Генетика і селекція в землеробстві
Значення сортового насіння
В умовах дикої природи рослини, відібрані людиною для культурного обробітку, різноманітністю сортів і гібридів не відрізняються.
Природно припустити, що насіння дикого картоплі, привезені з Південної Америки в далекий Сибір для розведення, розчарують місцевих хліборобів - якщо культура і виживе, то високими врожаями на новому місці не потішить, оскільки кліматичні умови Сибіру різко відрізняються від клімату, до якого вона звикла.
Втім, бульби дикої картоплі і на "історичній батьківщині" не відрізняються особливо великими розмірами і ніжним смаком - ті, хто пробував страви з городнього картоплі справедливо знайдуть його смачнішим. Це і зрозуміло - природі нема чого "підганяти" смак дикорослих рослин під запити гурманів від людства.
Тож не дивно, що Рослинники, усвідомлюючи харчову і кормову цінність картоплі, захотіли вирощувати його і в інших районах планети, з більш жорстким кліматом і відрізняються грунтовими умовами. Змушуючи улюблену всіма картоплю "звикати" до нових умов проживання, хліборобам доводилося змінювати властивості і якості цієї рослини, допомагаючи культурі вижити на новому місці, а потім поступово покращувати і смакові переваги "новосела".
Подібна насильницька зміна "місця проживання" культури вимагає враховувати всі фактори, що впливають на життєдіяльність рослини - кількість тепла, світла, вологи, стан середовища харчування (грунту) і т. П.
І навіть якщо рослина приживеться на новому місці, далеко не завжди можна говорити про досягнення бажаного результату, оскільки нерідко рослини втрачають багато зі своїх цінних якостей (харчових або технологічних). через які людина власне, побажав їх вирощувати.
Наприклад, плоди сливи або груші, вирощувані в умовах прохолодного клімату і нестачі світла, менше солодкі і соковиті, ніж плоди, що ростуть в сприятливих умовах. Проте, наполеглива робота над відбором найбільш вдалих сортів і гібридів, поступово дає хороші результати.
Тому для того, щоб найбільш ефективно вирощувати ту чи іншу культуру в конкретних природно-кліматичних або виробничих умовах доводилося і доводиться поступово змінювати властивості рослин, щоб вони прекрасно почували себе там, де їх може і хоче вирощувати хлібороб. Така "підгонка" культурного рослини до конкретних умов обробітку і є завданням селекціонерів у всьому світі. В результаті селекції з врожаю постійно відбирають насіння рослин, що володіють найбільш підходящими і цінними якостями, властивими даній культурі.
Посів насінням найбільш врожайних, пристосованих до місцевих умов сортів і гібридів сільськогосподарських культур - один з важливих і найбільш доступних прийомів підвищення їх врожайності.
Сорт - це сукупність подібних за господарсько-біологічними властивостями і морфологічними ознаками рослин однієї культури, родинних за походженням, відібраних і розмножених для обробітку в певних природно-кліматичних і виробничих умовах з метою підвищення врожайності та якості продукції.
Сорт - це біологічний фундамент врожаю. За сьогоднішніми оцінками, пайова участь селекції у підвищенні врожайності в світовому землеробстві досягає 70%. причому воно буде зростати, що пов'язано як із загальною тенденцією до біологізації і екологізації сучасного землеробства, так і зі зростаючими можливостями селекціонування.
Разом з тим практика показує, що роль сорту не можна переоцінювати. Спроби підвищити врожайність тільки за рахунок сорту не дають результатів.
Більш того, в ряді випадків нові сорти при невисокому рівні агротехніки виявляються не краще обробляли раніше. Головна причина цього - невідповідність рівня культури землеробства високим вимогам нових сортів, в основному інтенсивного типу. В результаті потенціал продуктивності таких сортів реалізується лише на 15-20%.
Тому дуже важливо мати не просто високоврожайні сорти, а сорти з широкою пластичністю, стійкі до несприятливих погодних умов (посуха, зниження температури і т. П.). особливо небезпечних хвороб і шкідників.
Нові сорти повинні забезпечувати отримання високоякісного врожаю і містити найбільшу кількість тих речовин (білок, жир, крохмаль, вітаміни, волокно і т. Д.). заради яких обробляється та чи інша культура. Крім того, вони повинні бути добре пристосовані до механізованого обробітку.
У всьому світі робота селекціонерів ведеться в цих напрямках.
Теоретичні основи селекції рослин
Головна теоретична база селекційного процесу - генетика - наука, що вивчає закономірності і матеріальні основи спадковості і мінливості живих організмів.
Спадковість - це здатність батьківських форм передавати свої ознаки наступному поколінню.
Матеріальними носіями спадкової інформації у всіх живих організмів є гени.
Ген - ділянка молекули ДНК. на якому закодована інформація про структуру одного білка. Він є елементарною одиницею спадковості і відповідає за формування у організму будь-яких конкретних ознак і властивостей (наприклад, форми, забарвлення і т. П.). властивих даному рослині або тварині.
Будь-який живий організм містить величезну кількість генів (іноді десятки тисяч). причому кожен з цих генів розташовується завжди в одному і тому ж місці (локусі) певної хромосоми.
Гени (точніше - їх комбінація) є основною причиною появи домінантних (переважаючих) і рецесивних (відхиляються від типових) ознак.
Існує також внеядерная, або цитоплазматическая, спадковість, не пов'язана з хромосомами. Її матеріальними носіями є молекули ДНК, розташовані в деяких органелах цитоплазми (хлоропластах, мітохондріях). Всі спадкові ознаки і властивості організму, що визначаються сукупністю всіх його генів, які знаходяться в тісній взаємодії один з одним, називаються генотипом.
На основі генотипу під впливом умов зовнішнього середовища формується фенотип - сукупність всіх ознак і властивостей організму, що склалися в процесі його індивідуального розвитку.
Спадкування різних, в тому числі господарсько цінних, ознак рослин підпорядковується певним закономірностям. Найбільш загальні з них - Закони Менделя і Моргана. Їх сутність можна коротко викласти так:
- при моногібрідномсхрещуванні все гібриди першого покоління одноманітно за фенотипом і генотипом (перший закон Менделя);
- при схрещуванні між собою гібридів першого покоління або при їх самозапилення в потомстві відбувається розщеплення фенотипічних ознак у співвідношенні 3: 1 (три домінантних і один рецесивний) у разі повного домінування (другий закон Менделя);
- пари альтернативних ознак, якщо визначають їх гени не локалізовано в одних і тих же хромосомах, успадковуються при схрещуванні незалежно один від одного, причому кожна пара дає розщеплення у співвідношенні 3: 1 (третій закон Менделя);
- всі гени, що входять до складу однієї хромосоми, передаються у спадок разом, складаючи групу зчеплення (закон Моргана).
Знання закономірностей і особливостей успадкування тих чи інших ознак часто визначає методи селекційної роботи (відбору і гібридизації).
Мінливість - здатність організмів змінювати свої ознаки і властивості - має не менш важливе значення для селекції.
Розрізняють ненаследственную (модификационную, фенотипічну) мінливість, яка відображає зміну фенотипу під впливом умов зовнішнього середовища (генотип вона не зачіпає і у спадок не передається). і спадкову (генотипическую) мінливість організмів.
Спадкова мінливість включає комбінаційну (комбинативную) мінливість, засновану на появу нових поєднань генів внаслідок гібридизації організмів, і мутационную мінливість, обумовлену появою різних змін в структурі генів і хромосом, а також змін їх кількості в результаті мутацій.
Мутаціями називають раптові успадковані зміни генетичного матеріалу, що призводять до зміни ознак організму, а фактори, що їх викликають, називаються мутагенними факторами або мутагенами.
За характером змін генотипу розрізняють генні мутації, хромосомні мутації і геномні мутації.
За своїм прояву мутації можуть бути як домінантними, так і рецесивними, як шкідливими, так і корисними для організму.
Мутації можуть виникати в будь-яких клітинах організму (і в статевих, і в соматичних). Соматичні мутації можна зберегти в наступних поколіннях лише при вегетативному розмноженні рослин.
Мутації звичайно виникають не направлено, однак мутаційний процес все-таки має певні закономірності. Одну з них сформулював видатний російський генетик - академік М. І. Вавилов.
Сутність закону, сформульованого Вавілов, зводиться до того, що генетично близькі, пов'язані між собою єдністю походження види і роди характеризуються подібними рядами спадкової мінливості. Знаючи, які форми мінливості зустрічаються у одного виду, можна припустити існування (або можливості існування і штучного отримання) подібних форм у споріднених видів.
Цей закон допомагає селекціонерам в пошуках потрібного вихідного матеріалу.
Всі види спадковості і мінливості можуть бути використані при виведенні нових сортів і гібридів сільськогосподарських культур.
Виведення нових сортів рослин
Підбір вихідного матеріалу
Для того, щоб почати селекційну роботу над культурою необхідний її представник, т. Е. Вихідний матеріал для селекції.
В якості вихідного матеріалу використовуються вже наявні в природі сорти і форми рослин, наприклад, дикорослі форми, місцеві сорти культурних рослин, сорти зарубіжної селекції, а також форми рослин, що створюються в самому процесі селекції.
Вихідний матеріал для селекційного процесу створюють також шляхом штучного (індукованого) мутагенезу, впливаючи на рослини різними видами радіації, хімічними речовинами, температурою та іншими мутагенними факторами. Поряд з шкідливими мутаціями при цьому нерідко виявляються і корисні, які відбирають і використовують в подальшій селекційній роботі.
Нові можливості отримання вихідного матеріалу для селекції відкривають методи генної інженерії, що дозволяють цілеспрямовано конструювати нові поєднання генів, використовуючи для цього геноми абсолютно різних організмів. Наприклад, у багатьох країнах вже широко використовуються сорти так званого трансгенного картоплі, в геном якого вбудований ген мікроорганізму, відповідального за синтез спеціального токсину, що викликає загибель колорадського жука.
За допомогою методів генної інженерії отримані також сорти і деяких інших сільськогосподарських культур, наприклад, трансгенної сої.
гібридизація
Важливе місце в селекційному процесі займає метод гібридизації, або схрещування.
Сутність гібридизації полягає в злитті при заплідненні генотипически різнорідних статевих клітин (гамет) і розвиток з утвореної зиготи нового організму, що поєднує спадкові ознаки батьківських особин.
Розрізняють внутрішньовидову (найбільш поширену) і міжвидову (віддалену) гібридизацію.
Міжвидова гібридизація нерідко дозволяє отримувати форми рослин, що володіють цінними якостями і стійкі до несприятливих зовнішніх факторів, хвороб і шкідників. Однак така гібридизація часто буває неможлива через труднощів, які виникають при схрещуванні різних видів.
Існує навіть міжродова гібридизація. Приклади міжродових гібридів: житньо-пшеничний (тритикале). пшенично-пирійні і т. п.
Відбір - один з основних методів селекції. Сам термін "селекція" утворений від латинського слова "selectio" - вибір, відбір.
Існує дві основні форми штучного відбору, що застосовується в селекції - масовий і індивідуальний.
При масовому відборі з вихідної популяції відбирають цілу групу рослин (до декількох тисяч) з бажаними для селекціонера ознаками, повторюючи цей процес при необхідності кілька років. При цьому новий сорт є потомством всіх кращих відібраних рослин і не генетично не є абсолютно однорідним. Такі сорти називають сортами-популяціями. До них відносяться практично всі місцеві сорти народної селекції.
При індивідуальному відборі всі вихідні відібрані рослини багаторазово перевіряються по потомству. Все потомство гірших рослин вибраковується.
Індивідуальний відбір в селекції вегетативно розмножуються рослин називається клоном (клон - це потомство одного вегетативно розмножуємо рослини).
Новий сорт при індивідуальному відборі більш однорідний генетично, ніж при масовому відборі. По суті він зароджується від одного елітного рослини, тому досить стійко зберігає цінні властивості і якості протягом багатьох поколінь.
Метод індивідуального відбору значно більш складний і трудомісткий, проте в зв'язку з можливістю оцінки і порівняння відбираються елітних рослин по їх потомству на всіх стадіях селекційного процесу надзвичайно ефективний.