортов культурных растений, создание новых пород животных, и как высшая точка — избавление нашей цивилизации от всех болезней. Те, кто спорит (не хочется называть их мракобесами) должны иметь в виду, что один только синтетический инсулин спас и спасает миллионы диабетиков и продлевает им жизнь на десятки лет!
Опасения по поводу генной инженерии берут начало|начало с момента её рождения в 1972-ом году, когда группа П. Берга (США) синтезировала первую рекомбинантную ДНК из онкогенного вируса обезьян SV40 и E.coli. Последнее — это кишечная палочка, без которой человек не может жить. И в неё встроен вирус, вызывающий рак. Учёные в прямом смысле испугались, и даже не стали продолжать работы в тот момент. Наступил долгий период постановки исследований под строжайший контроль государства, сравнимый с контролем над работами по ядерному оружию.
К счастью, сложность и стоимость биологических генных работ сопоставима по сложности и стоимости с атомными исследованиями, и поэтому не по карману потенциальным террористам.
В действительности же клеточная инженерия это — палка о двух концах — она может дать человеку столько лет жизни, сколько он сам захочет, но может и посеять страшные несчастья для всего живого. Не спорьте, обратное не доказано, а «цена вопроса» известна. Всё|Все зависит от того, в чьих чистых или грязных руках находится клеточная инженерия. И по объективным причинам её нельзя ни запретить, ни подтолкнуть вперёд. Развитие науки подчиняется своим внутренним законам.
Источник
Клеточная селекция растений
Сомаклональная вариабельность. Метод культуры изолированных клеток, тканей и органов растений in vitro, широко используемый для решения многих фундаментальных вопросов клеточной биологии, физиологии и генетики растений, в настоящее время находит все большее применение и при создании новых биотехнологий. Начиная с первых работ по культивированию растительных клеток, тканей и органов особый интерес у исследователей вызвал вопрос о том, какие клеточные изменения могут происходить в изолированных клетках, растущих на искусственных питательных средах, и причины, их вызывающие. С разработкой техники получения растений-регенерантов из каллусной ткани появилась возможность получать новые формы растений, отличающиеся как по фенотипическим, так и по генетическим признакам от исходных растений. Такое разнообразие среди клеточных линий и растений-регенерантов получило название «сомаклоны», хотя еще в 70–80-е годы нашего столетия было принято называть растения, регенерировавшие из каллусной ткани, «калликлонами», а из протопластов – «протоклонами».
Генетическая природа и механизм возникновения сомаклональной изменчивости пока мало изучены. Однако четко можно выделить зависимость возникновения сомаклональных вариантов, прежде всего, от генетической гетерогенности соматических клеток исходного экспланта, генетической и эпигенетической изменчивости, индуцируемой условиями культивирования in vitro, а также от генотипа и исходного экспланта.
Дифференцированные клетки в нормальном растении могут иметь разную степень плоидности, но для отдельных видов характерно наличие только диплоидных клеток. Однако в процессе онтогенеза могут возникать клетки с разной плоидностью. Например, экспериментально доказано, что в меристемных тканях, наряду с фактором видового постоянства числа хромосом, почти у 80% покрытосеменных растений в процессе дифференцировки в соматических клетках может происходить эндоредупликация хромосом и формирование тканей различного уровня плоидности. Для вегетативно размножаемых и апомиктичных растений характерно образование с высокой частотой анеуплоидных клеток. Усиление хромосомных перестроек, приводящих к появлению химерности и миксоплоидии у растений, наблюдается при изменении условий произрастания, особенно при их резком ухудшении: засоление почв, повышенные или пониженные температуры, применение гербицидов или пестицидов, минеральных удобрений в повышенных дозах и др. Эти и другие часто встречающиеся в практике факторы могут приводить к физиологическим нарушениям, связанным, в первую очередь, с появлением аномальных митозов и формированием клеток с числом хромосом, отличающимся от такового в материнской ткани.
Цитологические исследования показали, что вариабельность, индуцируемая условиями культивирования in vitro, связана с генетическими изменениями. Прежде всего одним из основных источников появления фенотипических вариантов являются различные кариологические изменения и перестройки. Однако выявить, какие из них будут иметь фенотипический эффект и наследоваться как стабильная мутация генов, часто сложно. Как грубые, так и тонкие хромосомные изменения – мелкие деления, дупликации, транслокации, инверсии – могут вызвать существенные фенотипические изменения как в растениях-регенерантах, так и в последующем потомстве. Хромосомные изменения часто наблюдаются при мейозе. Анализ мейоза клетки в регенерантах показал такие интенсивные перестройки хромосом, как транслокация, инверсия, субхроматидный обмен, частичная утрата хромосом. Это является доказательством того, что большая часть фенотипических изменений обусловлена генетическими механизмами.
Сомаклональную изменчивость можно проследить на молекулярном уровне, оценивая тонкие перестройки ядерной ДНК.
Кроме сомаклональной вариабельности, связанной с наследуемыми перестройками генома, отмечены фенотипические изменения («эпигенетические»), которые могут стабильно передаваться дочерним клеткам, но не проявляться в растениях-регенерантах или их половом потомстве (Приложение 1).
Высокая степень разнообразия сомаклонов зависит от исходного генотипа, природы и стадии развития экспланта. Например, у различных злаков степень изменчивости среди сомаклонов может значительно различаться: у пшеницы (2n=6х=42) из 192 исследованных растений-регенерантов 29% были анеуплоидами, у гексаплоидного овса (2n=6х=42) выявлены цитоге-нетические изменения с такой же частотой, а для кукурузы частота возникновения анеуплоидных растений не превышала 2–3%. Образование полиплоидных и анеуплоидных растений может наблюдаться и у других видов, например, на картофеле. Причем частота появления новых вариантов у диких видов значительно ниже, чем у дигаплоидных линий культивируемого картофеля.
Тип исходного экспланта также влияет на появление сомаклональных вариантов, отличающихся количественными и качественными признаками. Для картофеля, например, аномальные растения получены в 12% случаев при использовании в качестве первичного экспланта мезофильных тканей листа, а в случае использования лепестков или оси соцветий частота формирования растений с фенотипическими отклонениями от нормы составила 50%.
Условия культивирования и, в частности, нарушение гормонального баланса питательной среды – одна из причин возникновения генетического разнообразия культивируемых клеток вследствие нарушения клеточного цикла, в частности митоза. От соотношения фитогормонов, входящих в состав питательных сред, во многом зависит цитогенетическая структура клеточных популяций. Однако морфологическая и цитогенетическая разнокачественность клеточных популяций может возникнуть и вследствие влияния отдельных компонентов питательной среды: некоторых минеральных солей, сахарозы или другого источника углеродного питания, витаминов, растительных экстрактов, а также от режима выращивания. Длительное культивирование клеток in vitro также способствует повышению генетического разнообразия сомаклонов. Причем для некоторых видов показано, что, несмотря на присутствие в культуре клеток разной плоидности, регенерировавшие растения были преимущественно диплоидными. Это явление было объяснено тем, что в процессе культивгирования отбирались растения-регенеранты с более или менее нормальной морфологией, которые регенерировали, как правило, в первую очередь.
Различные типы морфогенеза – соматический эмбриогенез или органогенез–также могут по-разному сказываться на генетических изменениях и, соответственно, на фенотипе растений. Экспериментально установлено, что при соматическом эмбриогенезе время прохождения цикла клетка – растение значительно короче, чем при органогенезе, поэтому степень сходства получаемого материала и исходного родительского генотипа может быть значительно выше.
Сомаклональные варианты имеют, несомненно, практическое применение в сельскохозяйственной практике, в силу появления форм, отличающихся от родительских по различным биохимическим, качественным и количественным признакам, а также цитогенетическим характеристикам. Например, получены сомаклоны картофеля сорта Зарево, отличающиеся высокой урожайностью, повышенной устойчивостью к заболеваниям, более высоким содержанием в клубнях протеина и крахмала. Причем наследование важных признаков при размножении клубнями сохранялось в течение трех лет полевых испытаний (В.В. Сидоров и др., 1984, 1985). Для растений табака получены через каллусную культуру сомаклоны, устойчивые к вирусу табачной мозаики, а для сахарного тростника» получен новый сорт, характеризующийся высокой урожайностью и повышенной устойчивостью к заболеваниям, в частности к болезни Fiji. В настоящее время метод культуры тканей начал широко использоваться в селекции не только кормовых и технических культур, но и декоративных и лекарственных растений. Примером тому может служить новый сорт пеларгонии Velvet Rose, полученный через каллусную культуру.
Таким образом, полученные положительные результаты свидетельствуют о необходимости более эффективного внедрения различных приемов получения сомаклональных вариантов в практику селекционной работы, и наиболее реальным является применение сомаклональной изменчивости для улучшения или «доработки» уже существующих сортов или линий по отдельным недостающим признакам.
Селекция растений на клеточном уровне. Значительный интерес представляет вопрос об использовании клеточной селекции в комплексе с получением сомаклонов. Одна из наиболее сильных сторон культуры in vitro в создании технологий для сельского хозяйства – возможность на основе сомаклональных вариаций или индуцированных мутаций отбирать в жестких селективных условиях клетки, характеризующиеся искомыми признаками.
Для проведения клеточной селекции используют следующие приемы:
— прямая (позитивная) селекция, при которой выживает лишь определенный искомый мутантный тип клеток;
— непрямая (негативная) селекция, основанная на избирательной гибели делящихся клеток дикого типа и выживания метаболически неактивных клеток, но требующая дополнительной идентификации у них мутационных изменений;
— тотальная селекция, при которой индивидуально тестируются все клеточные клоны;
— визуальная селекция и неселективный отбор, когда вариантная линия может быть идентифицирована среди всей популяции клеток визуально или при использовании биохимических методов (тонкослойная или жидкостная хроматография, радиоиммунный анализ, микроспектрофотометрия и др.).
Из перечисленных выше приемов клеточной селекции прямая селекция является наиболее распространенным методом и используется главным образом для выделения растений-регенерантов, устойчивых, например, к гербицидам, антибиотикам, токсинам, тяжелым металлам, солям и другим антиметаболитам.
Для проведения работ по клеточной селекции растений в условиях in vitro в качестве объекта исследования могут быть использованы каллусные, суспензионные культуры или изолированные протопласты. Выбор объекта зависит от наличия разработанных технологий применительно к различным видам растений, а также от конечных целей исследования.
Каллусная ткань представляет собой легко доступный материал, который наиболее часто используют для клеточной селекции. Как правило, работу проводят на первичной или пересадочной каллусной ткани, которая не утрачивает способности к регенерации на протяжении ряда субкультивирований. Однако при работе с каллусными культурами многие исследователи отмечают существенные недостатки данного объекта, медленный рост ткани, неравноценное для всех клеток действие токсических веществ, которые применяются в качестве селективного фактора, а также потеря регенерационной способности в процессе культивирования каллусных клеток. Несомненно, проводить селекцию целесообразно на уровне одиночных клеток (суспензионная культура, протопласты). Однако для многих видов растений не разработаны эффективные технологии и способы культивирования одиночных клеток. Поэтому, несмотря на перечисленные выше недостатки использования каллусных культур, этот способ селекции остается для некоторых видов растений пока единственным.
Получение стабильно устойчивых линий – процесс длительный. Как правило, селекция начинается с получения достаточного количества каллусной массы из изолированных растительных эксплантов, использующейся в дальнейшем для определения концентрации селективного фактора (построение дозовой кривой), при которой наблюдается одновременно рост каллусной ткани, и в то же время часть каллусных колоний погибает. Выбранная концентрация селективного фактора признается оптимальной и используется в дальнейших экспериментах. Так как первично полученные на средах с селективными факторами колонии клеток могли возникнуть вследствие физиологической адаптации или определенного состояния дифференцировки клеток и не быть генетически устойчивыми, то в течение последующих 4–6 субкультивирований на селективной среде проверяется стабильность устойчивости полученных клонов. Затем их переносят на среду без селективного фактора и субкультивируют еще 2–3 пассажа. И только после повторного возвращения в селективные условия отбирают стабильные клоны, из которых пытаются получить растения-регенеранты. Однако работы, проведенные с получением растений, устойчивых к повышенным солям, а также к токсинам, выделенным из грибов–возбудителей болезней, показали, что устойчивость клетки и растения к исследуемому селективному фактору может совпадать и не совпадать. Прямая корреляция между устойчивостью растений и клеток in vitro отмечена лишь для низких температур, устойчивостью к гербицидам, высоким концентрациям алюминия и другим факторам.
Большое число работ по культивированию каллуса, с целью получения нового селекционного материала, проведено на пшенице, ячмене, рисе, сорго, а также на картофеле, томатах, люцерне и, крайне редко, на древесных. Уже достигнуты первые положительные результаты по получению растений пшеницы, риса, картофеля, устойчивых к NaCl или Na2S04. Получены клетки, а из них растения моркови, которые синтезируют в 20 раз больше метионина, в 30 раз – триптофана, в 5 раз – лизина путем добавления в питательную среду токсичных аналогов аминокислот. Для картофеля получены растения, устойчивые к кольцевой гнили. Что касается древесных, то для них работы в этом направлении крайне редки и часто имеют поисковый характер. Таким образом, использование каллусной культуры в селекционных целях открывает огромные возможности в создании новых форм растений, несущих ценные признаки, необходимые для человечества.
Наряду с перечисленными выше объектами (каллусная, суспензионная культура, изолированные протопласты), в качестве исходного материала для селекции могут быть использованы культуры соматических или андрогенных эмбриоидов, такие органогенные экспланты, как сегменты листьев или различные меристематические и стеблевые части растений, а также культура изолированных зародышей. Например, путем культивирования и селекции in vitro зародышей из семян получены растения ячменя, устойчивые к аналогам аминокислот, с улучшенным содержанием белка. Для картофеля разработан эффективный метод обработки побегов и черенков мутагеном, приводивший к получению химерных мутантов хлорофиллдефектности и антибиотикоустойчивости. При культивировании пыльников яровой пшеницы сорта Саратовская-29 и Москов-ская-35 на питательных средах с повышенным содержанием солей хлорида натрия получены соматические эмбриоиды, а в дальнейшем растения-регенеранты, проявившие повышенную солеустойчивость (Беккужина, 1993).
Таким образом, проведение селекции на клеточном уровне позволяет создавать новые формы растений в 2–4 раза быстрее по сравнению с традиционными способами селекции.
Источник