Методы селекции

Современнаяселекция использует целый комплекс методов, основанных на последних достиженияхмножества наук: генетики, цитологии, ботаники, зоологии, микробиологии,агроэкологии, биотехнологии, информационных технологий и т.д. (некоторые из нихбудут рассмотрены в лекции «Генетика как научный фундамент биотехнологии»).Однако основными специфическими методами селекции остаются гибридизацияи искусственный отбор.

Гибридизация

Скрещиваниеорганизмов с разным генотипом является основным методом получения новыхсочетаний признаков. Иногда гибридизация является необходимой, например, дляпредотвращения инбредной депрессии. Инбредная депрессия проявляется при близкородственномскрещивании и выражается в снижении продуктивности и жизненности ( виталитета ). Инбредная депрессия – это явление,противоположное гетерозису (см. ниже).

Различаютследующие типы скрещиваний:

Внутривидовыескрещивания – скрещиваются разные формы в пределах вида (не обязательносорта и породы). К внутривидовым скрещиваниям относятся и скрещиванияорганизмов одного вида, обитающих в разных экологических условиях и/или в разных географических районов (эколого-географическиескрещивания). Внутривидовые скрещивания лежат в основе большинства другихскрещиваний.

Близкородственныескрещивания – инцухт у растений и инбридинг у животных. Применяются дляполучения чистых линий.

Межлинейныескрещивания – скрещиваются представители чистых линий (а в ряде случаев –разных сортов и пород). Межлинейные скрещивания используются для подавленияинбредной депрессии, а также для получения эффекта гетерозиса (см. ниже).Межлинейное скрещивание может выступать как самостоятельный этап селекционногопроцесса, однако в последние десятилетия межлинейные гибриды (кроссы,или гибриды первого поколения F ₁) все чаще используют для получения товарнойпродукции.

Возвратныескрещивания ( бэк-кроссы ) – это скрещиваниягибридов (гетерозигот) с родительскими формами ( гомозиготами ).Например, скрещивания гетерозигот с доминантными гомозиготными формамииспользуются для того, чтобы не допустить фенотипического проявлениярецессивных аллелей.

Анализирующиескрещивания (являются разновидностью бэк-кроссов )– это скрещивания доминантных форм с неизвестным генотипом ирецессивно-гомозиготных тестерных линий. Такиескрещивания используются для анализа производителей по потомству: если врезультате анализирующего скрещивания расщепление отсутствует, то доминантнаяформа гомозиготна ; если же наблюдается расщепление1:1 (1 часть особей с доминантными признаками : 1 частьособей с рецессивными признаками), то доминантная форма гетерозиготна .

Насыщающие(заместительные) скрещивания также являются разновидностью возвратныхскрещиваний. При многократных возвратных скрещиваниях возможно избирательное(дифференциальное) замещение аллелей (хромосом), например, можно постепенноуменьшить вероятность сохранения нежелательного аллеля.

Отдаленныескрещивания – межвидовые и межродовые. Обычно отдаленныегибриды бесплодны и их размножают вегетативным путем; для преодоления бесплодиягибридов применяют удвоение числа хромосом, таким путем получают амфидиплоидные организмы: ржано-пшеничные гибриды(тритикале), пшенично-пырейные гибриды.

Соматическаягибридизация – это гибридизация, основанная на слиянии соматических клетоксовершенно несходных организмов. Более подробно соматическая гибридизация будетрассмотрена в лекции «Генетика как научный фундамент биотехнологии».

Гетерозис. В ходе гибридизации частопроявляется гетерозис – гибридная сила, особенно в первом поколениигибридов. Механизмы гетерозиса до сих пор недостаточно изучены. Наиболеепопулярны две теории гетерозиса: теория доминирования и теориясверхдоминирования. Теория доминирования исходит из представлений о том, чтопри скрещивании гомозигот у гибридов первого поколения неблагоприятныерецессивные аллели переводятся в гетерозиготное состояние: AAbb × aaBB → AaBb ;тогда AaBb > AAbb , AaBb > aaBB . Теория сверхдоминирования предполагает повышенную конститутивную (общую)приспособленность гетерозигот по сравнению с любой из гомозигот: Aa > AA и Aa > aa . Существуют и болеесложные представления о гетерозисе, например, теории гетерозиса В.А. Струнникова ; суть этой теории в том, что в чистых линиях происходитнакопление генов-модификаторов, подавляющих нежелательные эффекты некоторыхаллелей; при скрещивании разных чистых линий каждая из них привносит свой компенсаторныйкомплекс генов-модификаторов, что усиливает подавление вредных аллелей.

В некоторыхслучаях возможно сохранение полученных генотипов и тем самым закреплениегетерозиса, например, при размножении растений вегетативным путем. Эффектгетерозиса сохраняется также при переводе диплоидных гетерозисных гибридов на полиплоидный уровень.

Оценка материала

Важнейшимметодом селекции был и остается искусственный отбор. Однако процесс отборавключает две группы мероприятий: оценку исходного материала и избирательноеразмножение (воспроизведение) отобранных организмов или их частей. Рассмотримметоды оценки исходного материала на примере растений.

В процессе селекции материал оценивают по его хозяйственным ибиологическим свойствам, являющимися объектом селекции. Но независимо отособенностей объекта и задач селекции, производится оценка материала последующим критериям:

- определенный ритм развития, соответствующий почвенно-климатическим условиям, вкоторых планируется дальнейшая эксплуатация сорта;

- высокая потенциальная продуктивность при высоком качестве продукции;

- устойчивость к неблагоприятному воздействию физико-химических факторов среды(морозоустойчивость, зимоустойчивость, жароустойчивость, засухоустойчивость,устойчивость к различным видам химических загрязнений);

- устойчивость к воздействию болезней и вредителей (оценка по иммунитету);

- отзывчивость на агротехнику.

В идеале сортдолжен отвечать не отдельным требованиям, а их комплексу. Однако на практикеэто часто оказывается невозможным, и именно поэтому создание композиций,состоящих из линий (клонов) с разными наследственными свойствами, считаетсянаиболее быстрым и надежным способом повышения общей устойчивости агроэкосистем . Доказано, что в генетически неоднородныхсистемах возникают компенсаторные взаимодействия особей с различнымиособенностями роста и развития, чувствительности к динамике факторов среды,болезням, вредителям.

Оценка материалаведется на всех стадиях онтогенеза, поскольку разные признаки проявляются вразных возрастных состояниях. При этом материал оценивается как по прямым,так и по косвенным признакам. Например, при оценке зимостойкости озимыхзлаков и многолетних растений наиболее важным прямым признаком служит общаястепень подмерзания в баллах. В то же время зимостойкость можно оценить, определяя содержание сахаров в клеточномсоке. Данный показатель является косвенным. Оценка по косвенным признакамсчитается менее точной, но в ряде случаев она становится удобной и даженеизбежной, например:

- если между прямыми икосвенными признаками существует высокая и устойчивая корреляция;

- если прямые признакипроявляются только в отдельные годы (аномально засушливые, дождливые…);

- если прямые признакипроявляются на поздних стадиях онтогенеза;

- если прямые признакихарактеризуются высокой модификационной изменчивостью.

Для оценки селекционногоматериала используют полевые, лабораторные и лабораторно-полевые методы.

Полевыеметоды дают наиболее надежные результаты, поскольку материал оценивается вестественных условиях по прямым признакам. Однако использование полевых методовне всегда возможно. Например, для оценки морозоустойчивости однолетних сеянцевнеобходима морозная бесснежная зима; если же в данном году такой зимы не было,то материал остается без оценки. Точно так же оценку на иммунитет на фонеестественного заражения можно проводить только в годы сильного распространенияболезни или вредителя.

Лабораторныеметоды позволяют изменять градацию факторов среды по воле экспериментатора.Например, повреждения побегов имитируются с помощью обрезки. Однако в рядеслучаев применение экспериментальных методов требует специального оборудования;например, для изучения зимостойкости требуются морозильные камеры синтенсивными источниками света.

Лабораторно-полевыеметоды совмещают достоинства и недостатки собственно полевых и лабораторныхметодов.

В особую группувыделяются провокационные методы, с помощью которых искусственносоздается провокационный фон, то есть условия для выявления отношениярастений к неблагоприятным физико-химическим и биотическим факторам.Интенсивность провокационных методов должна быть оптимальной. При слишкомслабом провокационном фоне не гарантируется проявление нежелательного признака,а при слишком жестком фоне могут быть выбракованы растения, обладающиедостаточной устойчивостью к действию данного фактора.

К провокационнымметодам относится создание инфекционного фона при селекции на устойчивость квредителям и болезням. Это направление селекции является крайне важным и, втоже время, очень трудным, поэтому рассмотрим его несколько подробнее.

Оценкаселекционного материала на устойчивость к болезням и вредителям

Известно, что неменее 25% сельскохозяйственной продукции человек отдает в качестве даниболезням и вредителям. Для снижения указанных потерь применяются всевозрастающие дозы ядохимикатов: фунгицидов, инсектицидов, акарицидов и т.п.Ясно, что продукция, полученная с применением ядохимикатов, не может считатьсябезвредной для человека, а само применение ядохимикатов не только снижаетустойчивость агроэкосистем , но и нарушает структурусмежных экосистем. Поэтому селекция на иммунитет, т.е. на устойчивость кболезням и вредителям является едва ли не самой важной составляющейселекционного процесса. Основы учения об иммунитете были заложены Н.И.Вавиловым.

Давно известно,что оцениваемый материал может быть устойчив к одним расам паразита, нопоражаться другими. Устойчивость растений определяется различными факторами:ритмом их роста и развития, а также анатомическими, физиологическими ибиохимическими особенностями. Перечисленные признаки являются в значительноймере наследственно обусловленными. Однако генетика иммунитета исключительносложна и до сих пор недостаточно изучена. Растения с наиболее благоприятнымсочетанием генов устойчивости встречаются крайне редко. При этом устойчивостьможет отрицательно коррелировать с хозяйственноценными признаками; например, наиболее устойчивыми к данному патогену могут быть карликовые растения. Кроме того,устойчивость к патогену может разрушаться присеменном возобновлении.

На развитиеболезни влияют факторы внешней среды, которые создают условия для заражения ираспространения возбудителя болезни. Знание этих условий позволяет создаватьлучшие провокационные фоны для выявления и браковки поражаемых растений.Например, проявлению многих болезней способствует монокультура, а такжеприменение культурооборотов с короткой ротацией.

Для выявленияустойчивости или неустойчивости растений к данной расе патогена создают инфекционный фон путем искусственного заражения растений этой расой.Устойчивость или восприимчивость растений к патогену является следствием коэволюции (сопряженной эволюции) двух генофондов –растения и патогена . Чем выше разнообразие этихгенофондов, тем выше темпы образования новых рас патогена .В результате образование новых рас у патогенных организмов наиболее интенсивнопротекает в условиях селекционных учреждений, где имеется наибольшееразнообразие генотипов растений и генотипов патогенов .В результате вновь созданный сорт, обладающий иммунитетом к данному патогену , через несколько лет утрачивает устойчивость.Для предотвращения этого нежелательного эффекта можно рекомендовать выполнениеследующих условий.

1. Создаватьновые коллекционные посадки на достаточном удалении от естественных насажденийданного вида, причем, в культурообороте в числепредшественников не должно быть близких видов.

2. Создавать диспергированные коллекции, тоесть выращивать группы растений, потенциально устойчивые к данному патогену , в пространственной изоляции по отношению к другимподобным группам.