Кратко об основных методах селекции растений

Растения, которые культивируются сегодня, отличаются от своих диких предков. Это объясняется тем, что человек изменил и выбрал их более чем десять тысяч лет назад в соответствии с собственными потребностями. Впоследствии были созданы различные методы селекции растений, кратко о которых дети узнают на уроках биологии.

Оглавление:

• Общие сведения
• Техника выведения новых растений
• Проблемы современных технологий

Общие сведения

Современная цивилизация основывает сельскохозяйственное производство на агросистемах и экосистемах, сильно изменённых в результате деятельности человека. Многие виды, которые преобладают в таких системах, являются результатом отбора, связанного с управлением сельским хозяйством. Сюда относятся:

• животные;
• растения;
• микроорганизмы.

Агроэкосистема контролируется с целью производства продуктов. В отличие от естественной экосистемы она носит искусственный характер, постоянно развивает и совершенствует методы веде́ния сельского хозяйства.

Подавляющее большинство сельскохозяйственных культур, используемых сегодня фермерами, были получены селекционерами различными способами. Кроме того, появилась генная инженерия, которая дополняет традиционную селекционную практику как ещё один инструмент для достижения более улучшенных или модифицированных сельскохозяйственных культур.

Существует большое разнообразие фенотипов у растений по их характеристикам и функциям, обусловленным генетической изменчивостью и взаимодействием генотипов с окружающей средой. Есть различные факторы, которые способствуют генетическому разнообразию характеристик у особей одного вида.

Эти факторы включают половое размножение и мутации, увеличивающие разнообразие, на которое действует естественный отбор. К этому добавляется вмешательство человека. Он посредством искусственного отбора и гибридизации (селективного скрещивания) использует это разнообразие и способствует размножению и выживанию определённых видов.

История и современность

Фермеры и пастухи манипулировали генетической структурой растений и животных с тех пор, как сельское хозяйство зародилось более 10 000 лет назад. Они управляли процессом одомашнивания в течение тысячелетий посредством многочисленных циклов отбора наиболее приспособленных видов. Эта эксплуатация естественного разнообразия в биологических организмах обеспечила существование в настоящее время сельскохозяйственных культур, деревьев и животных, которые часто радикально отличаются от своих дальних предков.

Многие поколения проходили, прежде чем удавалось найти желаемую комбинацию характеристик. Временные интервалы были очень велики, особенно в случае многолетних растений (деревьев) и некоторых пород животных. Особенностью отбора на основе фенотипа является медленный и сложный процесс, который требует много времени и денег.

Сегодня создание видов и подвидов растений со свойствами, которые позволяют получить высокий урожай, устойчивость к природным условиям и приемлемое качество продукции, можно охарактеризовать использованием традиционных методов селекции растений, где конечным результатом является организм, никогда не существовавший до этого в природе.

Техника выведения новых растений

Человек выбирает растения, которые дают ему больше преимуществ (лучшие плоды, больший рост, устойчивость к болезням и т. д. ), и делает выборочные скрещивания между этими сортами, чтобы получить потомство с более высокой урожайностью. Кроме того, он не только отбирает, но и перемещает виды растений в другие условия. Эти переменные среды также вызвали большое разнообразие овощей. Например, сегодня существуют различные виды капусты:

• брокколи;
• цветная;
• обыкновенная;
• брюссельская и т. д.

Все эти растения являются потомками оригинального вида, получаемого человеком путём искусственного отбора. Таблица основных методов селекции:

Гибридизация (интервальная, межвидовая, межродовая)

Человек совершает скрещивания не только между разными разновидностями одного вида, но и между разными родами. Эти методы создают гибриды: смешивание двух разных, но совместимых видов или родов, что приводит к потомству, чья комбинация генов будет случайной, отличной от родителей. Такая техника больше всего способствует разнообразию.

Хорошим примером межвидового скрещивания считается клубника Fragaria chiloensis, являющаяся крупным фруктом, но не очень вкусным по сравнению с Fragaria virginiana. Последняя меньше и более лабильна, но намного вкуснее. Оба плода были скрещены с помощью направленных манипуляций.

Другим примером является пшеница, чьи оригинальные варианты Einkorn и Spelled (очень старые) были скрещены, чтобы получить Emmer. Это более крупное зерно, но малоустойчивое к окружающей среде, поэтому его смешивали с козьей травой, гораздо более устойчивой. С помощью скрещивания была получена пшеница, из которой сегодня производится хлеб.

Такие примеры, как морковь, кукуруза, салат и помидоры, фенотипически и генетически претерпели множество изменений, чтобы достичь форм, которые известны сегодня. В прошлом фермеры не знали о генетике и не понимали, что такое изменчивость генов или мутация. Тем не менее они отбирали мутантов через селективный фильтр какой-то желаемой характеристики (размер, цвет, вкус и т. д. ).

Индуцированный мутагенез

Спонтанные мутации являются естественным двигателем эволюции и средством, которое генетики используют для одомашнивания сельскохозяйственных культур и создания лучших сортов. Без мутаций не было бы риса, кукурузы и любой другой культуры.

Эта техника используется с середины XX века. Начиная с 1970-х годов Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) и ФАО финансировали исследования по индукции мутаций для ускорения генетического улучшения пищевых и технических культур с целью получения новых сортов.

Посредством использования химических веществ или излучения индуцируется случайная мутация в геноме, вызывающая изменения в растении, а затем отбираются особи, которые обладают желаемыми характеристиками, что фактически имитирует спонтанные мутации и искусственно расширяет генетическое разнообразие.

В Институте радиационного разведения в Ибараги (Япония) имеется гамма-теплица для хронического облучения субтропических растений, которая позволила улучшить устойчивость к болезням, повысила качество, урожайность и адаптивность. Область гамма-облучения Cobalt 60 помогла создать более 3088 новых сортов растений, покрывающих сегодня 70% посевной площади. Это пшеница, ячмень, овёс, рис, соя, фасоль, картофель, лук и т. д.

Применение индуцированной мутации для улучшения урожая имело огромные экономические последствия в сельском хозяйстве и производстве продуктов, которые в настоящее время оцениваются в миллиарды долларов США. Оно привело к миллионам гектаров обрабатываемых земель.

Опыление и экстракорпоральное оплодотворение

Существуют барьеры между организмами разных видов и родов, связанные с размножением. Человек может преодолеть их посредством опыления (передачи пыльцы, которая содержит мужские гаметы растения, женской репродуктивной структуре).

Клетки, ткани или органы также выращивают на питательных средах в пробирках. Эта техника сопровождает другие методы селекции растений. Она возможна, потому что растения обладают свойством, называемым тотипотентностью клеток: каждая живая и целая клетка растения, независимо от достигнутой степени специализации, способна регенерировать.

Генная инженерия

Традиционные методы гибридизации смешивали тысячи генов в течение нескольких лет, чтобы получить желаемую характеристику. Биотехнология ускоряет этот процесс, позволяя учёным извлекать из растения только нужные гены, достигая результатов, которые можно получить всего за одно поколение.

Генная инженерия является более безопасным и эффективным инструментом для улучшения видов по сравнению с традиционными методами, поскольку она устраняет бо́льшую часть рисков, присутствующих в традиционном разведении. С другой стороны, современная биотехнология является новой технологией. Она может модифицировать свойства живых организмов путём введения генетического материала, который был обработан in vitro (вне организма). Эта методология предлагает три фундаментальных преимущества перед традиционными методами генетического улучшения, основанными на гибридизации:

1. Гены, которые должны быть включены, могут происходить из любых видов, связанных или нет (например, ген из бактерии может быть включён в геном сои).
2. В генетически улучшенное растение может быть введён один новый ген при сохранении остальных генов исходной культуры.
3. Этот процесс модификации занимает гораздо меньше времени, чем необходимо для скрещивания.

Проблемы современных технологий

До появления генной инженерии селекция растений не подлежала заметному регулированию. Стандарты сертификации семян гарантируют их чистоту и качество, но мало внимания уделяется возможному воздействию на безопасность пищевых продуктов или окружающей среды, которое может быть вызвано новыми сортами растений, полученными в результате традиционной селекции.

Обычная селекция растений значительно отличается от естественного отбора. Это создаёт биологические системы с адаптивной способностью, обеспечивает развитие организма, который содержит свойства, приспосабливающие его к различным условиям окружающей среды, и гарантирует сохранение вида. Искусственный отбор и обычная селекция растений ломают системы с адаптивностью, создавая комбинации генов, которые вряд ли выживут в природе.

В своих докладах исследователи заявляют, что обычное генетическое улучшение стало причиной нескольких негативных последствий для здоровья человека. В одном случае было обнаружено, что у сорта картофеля наблюдался чрезмерный уровень токсинов, присутствующих в природе, в другом — улучшенный сорт сельдерея с повышенной устойчивостью к насекомым вызывал сыпь на коже при уборке без перчаток.

Большинство продовольственных культур в мире не являются родными для их основных производственных районов. Они происходят из разных мест и были перемещены в новые регионы посредством миграции и торговли. Во всём мире выращиваются одомашненные растения, поэтому миграция за пределы районов их культивирования может вызывать серьёзные проблемы.