Селекция и биотехнология: учебный материал

Онлайн-школа БиоУм
Селекция.
Биотехнология
Онлайн-школа БиоУм
Селекция — это наука о создании новых пород животных, сортов растений и
штаммов микроорганизмов
Порода, сорт или штамм — это искусственно созданная человеком группа
организмов одного вида, обладающая признаками, полезными для человека
Задачи селекции:
1 Повысить продуктивность сортов растений, пород животных, штаммов
микроорганизмов
2 Создать устойчивых к заболеваниям сорта растений и породы животных
3 Проанализировать закономерности наследственной изменчивости при мутационном
процессе и гибридизации
4 Получить породы животных, сорта растений, штаммы микроорганизмов, которые
пригодны для промышленного выращивания, разведения и уборки
1
Методы селекции
Гибридизация
— это скрещивание организмов и получение потомства
Близкородственная гибридизация (инбридинг, ицухт)
— это скрещивание близкородственных форм (родители-потомки, братья-сестры), которое
ведет к получению гомозиготных (чистых) линий с желаемыми признаками
1
Онлайн-школа БиоУм
При этом наблюдается инбредная депрессия (угнетение жизнедеятельности в
результате перехода большинства генов в гомозиготное состояние) и опасность
потери ценных генов, которые были у предков
чаще всего используется в селекции растений
способствует закреплению наследственных признаков
ведет к снижению жизнеспособности и продуктивности (проявляются скрытые
рецессивные гены)
Неродственная гибридизация (аутбридинг)
1 Внутривидовая
— скрещивание неродственных
организмов одного вида
2 Отдаленная (межвидовая)
— скрещивание особей,
относящихся к разным видам
Плюсы
ведет к повышению гетерозиготности (наличие в генотипе различных аллелей гена)
влечет за собой повышение жизнеспособности и продуктивности – гетерозис
(гибридная сила)
применяется для получения гибридов, которые сочетают в себе полезные признаки
родительских форм
Минусы:
в последующих поколениях эффект гетерозиса может затухать
при межвидовом скрещивании гибриды будут стерильны (бесплодны)
2
Онлайн-школа БиоУм
Примеры межвидового скрещивания:
гибриды бывают стерильными (бесплодными)
+
=
Кобылица
Осёл
+
Ослица
Мул
=
Жеребец
Лошак
гибриды бывают фертильными (плодовитыми)
+
=
Тонкорунная овца
Горный баран архар
+
Белуга
Архаромеринос
=
Севрюга
3
Бестер
Онлайн-школа БиоУм
+
=
Хорек
Хонорик
Норка
+
=
Крупный рогатый скот
Хайнак
Як
Гетерозис
— явление повышенной урожайности и жизнеспособности у гибридов первого поколения,
полученных при скрещивании родителей чистых линий
из поколения в поколения данный
эффект затухает, по причине
возрастания гомозиготности
AAbb
4
x
aaBB
=
AaBb
2
Онлайн-школа БиоУм
Искусственный (индуцированный) мутагенез
— это искусственное получение мутаций с целью выведения организмов с
измененным генотипом и новыми свойствами
используется в селекции бактерий (получение новых штаммов) и селекции растений
(полиплоидия, получение новых сортов)
в селекции животных не используется
мутации носят ненаправленных характер, поэтому селекционер сам отбирает
организмы с новыми полезными свойствами
Пример: обработка семян пшеницы Новосибирская
7 рентгеновскими лучами привела к получению
высокопродуктивного сорта пшеницы
Новосибирская 67
с помощью мутагенеза можно получать полиплоидные растения и тем самым
преодолеть бесплодие межвидовых гибридов
Полиплоидия (полиплодизация)
— это кратное увеличение числа хромосом
применяют при создании сортов пшеницы, ржи, овса, хлопчатника и других культур
для животных не применим
Искусственно полиплоидию вызывают специальным веществом – колхицином.
Колхицин разрушает нити веретена деления и препятствует равномерному
расхождению гомологичных хромосом в процессе деления клетки
5
Онлайн-школа БиоУм
Георгий Дмитриевич
Карпеченко
Бесплодие отдаленных гибридов преодолел Г. Д.
Карпеченко, путем полиплоидии
Он получил плодовитый капустно-редечный гибридрафанобрассика, удвоив геномы капусты и редьки. У гибрида
18 хромосом капустных и 18 хромосом редечных (всего 36
хромосом). При мейозе капустные хромосомы конъюгируют
с капустными, а редечные конъюгируют с редечными. В
результате гаметы содержат 9 капустных хромосом и 9
редечных хромосом (всего 18 хромосом)
Искусственно полиплоидию вызывают колхицином (разрушает нити веретена
деления и препятствует равномерному расхождению гомологичных хромосом)
n=9
Гаметы
n=9
x2
Редька
2n = 18
Гибрид F1
2n = 9 + 9 = 18
Капуста
2n = 18
6
Гибрид рафанобрассика
2n = 36
3
Онлайн-школа БиоУм
Отбор
Отбор
Искусственный
Естественный
повышает
приспособляемость
организмов к
условиям внешней
среды
Методический
Бессознательный
осознанно
(целенаправленно)
направлен на
выведение сорта или
породы с желаемыми
качествами
сохранение человеком лучших
особей для разведения и
употребления в пищу худших, без
сознательного намерения
вывести более совершенную
породу/сорт
Массовый
Индивидуальный
— это отбор, при котором из исходной
группы отбирается достаточно большое
число особей, лучших по
селекционируемым фенотипическим
признака
отбор осуществляется по фенотипу
(генотип не учитывается
применяется для
перекрестноопыляемых растений
(подсолнечник, кукуруза) и
микроорганизмо
в селекции животных практически не
применяется
— это отбор отдельных особей
по селекционируемым
признака
отбор осуществляется как по
фенотипу, так и по генотип
применяют для
самоопыляемых растений
(пшеница, горох
в селекции животных
применяют жесткий
индивидуальный отбор по
хозяйственно ценным
признакам
7
Онлайн-школа БиоУм
Частные случаи индивидуального отбора для животных:
1. Отбор по экстерьеру – отбор по совокупности фенотипических внешних признаков
животных (телосложение, соотношение частей тела, окрас)
2. Испытание производителя по потомству – оценка породы животного по качеству
его потомства (для самцов)
Экстерьер крупного рогатого скота
мясного направления
(шортгорнская порода)
Экстерьер крупного рогатого скота
молочного направления
(джерсейская порода)
Этапы вывода нового сорта или породы с помощью отбора:
1
3
Подбор и скрещивание родительских пар
2
Получение гибридов первого
поколения
Отбор лучших гибридов среди потомков, оценка их качеств, испытание на
урожайность, продуктивность
4
Стандартизация сорта и породы, присваивание им названий и
регистрация, использование лучших потомков как родоначальников
сорта, породы для разведения в массовой практике
7
Онлайн-школа БиоУм
Вклад Н.И. Вавилова в селекцию
1. Учение о центрах происхождения
культурных растений
Каждая сельскохозяйственная культура лучше
развивается в тех условиях, которые наиболее
похожи на те, откуда произошло это растение
Николай Иванович
Вавилов
Центры происхождения культурных растений по Вавилову
Центральноамериканский
Южноамериканский
Средиземноморский
Юго-Западноазиатский
Южноазиатский
тропический
Абиссинский
8
Восточноазиатский
Онлайн-школа БиоУм
№
п/п
Название
1
Центральноамериканский
2
Средиземноморский
3
ЮгоЗападноазиатский
4
5
6
7
Местоположение
Южная Мексика
Страны по берегам Средиземного
моря
Малая и Средняя Азия, Иран,
Афганистан, Юго-Западная Индия
Западное побережье Южной
Андийский
(Южноамериканский) Америки
Эфионский
Абиссинское нагорье Африки
(Абиссинский)
Тропическая Индия, Индокитай,
Южноазиатский
Южный Китай
тропический
Центральный и Восточный Китай,
Восточноазиатский
Япония, Корея, Тайвань
Культурные растения
Кукуруза, какао, табак, хлопчатник,
красный перец, подсолнечник
Капуста, маслина, инжир, сахарная
свёкла
Мягкая пшеница, рожь, лён, бобы,
морковь
Картофель, томат, ананас, арахис
Твёрдая пшеница, кофе, банан,
ячмень
Рис, сахарный тростник, огурец,
баклажан, черный перец
Соя, гречиха, редька, просо, слива
Для дополнительных записей
9
Онлайн-школа БиоУм
2. Закон гомологических рядов
наследственной изменчивости
Виды и роды генетически близкие обладают сходными рядами наследственной
изменчивости
Этот закон позволяет предвидеть сходные мутации у родственных форм
Гомологические ряды изменчивости у пшеницы и ячменя по признаку остистости
а
б
в
г
а — в — формы мягких пшениц
г — е — формы твёрдых пшениц
ж — и — формы шестирядного ячменя
а, г, ж — остистые
б, д, з — короткоостые
в, е, и — безостые
10
д
ж
з
и
к
Онлайн-школа БиоУм
Вклад И. В. Мичурина в селекцию
Иван Владимирович
Мичурин
Методы, предложенные Мичуриным:
МЕТОД
1
Ментора (воспитателя)
— прививка гибрида ко взрослому растению, передающему свои
качества выводимому сорту
Примеры:
=
+
Алыча
Терн дикий
11
Слива домашняя
Онлайн-школа БиоУм
=
+
Вишня
Черемуха
Церападус
Применение метода ментора можно показать на примере выведения
Мичуриным сорта яблони Бельфлер-китайка:
1
3
Мичурин скрестил южный сорт Бельфлер желтый с холодостойкой китайкой
2
Полученный сеянец при первом плодоношении дал плоды
недостаточно крупные и летние по созреванию. Для того, чтобы
исправить этот недостаток, ученый привил в крону деревца молодого
сорта несколько черенков Бельфлера желтого и других зимних сортов
Через несколько лет сеянец был привит в крону двадцатилетнего дерева
Антоновки полуторафутовой.
2
МЕТОД
Под влиянием веществ, вырабатываемых листьями
сортов-менторов, у Бельфлер-китайки плоды стали
крупными. Это свойство закрепилось и передается по
наследству при вегетативном размножении сорта.
Посредника
— метод, при котором два растения не могут скрестить напрямую и
тогда берут «посредника», то есть одно растение скрещивают с
«посредником» и получают гибрид, с которым скрещивают второе
растение
12
4
МЕТОД
3
Опыления смесью пыльцы
— метод, при котором брали нужную пыльцу, смешивали с чужой
пыльцой, которая способствовала лучшему восприятию пыльцы
растением
МЕТОД
Онлайн-школа БиоУм
Предварительного вегетативного сближения
— метод, при котором растения перед скрещиванием предварительно
прививают друг на друге
Обобщенная схема по методам селекции растений, животных и микроорганизмов
Методы селекции
микроорганизмов
Искусственный
отбор
массовы
Гибридизаци
Мутагене
Генная
инженерия
Методы селекции растений
Методы селекции животных
Искусственный отбор
массовый у
перекрестноопыляемых
индивидуальный у
самоопыляемы
Гибридизаци
Мутагене
Полиплоиди
Метод ментора (Мичурина
Клеточная инженери
Генная инженерия
Искусственный отбор
индивидуальны
Гибридизаци
тбор по кстерьер
Испытание производителя
по потомств
Клеточная инженери
Генная инженери
пеци ические методы
искусственное осеменение,
гормональная
суперовуляция,
трансплантация яйцеклеток
13
О
С
э
ф
:
Онлайн-школа БиоУм
БИОТЕХНОЛОГИЯ
Биотехнология — это отрасль науки и производства, которая использует живые
организмы и их биологические процессы в производстве необходимых человеку
веществ
Задачи биотехнологии
1 Производство с помощью микроорганизмов биологически активных соединений
(витаминов, гормональных препаратов), лекарственных препаратов (антибиотиков,
вакцин, сывороток)
2 Применение биологических методов борьбы с загрязнением окружающей среды
(биологическая очистка сточных вод, загрязнений почвы и т.д.) и для защиты растений
от вредителей и болезней
3 Создание новых полезных микроорганизмов, сортов растений, пород животных
Методы биотехнологии
01
Микробиологический синтез
— использование микроорганизмов для получения,
витаминов, ферментов, антибиотиков, лекарственных
препаратов, гормонов
Пример: глюкозо-фруктозовые сиропы-заменители
обычного сахара, из которых в промышленных масштабах
получают фруктовый сахар
14
Онлайн-школа БиоУм
02
Генная инженерия
— это процесс создания новых комбинаций генетического материала, получение
рекомбинантных ДНК, РНК и плазмид бактерии и грибы, в геном которых внедрены «чужие» гены называются
трансформированными
Этапы создания трансформированных бактерий:
1. Рестрикация («вырезание»
нужных генов при помощи
ферментов-рестриктаз), иногда
для пересадки используются
синтезированные гены 2. Создание вектора
(специальной генетической
конструкции, в составе которой
намеченный ген будет внедрен в
геном другой клетки), чаще всего
в качестве векторов используют
плазмиды или вирусы, гены
«вшиваются» в вектор при
помощи ферментов-лигаз
3. Трансформация (внедрение
вектора в бактерию)
4. Скрининг (отбор тех бактерий,
в которых внедренные гены
успешно работают)
5. Клонирование (бесполое
размножение
трансформированных бактерий)
Бактериальная
клетка
Клетка
млекопитающего
Рестрикция
Выделенная
плазмида
ДНК
млекопитающего
Лигирование
Липкие концы
ДНК
плазмида
Ген
млекопитающего
Рекомбинантная
плазмида
Бактериальная
клетка
Трансформация
ДНК бактерии
Скрининг
Отпечаток
Колонии бактерий
Обработка 32Р
фильтра
Рентгеновская пленка
Пример: кишечную палочку научили продуцировать человеческий инсулин для лечения
сахарного диабета
15
Онлайн-школа БиоУм
03
Клеточная инженерия
— конструирование клеток нового типа на основе
их культивирования, гибридизации и
реконструкции
Методы:
1. Метод культуры клеток и тканей —
выращивание из отдельных клеток целых тканей
2. Клонирование — выращивание из одной клетки целого организма Клонирование Долли
овца породы
Фин Дорсет
Неоплодотворенная
Извлечение ядра
яйцеклетки
яйцеклетка
Долли, порода
Фин Дорсет
Донорские клетки
взяты из молочной
железы
Донорские клетки
в пониженной
питательной среде
Донор
яйце-
клетки
Суррогатная
мать
Имплантация
эмбриона
Введение ядра
клетки донора в
яйцеклетку
Оплодо-
творение
Слияние
клеток
16
Онлайн-школа БиоУм
3. Соматическая гибридизация клеток — получение гибридных растений в результате
слияния протопластов, изолированных из соматических клеток родительских форм Растения разных видов
Выделение клеток и их
перенос на питательную
среду
Слияние клеток
Выращивание гибридных
растений
17
Онлайн-школа БиоУм
4. Слияние эмбрионов животных на ранних стадиях для получения химерных животных 3
1
2
ДНК с генами человека
размножают в
бактериях
Полученные ДНК
впрыскивают в
яйцеклетку под
микроскопом
У свиньи забирают
яйцеклетку
4
5
Яйцеклетку
шприцом вводят в
рог матки
У потомства берут
пробу тканей и
проводят анализ ДНК
6
18
Выращенный в свинье
орган трансплантируют
человеку
Онлайн-школа БиоУм
Иммунобиотехнология
Иммунобиотехнология — создание искусственных гибридов антител
Гибридомные клетки одного клона синтезируют однотипные антитела, поэтому их
называют моноклониальными антителами
Антигены
Антиген
Сайт связывания антигена
Антитело
моноклониальные антитела используются против возбудителей менингита,
энцефалита, холеры, вируса гепатита В
применяются также для определения совместимости групп крови,
лейкоцитов, тканей
в онкологии используются для диагностики заболеваний и торможения роста
опухолей
19
Онлайн-школа БиоУм
Биоэнергетика
Биогаз — одна установка за сутки дает 500 м3
биогаза из 1 т навоза (примерно 350 л бензина)
используется для нагрева воды в системе отопления
и в тепличных хозяйствах
В основе лежит анаэробное (бескислородное) разложение органики с
образованием метана, при этом не только утилизируется навоз, но и происходит
уничтожение яиц гельминтов, вредных микроорганизмов, семян сорняков
Биосоляр — солнечный биогенератор, в котором в
качестве источника энергии используют зеленую
одноклеточную водоросль – хлореллу
!
Важно
Хлорелла растет в специальных культиваторах светосборниках, а выделяемый
метан собирается особые пазовые колонки
20
Онлайн-школа БиоУм
БИОПРИНТИНГ
Биопринтинг (биопечать) — технология создания объёмных моделей на клеточной
основе с использованием 3D-печати
Август Борн
разъединил ткани головастика на части, а потом ненадолго вышел из лаборатори
вернувшись, он обнаружил, что ткани вновь срослись
Клетки многих тканей, когда начинают делиться, сначала образуют сферические
структуры (сфероиды)
Эти сфероиды сливаются в более крупные структуры
Затем были выделены белки, которые запускают процесс клеточной
дифференцировки
На основе этого учёные смогли создать специальный механизм — биопринтер (робот, у которого есть трёхмерная система позиционирования)
Этапы биопечати:
1
Сначала учёные при помощи специальных компьютерных программ создают
модель органа
2
Далее подключают к ней биопринтер, а потом загружают в него
предварительно выращенные в инкубаторе сфероиды из
недифференцированных клеток
21
Онлайн-школа БиоУм
3
Робот при помощи шприца впрыскивает эти сфероиды в гидрогель,
ориентируясь на предварительно составленную трёхмерную модель органа
4
5
В результате этого сфероиды начинают расти и соединятся друг с другом в
заданную программой структуру, а белки-регуляторы вызывают превращение
недифференцированных клеток в специализированные
6
7
Параллельно в определенные места вводятся белки, запускающие
процессы дифференццировки клеток
В итоге возникают нужные органы (печень, почки, щитовидная железа),
которые содержат в себе все нужные нервы, а также кровеносные
сосуды и нервы
В конце концов, “подключают” этот орган к другим системам организма
Для дополнительных записей
22