ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СЕЛЕКЦИИ

1. Общая характеристика селекции

Селекция – наука о создании новых и улучшении существующих пород животных, сортов растений, штаммов микроорганизмов. Теоретической основой селекции является генетика.

Задача селекции – создание новых и улучшение существующих пород, сортов, штаммов различных организмов.

Для решения задач селекции любых организмов необходимо:

- знание закономерностей наследования признаков;

- изучение наследственной изменчивости;

- изучение влияния среды на развитие признаков (модификационная изменчивость);

- изучение сортового, видового, родового разнообразия культур;

- разработка стратегий и методов искусственного отбора.

Породы, сорта, штаммы – это искусственно созданные человеком популяции организмов. Для них характерен набор интересующих человека признаков, закрепленных наследственно.

Селекция растений

Н.И. Вавиловым была собрана коллекция сортов культурных растений и их диких предков со всего земного шара, на основании чего были открыты 7 центров древнего земледелия, или центров многообразия и происхождения культурных растений. Именно в этих центрах необходимо искать генотипы для селекции нужных признаков.

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

К настоящему времени выделяют 12 первичных центров происхождения культурных растений.

Методы селекции

1. Гибридизация

а) инбридинг (близкородственное скрещивание) используют для получения таких линий, которые при последующем скрещивании дают эффект гетерозиса.

Гетерозис («гибридная сила») – явление, при котором гибриды по ряду признаков и свойств превосходят родительские формы. Начиная со второго поколения гетерозис затухает.

б) аутбридинг – скрещивание неродственных форм одного вида (нет общих предков в пределах четырех – шести поколений).

в) отдаленная гибридизация – скрещивание особей (растений), относящихся к разным видам.

Отдаленные гибриды обычно стерильны, так как у них нарушается мейоз (два гаплоидных набора хромосом разных видов не могут конъюгировать), и гаметы не образуются.

Пример: капустно-редечный гибрид.

Селекция животных

В селекции животных используются те же основные методы – гибридизация и отбор.

Особенности селекции животных:

- в основном половое размножение, немногочисленное потомство;

- редкая смена поколений.

Современные (дополнительные) методы селекции:

- искусственное осеменение;

- трансплантация эмбрионов;

- отдаленная гибридизация.

Примеры: гибрид йоркширской белой свиньи (самец) и беспородной украинской свиньи (самка) – белая степная свинья; гибрид кобылицы с ослом – мул: вынослив, долго живет, но бесплоден.

Иногда гаметогенез протекает нормально и получаются плодовитые гибриды – архаромериносы (архар и меринос), бестер (белуга со стерлядью), хонорик (хорек и норка).

Биотехнология. Генная инженерия

Биотехнология – использование живых организмов и их биологических процессов в производстве необходимых человеку веществ и продуктов. Объекты биотехнологии – бактерии, грибы, клетки растительных и животных тканей. Их выращивают на питательных средах в специальных условиях в биореакторах.

Основные методы биотехнологии:

- клеточная инженерия (соматическая гибридизация – слияние соматических клеток, селекция клеток);

- хромосомная инженерия;

- генная инженерия.

Генная инженерия – совокупность методик, позволяющих выделить нужный ген из генома одного организма и ввести его в геном другого организма.

Трансгенные организмы – животные и растения со «встроенным» геном.

Трансформированные организмы – бактерии и грибы с введенным чужеродным геном.

Пример: Кишечная палочка Е. coli, живущая в кишечнике человека, после трансформации генами инсулина или гормона роста приобрела способность синтезировать гормоны инсулин или соматотропин. Используется как продуцент гормонов.

ЭВОЛЮЦИОННОЕ УЧЕНИЕ

Основные положения учения Ч.Дарвина:

1) Наследственная изменчивость является основой эволюционного процесса;

2) Борьба за существование – основной фактор эволюции;

3) Естественный отбор – результат наследственной изменчивости и борьбы за существование.

Формы естественного отбора:

1) Движущий естественный отбор – происходит при изменении условий существования организмов. Направлен в пользу особей, имеющих отклонения от средней нормы проявления признака. В результате возникает новая средняя форма, более соответствующая изменившимся условиям.

Примеры:

а) возникновение у насекомых-вредителей устойчивости к ядохимикатам;

б) распространение темноокрашенных бабочек березовой пяденицы в условиях потемнения коры берез от задымления.

2) Стабилизирующий естественный отбор – происходит в неизменных, постоянных условиях существования. Направлен против особей, имеющих отклонения от средней нормы выраженности признака. В результате происходит сохранение и укрепление средней нормы проявления признака.

Пример: сохранение у насекомоопыляемых растений формы, размера и цвета цветков – они должны соответствовать форме и величине тела у насекомых-опылителей, строению его хоботка.

3) Дизруптивный естественный отбор – происходит в резко изменяющихся условиях существования. Направлен в пользу особей, имеющих крайние отклонения от средней нормы признака. В результате возникает новая средняя форма.

Пример: при сильных частых ветрах на океанских островах сохраняются насекомые либо с очень хорошо развитыми крыльями, либо с рудиментарными крыльями, утратившие способность к полету.

Виды естественного отбора:

1) Индивидуальный – направлен на сохранение особей, имеющих признаки, обеспечивающие им успех в борьбе за существование в пределах популяции вида.

Пример: покровительственная окраска у насекомых, делающая их незаметными на фоне окружающего ландшафта.

2) Групповой – направлен на сохранение признаков, благоприятных для группы особей, вступивших в прямые или косвенные отношения с другими популяциями. Эти признаки не всегда могут быть полезными для отдельных особей группы.

Пример: предостерегающая окраска у насекомых.

Известны 2 формы эволюции – микроэволюция и макроэволюция.

1) Микроэволюция – происходит внутри вида, его популяций. Может происходить в исторически короткое время и быть доступной непосредственному наблюдению и изучению. Происходит на основе мутационной изменчивости, дивергенции, борьбы за существование и естественного отбора. Результатом является формирование новых подвидов, экологических рас и видов.

2) Макроэволюция – надвидовая эволюция. Происходит в исторически очень большие промежутки времени и недоступна непосредственному наблюдению и изучению. Не имеет специфических механизмов; предположительно осуществляется посредством микроэволюционных механизмов, являясь их интегративным выражением. Результатом является формирование таксонов высокого ранга: родов, семейств, отрядов и т.д.

Основные закономерности эволюции:

1) Дивергенция – расхождение признаков организмов в ходе эволюции разных линий, возникших от общего предка.

Возникает в результате дизруптивного отбора, а также изоляции популяций. При расхождении признаков отбором преимущественно сохраняются крайние формы.

Результатом и доказательством дивергенции является появление гомологичных органов – органы, соответствующие друг другу по строению и имеющие общее происхождение, но выполняющие разные функции.

Пример: различия в функциях клювов у клеста-еловика и клеста-сосновика.

2) Конвергенция – результат приспособления организмов к сходным условиям жизни, схождение признаков у особей разных систематических групп в процессе эволюции.

Схождение признаков затрагивает органы, связанные со сходными условиями среды. Результатом и доказательством конвергенции является появление аналогичных органов – органы, выполняющие сходные функции, но имеющие принципиально различное строение и происхождение.

Примеры: крылья бабочек и летучих мышей, жабры рыбы и рака, роющие конечности крота и медведки.

3) Параллелизм – независимое развитие сходных признаков в эволюции близкородственных групп организмов.

Пример: у китообразных и ластоногих независимо друг от друга передние конечности превратились в ласты как приспособление к водному образу жизни.

Главной целью эволюционного процесса является достижение биологического прогресса – когда численность вида высокая, ареал вида расширяется, образуются новые популяции вида.

Пути достижения биологического прогресса (главные направления эволюции):

1) Морфофизиологический прогресс (арогенез) – приобретение крупных изменений в строении (ароморфозов), при этом существенно повышается уровень организации организмов. Ароморфозы дают возможность расширить использование условий окружающей среды, освоить новые местообитания.

Примеры: появление челюстей у позвоночных, замена гладкой мускулатуры червей на поперечно-полосатую у членистоногих, появление семян у семенных растений.

2) Аллогенез – приобретение частных приспособлений к условиям среды (идиоадаптаций), к специфике определенного местообитания. Изменения уровня организации не происходит.

Примеры: крючковидные клювы у хищных птиц, ласты у китов и тюленей, плоская форма тела у камбалы и скатов.

Крайней формой идиоадаптаций является специализация – крайняя степень приспособления к конкретным, ограниченным условиям существования (питание коала только листьями эвкалипта, колибри – только нектаром цветков тропических растений).

3) Морфофизиологический регресс (катагенез) – упрощение организации, исчезновение органов активной жизни (общая дегенерация). Связан с переходом организмов к паразитическому или сидячему образу жизни.

Пример: утрата корней и листьев у растений-паразитов, исчезновение многих систем органов у ленточных червей.

Правила эволюции:

1) Необратимость эволюции

2) Прогрессирующая специализация

3) Чередование главных направлений эволюции

Этапы развития органического мира на Земле:

1) Архейская эра(3,5 млрд. л.н. – 2,6 млрд. л.н.)– возникновение в первичном океане жизни (простейшие одноклеточные организмы, обладающие свойствами живого).

2) Протерозойская эра (2 млрд. 600 млн. л.н. – 570 млн. л.н.) – возникновение всех типов беспозвоночных животных и одноклеточных зеленых водорослей. Возникновение фотосинтеза.

3) Палеозойская эра(570 млн. л.н. – 230 млн. л.н.) – включает 6 периодов:

а) Кембрийский (кембрий) (570-490 млн. л.н.) – расцвет морских беспозвоночных, появление организмов с минерализованным скелетом; возникновение многоклеточных водорослей.

б) Ордовикский (ордовик) (490-435 млн. л.н.) – появление первых позвоночных – бесчелюстных рыбообразных; господство трилобитов, иглокожих. Разнообразие водорослей.

в) Силурийский (силур) (435-400 млн. л.н.) – появление первых древних рыб и беспозвоночных животных, дышащих атмосферным воздухом. Выход растений на сушу – возникновение риниофитов (псилофитов).

г) Девонский (девон) (400-345 млн. л.н.) – появление всех групп рыб. Освоение суши паукообразными (первые наземные животные), появление первых наземных позвоночных – стегоцефалов (предки земноводных). Появление плауновидных, хвощевидных и папоротниковидных растений, возникновение грибов. Появление семенных папоротников.

д) Каменноугольный период (карбон) (345-280 млн. л.н.) – распространение моллюсков, коралловых полипов, рыб. Расцвет земноводных, появление первых пресмыкающихся, летающих насекомых. Господство споровых растений, появление первых хвойных. Образование в болотах залежей каменного угля и торфа.

е) Пермский (пермь) (280-230 млн. л.н.) – развитие пресмыкающихся; вымирание большой группы беспозвоночных животных и ряда позвоночных (рыб и земноводных). Вымирание папоротников, хвощей и плаунов. Распространение хвойных.

4) Мезозойская эра (230-65 млн. л.н.) – включает 3 периода:

а) Триасовый (триас) (230-190 млн. л.н.) – начало господства рептилий: появление динозавров, крокодилов, черепах. Появление первых млекопитающих, настоящих костистых рыб. Вымирание семенных папоротников.

б) Юрский (юра) (190-135 млн. л.н.) – господство рептилий. Появление новых групп моллюсков (головоногих). Появление первоптиц. Широкое распространение папоротников, голосеменных.

в) Меловой (мел) (135-65 млн. л.н.) – появление настоящих птиц, млекопитающих. Преобладание в водоемах костистых рыб. Вымирание крупных рептилий. Расцвет насекомых. Сокращение числа папоротников и голосеменных. Появление первых покрытосеменных.

5) Кайнозойская эра (65 млн. л.н. – настоящее время) – включает 3 периода:

а) Палеоген (65-25 млн. л.н.)

б) Неоген (25-2 млн. л.н.)

а)+б) – расцвет насекомых. Широкая дивергенция птиц. Появление многих отрядов млекопитающих. В водоемах – разнообразие моллюсков, ракообразных, костистых рыб. Господство покрытосеменных. Появление тайги и тундры.

в) Антропоген (начался 2 млн. лет назад) – появление и развитие человека. Современный растительный и животный мир.

Основные стадии антропогенеза:

1) Отделение ветви гоминид (более 10 млн. лет назад): от насекомоядных млекопитающих произошло отделение гоминидной линии приматов (становление и развитие дриопитеков и парапитеков). Ответвлениями гоминидной линии являются современные человекообразные обезьяны – орангутанг, горилла, шимпанзе. Распространение: Индия и Африка.

2) Прегоминидная стадия (5-2 млн. лет назад): появление и становление австралопитека. Характерно прямохождение и использование предметов труда (камни, палки и т.д.). Распространение: Африка и Азия.

3) Гоминидная стадия (2 млн. лет назад): появление и становление человека умелого. Характерно изготовление орудий труда (обработанные камни, палки и т.д.). Распространение: Африка.

4) Древнейшие люди (600-400 тыс. лет до н.э.): появление и становление человека прямоходящего (питекантропа). Характерно поддерживание огня, примитивная речь, простые формы коллективной деятельности. Распространение: Африка (питекантроп), Восточная Азия и Индонезия (синантроп), Европа (гейдельбергский человек).

5) Древние люди (250-40 тыс. лет до н.э.): появление и становление неандертальца. Характерно добывание огня, сложные формы коллективной деятельности, забота о ближних, примитивная речь. Распространение: Европа, Азия, Африка.

6) Современные люди (менее 40 тыс. лет до н.э.): появление и становление кроманьонца. Характерна настоящая речь, мышление, искусство. Распространение: повсеместно, кроме Антарктиды.

7) Современный этап (менее 10 тыс. лет до н.э.): развитие человеческой цивилизации (промышленность, с/х, наука, техника).

ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ

Термин «экология» («ойкос» - дом, жилище; «логос» - наука) ввел Э. Геккель.

Экология – наука, изучающая взаимоотношения организмов с окружающей их органической и неорганической средами.

- взаимоотношения организмов между собой и окружающей их средой, с учетом изменений, вносимых деятельностью человека.

В экологии четко выделяются разделы, основывающиеся на следующей схеме:

Особь → популяция → вид → сообщество (биоценоз) → биогеоценоз (экосистема) → биосфера.

В связи с этими уровнями организации живой материи выделяют следующие разделы:

1) Аутэкология – экология особей.

- изучает взаимоотношения особей с внешней средой; реакции и приспособления организмов к физико-химическим условиям окружающей среды.

Пример: изучение отдельного экземпляра вида дуб в лесу – аутэкологическое исследование.

2) Демэкология – экология популяций.

- изучает естественные группировки особей 1 вида (популяции). Выясняет условия, при которых формируются популяции; изучает взаимоотношения между особями в популяции, их организацию, динамику, численность.

3) Эйдэкология – экология видов.

- наименее разработанный раздел современной экологии, т.к. с аут- и демэкологических исследований традиционно переключаются на синэкологию (т.е. особь → популяция → биоценоз).

4) Синэкология – экология сообществ и экосистем.

- изучает ассоциации популяций разных видов растений, животных и микроорганизмов, образующих биоценозы и экосистемы, их структуру, взаимоотношения между собой и окружающей средой. Являются общебиологическими исследованиям и объединяют аут-, дем- и эйдэкологию.

5) Глобальная экология – экология биосферы.

Мало изученный раздел, т.к. на современном этапе трудно осуществим глобальные исследования и мониторинг планетарного масштаба.