Доклад по ЕНКМ. Генетика. Генетика как наука. Предмет, задачи и методы генетики
 Скачать 359.37 Kb.
|
|
Селекция, ее основные направления и методы. Основные направления биотехнологии. Селекция – целенаправленное создание и совершенствование пород животных, сортов растений, штаммов микроорганизмов в соответствии с потребностями общества и уровнем развития его производительных сил. Она основывается на достижении генетики, молекулярной биологии, биохимии и др. наук. Теоретической основой селекции явл. генетика. Породой, сортом, штаммом называют популяцию организмов, искусственно созданную человеком и характеризующуюся определенными наследственными особенностями. Ценность сорта определяется: урожайностью, пищевыми и кормовыми свойствами растений, содержанием полезных веществ в плодах и корнеплодах и др. Ценность породы определяется: качеством и количеством получаемого продукта(удой, живой вес, жирность молока, настриг шерсти и т.д.),а штамма – количеством биологически активного продукта. Задачи (направлегия) современной селекции: - повышение урожайности сортов культурных растений, увеличение продуктивности пород домашних животных и штаммов микроорганизмов; - улучшение качества продукции(технологические свойства льна, содержание белка и клейковины в зерне и т.п.); - улучшение физиологических свойств(скороспелость, иммунитет к заболеваниям, морозостойкость и т.п.); -- повышение интенсивности развития т.е. оптимизация обмена веществ(у растений - «отзывчивость»на подкормку, у животных – на корм и содержание). Основная задача – создание новых пород животных и сортов растений с высокой продуктивностью. Этапы селекции: - изучение исходного материала; - разработка методов гибридизации с использованием современных генетических методов; - разработка методов отбора. Для успешной селекционной работы необходимо: - исходное сортовое и видовое разнообразие растений и животных; - изучение роли мутаций в проявлении и развитии исследуемых признаков; - исследование закономерностей наследования при гибридизации; - применение различных форм искусcтвенного отбора. 1.Все многообразие диких и культурных форм данного вида животных или растений, по которому ведется селекция, совокупность спонтанных и индуцированных мутаций признаков и свойств представляют собойисходный материал селекции. В селекции животных при подборе исходных пар учитывают их родословную, продуктивность в ряде поколений, экстерьер – телосложение и соотношение частей тела, связанных с ценными хозяйственными признаками. В изучении диких форм особое значение приобретает работа Вавилова по исследованию центров происхождения культурных растений. Он обнаружил 8 центров: 1. Индийский (южно-азиатский тропический) – центр происхождения сортов риса, сахарного тростника, цитрусовых; 2. Среднеазиатский – мягкой пшеницы, бобовых; 3. Китайский (восточноазиатский – проса, гречихи, сои, хлебных злаков; 4. Переднеазиатский – пшеницы, ржи и плодоводства; 5. Средиземноморский – маслин, клевера, чечевицы, капусты, кормовых культур; 6. Абиссинский – сорго, пшеницы, ячменя; 7. Южномексиканский – хлопка, кукурузы, какао, тыквенных, фасоли; 8. Южно-американский – картофеля, лекарственных растений (кокаиновый куст, хинное дерево). Ценность работы Вавилова заключается в том, что он заложил основы сбора и хранения генофонда растений и создал первую в мире коллекцию генов во Всесоюзном институте растений в Ленинграде. 2. методы гибридизации(скрещивания): 1. внутрипородное(внутрисортовое),2.,межпородное(межсортовое) и3. отдаленная гибридизация. Внутрипородное(внутрисортовое)скрещивание проводится для поддержания и сохранения полезных качеств породы животных или сорта растений. Это скрещивание проводится между близкими родственниками породы (инбридинг-для выведения чистых линий), или между особями одной породы, но не состоящими в родстве (аутбридинг-для сохранения породы и увеличения ее численности). При инбридинге часто наблюдается снижение жизнеспособности растений и животных, их постепенное вырождение, обусловленное переходом в гомозиготное состояние рецессивных мутаций, которые преимущественно являются вредными. Аутбридинг позволяет поддержать или улучшить свойства, что связано с переходом вредных рецессивных мутаций в гетерозиготное состояние и гибриды первого поколения часто оказываются более жизнеспособными, чем родительские особи. Межпородное(межсортовое) скрещивание проводится с целью выведения новых пород и сортов растений, в которых бы сочетались хозяйственно-полезные признаки разных пород или сортов(высокая продуктивность, устойчивость к болезням и колебаниям факторов среды).Пример: сорт пшеницы Безостая 1,выведенный П.П.Лукьяненко, где сочетались низкорослость, скороспелость, устойчивость к ржавчине(Аргентинская яровая)с озимостью (Лютесценс-17).У животных это скрещивание проводится для поддержания высокой степени гетерозиготности. Отдаленная гибридизация у животных и растений является важным источником комбинативной изменчивости в селекции. Она основана на сочетании признаков и свойств географически отдаленных рас одного вида или разных видов и родов(пшенично-пырейный гибрид; мул-гибрид лошади и осла; тонкорунный архаромеринос, полученный от скрещивания тонкорунных овец с диким бараном архаром; тритикале – при скрещивании пшеницы и ржи).При отдаленной гибридизации часто наблюдается бесплодие гибридов из-за наличия в хромосомном наборе негомологичных хромосом. Для преодоления преград нескрещиваемости исходных форм и бесплодия у гибридных растений И.В. Мичурин и Д.Т. Карпеченко разработали эффективные методы: смеси пыльцы, «посредника» и др. При отдаленной гибридизации, межпородном скрещивании часто наблюдается явление гибридной мощности или гетерозиса. Гетерозисный эффект обуславливается воздействием многих факторов: сочетанием различных генотипов, определяющих биохимические и физиологические особенности организмов; факторами внешней среды. Гетерозис в силу того, что дает значительный прирост урожайности культурных растений и продуктивности скота, довольно широко используется в селекции. Одной из отрицательных черт гетерозиса является его затухание при последующем размножении гибридов. В настоящее время широкое распространение получила как метод селекции искусственная полиплоидия(автополиплоидия, аллополиплоидия). При полиплоидии увеличивается число хромосом в наборе клетки, что сопровождается развитием у растений более мощных побегов, увеличением зеленой массы, размеров цветков и плодов(полиплоиды пшеницы, картофеля, овса, гречихи, вишни, лимонов, сахарной свеклы, винограда и др.). Разработаны методы искусственного получения полиплоидов при воздействии на растущие ткани растений разными мутагенами (в основном колхицином), разрушающими веретено деления клетки. Автополиплоидия – кратное увеличение числа наборов хромосом одного вида. Аллополиплоидия – изменение числа наборов хромосом на основе скрещивания организмов, относящихся к разным видам и даже родам. Мутагенез - получение индуцированных мутантов (ячменя, пшеницы, ржи и т.д.). Такие растения устойчивы к полеганию и имеют преимущества при машинной уборке урожая, т.к. у них не только повышенная урожайность зерна, но и укороченный побег. 3. Методы искусственного отбора. Селекция использует отбор как один из важнейших способов создания высокопродуктивных сортов и пород. Современная селекция использует 2 типа отбора: массовый и индивидуальный. Массовый отбор – это отбор особей по фенотипу, т.е. с фенотипическим выражением положительных признаков, без проверки генотипа. Массовость означает не количество отбираемых особей, а отбор без учета проявления признака в потомстве каждой отдельной пары. Часто отбор по фенотипу приводит к неожиданному результату: в потомстве особей хозяйственно-ценный признак не проявляется или значительно ослаблен. В таком случае прибегают к индивидуальному отбору,позволяющему оценить качества особи по потомству. При проведении индивидуального отбора у растений и животных популяцию обычно разделяют на чистые линии посредством инбридинга. Чистые линии после инбридинга и отбора становятся материалом для дальнейшей селекции. Оценка генотипа при индивидуальном отборе может проводиться и путем составления родословной особей; а также по продуктивности родственных особей. Достижения современной селекции: - созданы сорта пшеницы российскими селекционерами: П.П. Лукьяненко (Безостая 1, Аврора, Кавказ), А.П. Шехурдиным и В.Н. Мамонтовой (Саратовская 29, саратовская 36, Альбидум 43 и др.); В.Н. Ремесло (Мироновская 808, Юбилейная 50); - увеличение масличности различных сортов подсолнечника на 20% (В.С. Пустовойт) - ученые Белорусского научно-исследовательского института картофелеводства и плодоовощеводства с 1925 по 1995г выведено 69 сортов картофеля, более 70 сортов овощных, 124 сорта плодовых и 23 сорта ягодных культур.(академик П.И. Альсмик – Темп, Докшицкий, Разваристый, Агрономический, Огонек, Зубренок, Белорусский ранний, Ласунок, Орбита, Белорусский-3, Синтез). - создание новых и улучшение существуюших пород животных: костромская молочная порода крупного рогатого скота (10тыс. молока в год); сибирская российская мясошерстная порода овец; черно-пестры тип крупного рогатого скота (белорусские ученые); в центре БелНИИ животноводства созданы белорусская черно-пестрая порода свиней и белорусский внутрипородный тип свиней крупной белой породы. Итак, основные методы селекции: отбор, гибридизация и мутагенез. Основные методы гибридизации: инбридинг и аутбридинг. Кроме того, используются методы: автополиплоидии и отдаленной гибридизации. Основные направления биотехнологии. Использование человеком живых организмов и биологических процессов для промышленного получения продуктов называется биотехнологией. Биотехнологические процессы используются человеком: молочнокислые бактерии – для получения молочнокислых продуктов, различные штаммы дрожжей – в виноделии, пивоварении, хлебопечении. Объекты биотехнологии: вирусы, бактерии, протисты, дрожжи, растения, животные или изолированные клетки и субклеточные структуры (органеллы). Интенсивное развитие микробиологической промышленности началось с 70 годов XX века. В качестве питательной среды для бактерий начали использоваться непищевые продукты: жидкие парафины нефти, синтетические спирты, отходы деревообрабатывающей промышленности и др.Получаемые таким путем белково-витаминные препараты позволяют решить проблему нехватки кормового белка и повысить продуктивность животноводства. Микробиологическая промышленность производит ферменты, антибиотики, гормоны, аминокислоты и др. Для создания новых штаммов микроорганизмов в последнее время применяют генную инженерию – конструирование новых генетических структур по заранее намеченному плану. Генная инженерия развивается на базе молекулярной биологии, генетики, биохимии, микробиологии. Этапы генной инженерии: 1. получение нужного гена(выделение природного или искусственный его синтез); 2. включение этого гена в молекулу ДНК-переносчик (плазмида) – получение рекомбинантной молекулы ДНК; 3.введение рекомбинантной ДНК (плазмидной) в клетку, где она встраивается в генетический аппарат; 4.отбор трансформированных клеток и копирование (клонирование) этого гена в новом хозяине с обеспечением его работы. Клонированный ген путем микроинъекции вводят в яйцеклетку млекопитающего или протопласт растения и выращивают из них целое животное или растение. Растения или животные, геном которых изменен путем генно-инженерных операций, называются трансгенными (мыши, кролики, овцы, свиньи). Последовательность операций, необходимых для получения трансгенных организмов: - выделение ДНК из клетки донора; - разрезание ДНК ферментами- рестриктазами; - поиск нужного гена среди фрагментов ДНК; - встраивание гена в плазмиду; - введение гибридной плазмидной ДНК, содержащей нужный ген, в клетки хозяина; - клонирование гена в клетках хозяина и обеспечение его работы. Достижения генной инженерии: -на основе генной инженерии – освоено промышленное производство белка инсулина и интерферонов, соматотропин; -генная инженерия позволяет конструировать эукариотические клетки с новой генетической программой, получают гибриды соматических клеток животных и растений; - получены гибриды лимфоцитов с опухолевыми клетками (гибридомы), способные к длительному синтезу антител определенного типа; - созданы растения, способные усваивать атмосферный азот (что исключит необходимость применения азотных удобрений). Клеточная инженерия – метод, позволяющий конструировать клетки нового типа. Метод заключается в культивировании изолированных клеток и тканей на искусственной питательной среде в регулируемых условиях (еартофель, пшеница, ячмень, кукуруза, томат и др.). Методы клеточной инженерии: - соматическая гибридизация; - гаплоидия; - клеточная селекция; - преодоление нескрещиваемости в культуре и др. Соматическая гибридизация – это слияние двух различных клеток в культуре тканей (разные виды клеток одного организма и клетки разных видов). Культивирование стало возможным, когда научились с помощью ферментов избавляться от клеточной стенки и получать изолированный протопласт. Биотехнология – одно из ведущих направлений современной биологии. Методы генной и клеточной инженерии позволят человечеству избавиться от ряда наследственных болезней. Биотехнология – это производство необходимых человеку продуктов и материалов с помощью живых организмов, культивируемых клеток и биологических процессов. Основные направления биотехнологии: - производство биологически активных соединений (гормонов, витаминов, ферментов), лекарственных препаратов; - разработка и использование биологических методов борьбы с загрязнением окружающей среды; - создание новых полезных штаммов микроорганизмов, сортов растений, пород животных. Репарация (восстановление ): ( 1948 г. А. Кельнер, Р. Дульбеко, И. Ковалев обнаружили ферменты, участвующие в репарации). 1). Дорепликативная: а) Фотореактивация – обнаружена у некоторых фагов, бактерий, дрожжей, парамеций. УФ – снижает жизнеспособность. Видимый свет – повышает выживаемость. В 1962 г. К. Руперт обнаружил фермент, который использует энергию света для расщепления димеров и восстановления повреждений (Т=Т). Этот фермент кодируется ядерными генами или генами нуклеоида. б) Темновая (эксцизионная) – обнаружена в 50-60 годы А. Гереном, Р. Светлоу, Р. Хиллом. Осуществляется при участии ферментов: - эндонуклеаза – узнает поврежденную ДНК и образует одноцепочечные разрывы (инцизии) вблизи дефекта; - экзонуклеаза – вырезает (эксцизия) и удаляет фрагмент; - ДНК-полимераза – достраивает брешь, используя матрицу – неповрежденную цепь ДНК; - лигаза – восстанавливает непрерывность цепи. 2). Пострепликативная: а) Обнаружена у Е. соli, у которой нарушились процессы дорепликативной репарации, т.е. против тиминовых димеров в дочерних цепях образовались пробелы. Пробелы ликвидируются путем рекомбинации между дочерними цепями или между дочерними и родительскими. Пробелы в родительских цепях заполняются вследствие репаративного синтеза. б) В 1974г. , 1975г. М.Радман и Э.Виткин обнаружили индуцируемую репарацию (SOS-репарация) – этло активация генов, отвечающих за синтез ферментов репарации после воздействий ионизирующих излучений. Но эта репарация протекает с ошибками и медленно. |