Глава IV. «Основы селекции и биотехнологии»
Селекция (от лат. selectio — выбор, отбор) Ø наука, разрабатывающая методы создания сортов и гибридов сельскохозяйственных растений и пород животных с нужными человеку признаками. Ø отрасль сельскохозяйственного производства, занимающаяся выведением сортов и гибридов сельскохозяйственных культур, пород животных. Основные направления селекции: растений на урожайность или животных на продуктивность; на качество продукции; растений — на зимостойкость, засухоустойчивость, устойчивость к болезням и вредителям, приспособленность к высоким дозам удобрений и др. приемам интенсивных технологий; животных — на плодовитость и др. Методы селекции: отбор, гибридизация, мутагенез, клеточная и генная инженерия. Ø наука о создании новых и улучшении существующих сортов растений, пород животных, штаммов микроорганизмов.
Задачи селекции: Ø повышение урожайности сортов и продуктивности пород, штаммов; Ø повышение устойчивости к заболеваниям и климатическим условиям; Ø создание пород и сортов, пригодных для механизированного или промышленного выращивания и разведения; Ø исследование роли среды в развитии признаков и свойств организмов.
Порода, сорт, штамм – это совокупность особей одного вида, искусственно созданная человеком и характеризующаяся определенными наследственными свойствами. Методы селекции: Гибридизация - скрещивание разнородных в наследственном отношении организмов. Один из важнейших факторов эволюции биологических форм в природе. Применяют для получения хозяйственно ценных форм животных и растений. Скрещивание особей одного и того же вида (различных подвидов, сортов, пород или линий) называется внутривидовой гибридизацией, а различных видов или родов — отдаленной гибридизацией. Инбридинг - скрещивание близкородственных организмов, при этом получаются чистые линии. У самоопыляющихся растений (пшеница, ячмень, цитрусовые и др.) инбридинг — нормальное явление. У животных и перекрестноопыляемых растений при длительном инбридинге возможно возникновение уродств, снижение продуктивности, жизнеспособности или гибель особей. При скрещивании чистых линий у гибридов первого поколения часто проявляется явление гетерозиса – гибридной силы.
Расщепление при инбридинге Аутбридинг - скрещивание неродственных организмов разных пород, сортов и видов. Используют в животноводстве и растениеводстве для предотвращения вредных последствий близкородственного скрещивания (инбридинга) и др. Неродственная гибридизация может быть: внутривидовой и отдаленной (лошадь + осел = мул, белуга + стерлядь = бестер, тритикале = пшеница + рожь). Способ преодоления бесплодия при отдаленной гибридизации путем получения полиплоидов предложил Г.Д. Карпеченко. Массовый отбор (по внешним фенотипическим признакам) – применяется в отношении перекрестноопыляющихся растений, у животных не применяется. Индивидуальный отбор – применяется у самоопыляющихся растений, выделяются чистые линии – потомство одной самоопыляющейся особи. У животных применяется жесткий индивидуальный отбор по хозяйственно ценным признакам, выносливости, экстерьеру. Биотехнология - биологическое использование биологических процессов и систем на основе получения высокоэффективных форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заданными свойствами. Биотехнология - использование живых организмов и биологических процессов в промышленном производстве. Развивается микробиологический синтез ферментов, витаминов, аминокислот, антибиотиков и т. п. Перспективно промышленное получение других биологически активных веществ (гормональных препаратов; соединений, стимулирующих иммунитет, и т. п.) с помощью методов генетической инженерии и культуры животных и растительных клеток. Клеточная инженерия - создание клеток нового типа на основе их гибридизации, реконструкции и культивирования. В узком смысле слова под этим термином понимают гибридизацию протопластов или животных клеток, в широком - различные манипуляции с ними, направленные на решение научных и практических задач. Является одним из основных методов биотехнологии. Протопласт - все содержимое клетки, за исключением клеточной оболочки. При плазмолизе растительной клетки протопласт отделяется от жесткой пекто - целлюлозной клеточной оболочки. Протопласт - клетки, полностью лишённые клеточной стенки и имеющие только клеточную мембрану, которая ограничивает цитоплазму с различными органоидами.
Культура ткани - метод длительного сохранения и выращивания в специальных питательных средах клеток, тканей, небольших органов или их частей, выделенных из организма человека, животных и растений. Основан на методах выращивания культуры микроорганизмов, обеспечивающих питание, газообмен и удаление продуктов обмена культивируемых объектов. Одно из преимуществ метода тканевых культур — возможность наблюдения за жизнедеятельностью клеток с помощью микроскопа.
Генная инженерия - методы молекулярной биологии и генетики, связанные с целенаправленным конструированием новых, не существующих в природе сочетаний генов. Основана на извлечении из клеток какого-либо организма гена (кодирующего нужный продукт) или группы генов, на соединении их со специальными молекулами ДНК (т.н. векторами), способными проникать в клетки другого организма (главным образом микроорганизмов) и размножаться в них. Наряду с клеточной инженерией лежит в основе современной биотехнологии. Открывает новые пути решения некоторых проблем генетики, медицины, сельского хозяйства. С помощью генетической инженерии был получен ряд биологически активных соединений — инсулин, интерферон и др. Биогумус – естественное высокоэффективное органическое удобрение. Вавилов Н.И. – селекционер, выделил 7 центров происхождения культурных растений: 1. Восточноазиатский (Китай, Япония, Корея) – родина сои, проса, гречихи, многих плодовых и овощных культур. 2. Южноазиатский тропический (Индия, Индокитай, Южный Китай) – родина риса, сахарного тростника, цитрусовых, многих овощных культур. 3. Юго – Западноазиатский (Средняя Азия, Малая Азия, Афганистан, Ю–З Индия) – родина пшеницы, ржи, бобовых культур, льна, конопли, моркови, винограда и др. 4. Средиземноморский – родина капусты, свёклы, маслин. 5. Абиссинский (Африка) – родина твёрдой пшеницы, сорго, бананов, кофе. 6. Центральноамериканский (Мексика) – родина кукурузы, какао, тыквы, табака, хлопчатника. 7. Южноамериканский (Южная Америка) – родина картофеля, ананаса, хинного дерева.
Закон гомологических рядов наследственной изменчивости (сформулировал Н.И.Вавилов): виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов. Чем ближе генетически расположены в общей системе роды и виды, тем полнее сходство в рядах их изменчивости. Целые семейства растений, в общем, характеризуются определённым циклом изменчивости, проходящей через все роды и виды, составляющие семейство. Гетерозис - свойство гибридов первого поколения превосходить по жизнестойкости, плодовитости и другим признакам лучшую из родительских форм. Во втором и последующих поколениях гетерозис обычно затухает. Гетерозис растений и животных используют как важный прием повышения урожайности и продуктивности.
Явление гетерозиса.
Клон - популяция клеток или организмов, происшедших от общего предка путем бесполого размножения. Клон - основная единица учета в генетике микроорганизмов. Клонирование клеток применяют в онкологии, генетике соматических клеток и др. Новый метод получения клона растений — выращивание их из одной клетки с применением клеточной культуры.
Мичурин И.В. – учёный – селекционер: 1. Вывел около 300 новых сортов плодовых растений. 2. Разработал множество селекционных методов. Метод ментора: Ø гибридный сеянец – привой + взрослое растение – подвой (в его сторону получают изменения) Ø гибридный сеянец – подвой + черенок (с нужными свойствами) – привой. Мутагенез - процесс возникновения в организме наследственных изменений - мутаций. Основа мутагенеза - изменения в молекулах нуклеиновых кислот, хранящих и передающих наследственную информацию.
Одомашнивание - приручение диких животных и превращение их в домашних, специально разводимых человеком. Большинство домашних животных (собака, овца, крупный рогатый скот и др.) было одомашнено в период между палеолитом и неолитом (10-5 тыс. лет назад). Продолжается доместикация новых видов (антилопы, лось, норки и др.). Полиэмбриония – искусственное образование нескольких зародышей из одной зиготы ценных пород с последующим их введением в матку беспородных животных.
Глава V. «Экосистема» Экосистема – совокупность совместно обитающих организмов и условий их существования, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом и функционирующих как единое целое. Экология – наука о взаимоотношениях организмов между собой и с окружающей средой. Среда обитания – часть природы, которая окружает живые организмы и оказывает на них прямое или косвенное воздействие. Экологический фактор – любой компонент среды, способный оказывать влияние на организмы. Абиотические факторы - элементы неживой природы, воздействующие на живой организм (свет, температура, влажность и т. д.). Биотические факторы – все виды влияния на организмы со стороны других живых организмов.
1. нейтрализм – организмы не оказывают влияния друг на друга (белка и лось). 2. аменсализм – один вид угнетается, другой не извлекает пользы (светолюбивые травы и ель) 3. комменсализм – один вид получает пользу, другой не испытывает вреда: а) нахлебничество – потребление остатков пищи хозяина (песцы и белые медведи). б) квартиранство – использование одними видами других в качестве убежища или жилища (в гнездах птиц и норах грызунов живут членистоногие). в) сотрапезничество – потребление разных веществ или частей из одного и того же ресурса (почвенные бактерии-сапрофиты и высшие растения). 4. протокооперация – совместное существование выгодно для обоих видов, но не обязательно для них (опыление пчелами разных растений). 5. мутуализм – устойчивое взаимовыгодное сожительство двух организмов разных видов (птица-кедровка и кедровая сосна). 6. симбиоз – неразделимые взаимополезные связи двух видов (лишайник состоит из водорослей и грибницы гриба). 7. хищнечество – организмы одной популяции служат пищей для другой (заяц и волк). 8. паразитизм - организмы одного вида живут за счет питательных веществ или тканей организма другого вида в течение определенного времени (блоха и собака). 9. конкуренция: а) внутривидовая (борьба львов за территорию). б) межвидовая (лиса и волк). Антропогенные факторы – все формы человеческой деятельности, которые оказывают воздействие на живую природу. Толерантность – способность выдерживать изменения условий жизни (колебание температуры). Закон минимума Либиха: даже единственный фактор за пределами зоны своего оптимума приводит к стрессовому состоянию и в пределе – к гибели организма. Закон минимума: «Успешную жизнедеятельность организма ограничивает экологический фактор, количество и качество которого близки к минимуму, необходимому организму». Зона оптимума – то значение фактора, которое наиболее благоприятно для жизнедеятельности, роста и размножения организма. Диапазон выносливости – диапазон изменчивости фактора, в пределах которого возможна жизнедеятельность организмов. Пределы выносливости – крайние значения фактора, за которыми условия становятся непригодными и вызывают гибель организмов.
Стрессовые зоны – зоны между зоной оптимума и крайними точками, характеризующиеся увеличением или уменьшением действия фактора, что ухудшает жизнедеятельность особей. Адаптация – процесс и результат приспособления организмов к условиям окружающей среды. Анабиоз – состояние организма, при котором жизненные процессы очень сильно замедляются. Фотопериодизм – приспособление, регулирующее сезонные явления, является реакцией организма на изменение продолжительности дня (стремление к отлету у перелетных птиц). Экологическая ниша определяется совокупностью всех факторов, которая требуется для существования вида, а также его ролью в биологическом сообществе (в саваннах: зебры обрывают верхушки трав, антилопы гну поедают определенные виды растений, антилопы топи кормятся высокими стеблями). Биоценоз – исторически сложившаяся, устойчивая система, состоящая из биологических компонентов (совокупность популяций разных видов), занимающая ареал с однородными условиями существования, характеризуется определенными отношениями организмов между собой и приспособленностью к окружающей их среде. Это открытая система. Биогеоценоз – устойчивая система, состоящая из биоценоза и неорганических компонентов (горные породы, вода). Характеризуется относительно самостоятельным обменом веществ и особым типом использования потока энергии, приходящей от Солнца, границы которой определены растительным сообществом.
Зооценоз – сообщество животных. Фитоценоз – сообщество растений. Микробоценоз – сообщество микроорганизмов.
Параметры, характеризующие биогеоценозы: Ø Видовое разнообразие – число видов, образующих биоценоз. Ø Плотность популяции – количество особей данного вида на единицу площади или в единице объема. Ø Биомасса – общее количество органического вещества всей совокупности особей с заключенной в ней энергией. Ø Биологическая продуктивность – скорость продуцирования биомассы. Первичная продуктивность – биомасса, образованная в экосистеме автотрофными организмами. Вторичная продуктивность – биомасса, создающаяся консументами и редуцентами. Экологическая структура – соотношение групп видов, занимающих определенные экологические ниши, выполняющих определенные функции в сообществе. Структура биоценозов состоит из пищевых уровней: 1. Продуценты – автотрофы, которые в процессе жизнедеятельности синтезируют из неорганических веществ органические соединения, используя в качестве источника углерода углекислый газ (растения, фотосинтезирующие и хемосинтезирующие бактерии). 2. Консументы – гетеротрофные организмы, которые используют синтезированную продуцентами биомассу для собственной жизнедеятельности (животные, растения-хищники, хищные грибы). 3. Редуценты – гетеротрофы, перерабатывающие мертвое органическое соединение (микроорганизмы, грибы). Структура экосистем: Ø морфологическая – представлена жизненными формами, внешний вид организма (деревья, кустарники, травы). Ø пространственная – различные жизненные формы определенным образом пространственно обособлены, например, ярусность по вертикали, микрогруппировки по горизонтали. Ø трофическая структура представлена разными связями между организмами, в основном пищевыми цепями.
Круговорот веществ в экосистеме
Правила экологической пирамиды: Ø пирамида биомассы показывает соотношение биомассы организмов разных трофических уровней, причем масса каждого последующего звена прогрессивно уменьшается. Ø пирамида численности отражает плотность населения организмов на трофическом уровне.
Пример экологической пирамиды
Пастбищная пищевая цепь – пищевая цепь, которая начинается от растений. Детритная цепь – цепь питания, начинающаяся с детрита. Динамическое равновесие – состояние экосистемы, при котором количество продукции, синтезируемой зелеными растениями и другими продуцентами, в энергетическом отношении соответствует потребностям экосистемы. Экологическое нарушение – внезапные изменения в естественных экосистемах, которые вызывают резкое увеличение численности популяции одних видов и гибель других. Экологическая сукцессия - последовательная смена одних сообществ другими на определенной территории (зарастание водоема). Первичная сукцессия возникает на субстратах, не затронутых почвообразованием, и связана с формированием не только фитоценоза, но и почвы (лишайники на камнях) Вторичная сукцессия развивается на месте сформировавшихся биоценозов после их разрушения, например, в результате засухи, пожара. Агробиоценозы – искусственные экосистемы растений, животных, грибов и микроорганизмов, созданные для получения сельскохозяйственной продукции и регулярно поддерживаемые человеком (пастбища, поля, парки, сады).
|
Клонирование - искусственное получение генетически идентичных организмов с помощью экспериментальных манипуляций с яйцеклетками (ооцитами) и ядрами соматических клеток животных in vitro и in vivo, подобно тому, как в природе появляются однояйцовые близнецы.
Схема генетического клонирования овцы.
