какие методы селекции используются в селекции микроорганизмов

Селекция. Биотехнология.

Селекция

Селекция — отбор и создание новых сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов с нужными человеку свойствами.

Породы животных, сорта растений, штаммы микроорганизмов — это совокупности особей, созданные человеком и обладающие какими-либо ценными для него качествами. Теоретической основой селекции является генетика.

Основные методы селекции

Отбор

В селекции действует естественный и искусственный отбор. Искусственный отбор бывает бессознательным и методическим. Бессознательный отбор заключается в сохранении человеком лучших особей для разведения и употреблении в пищу худших без сознательного намерения вывести более совершенную породу или сорт. Методический отбор осознанно направлен на выведение нового сорта или породы с желаемыми качествами. В процессе селекции наряду с искусственным отбором не прекращает своего действия и естественный отбор, который повышает приспособляемость организмов к условиям окружающей среды.

Сравнительная характеристика естественного и искусственного отбора

Массовый отбор — выделение из исходного материала целой группы особей с желательными признаками и получение от них потомства.
Индивидуальный отбор — выделение отдельных особей с желательными признаками и получение от них потомства.

Массовый отбор чаще применяют в селекции растений, а индивидуальный — в селекции животных, что связано с особенностями размножения растений и животных.

Гибридизация

Методом отбора нельзя получить новые генотипы. Для создания новых благоприятных комбинаций признаков (генотипов) применяют гибридизацию. Различают внутривидовую и межвидовую (отдалённую) гибридизацию.

Внутривидовая гибридизация — скрещивание особей одного вида. Применяют близкородственное скрещивание и скрещивание неродственных особей.

Близкородственное скрещивание (инбридинг) (например, самоопыление у растений) ведёт к повышению гомозиготности, что, с одной стороны, способствует закреплению наследственных свойств, но с другой — ведёт к снижению жизнеспособности, продуктивности и вырождению. Скрещивание неродственных особей (аутбридинг) позволяет получить гетерозисные гибриды. Если сначала вывести гомозиготные линии, закрепив желательные признаки, а затем провести перекрёстное опыление между разными самоопыляющимися линиями, то в результате в ряде случаев появляются высокоурожайные гибриды. Явление повышенной урожайности и жизнеспособности у гибридов первого поколения, полученных при скрещивании родителей чистых линий, называется гетерозисом. Основная причина эффекта гетерозиса — отсутствие проявления вредных рецессивных аллелей в гетерозиготном состоянии. Однако уже со второго поколения эффект гетерозиса быстро снижается.

Межвидовая (отдалённая) гибридизация — скрещивание разных видов.

Используется для получения гибридов, сочетающих ценные свойства родительских форм (тритикале — гибрид пшеницы и ржи, мул — гибрид кобылы с ослом, лошак — гибрид коня с ослицей). Обычно отдалённые гибриды бесплодны, так как хромосомы родительских видов отличаются настолько, что невозможен процесс конъюгации, в результате чего нарушается мейоз. Преодолеть бесплодие у отдалённых гибридов растений удаётся с помощью полиплоидии. Восстановление плодовитости у гибридов животных более сложная задача, так как получение полиплоидов у животных невозможно.

Полиплоидия

Полиплоидия — увеличение числа хромосомных наборов.

Полиплоидия позволяет избежать бесплодия межвидовых гибридов. Кроме того, многие полиплоидные сорта культурных растений (пшеница, картофель) имеют более высокую урожайность, чем родственные диплоидные виды. В основе явления полиплоидии лежат три причины: удвоение хромосом в неделящихся клетках, слияние соматических клеток или их ядер, нарушение процесса мейоза с образованием гамет с нередуцированным (двойным) набором хромосом. Искусственно полиплоидию вызывают обработкой семян или проростков растений колхицином. Колхицин разрушает нити веретена деления и препятствует расхождению гомологичных хромосом в процессе мейоза.

Индуцированный мутагенез

В естественных условиях частота возникновения мутаций сравнительно невелика. Поэтому в селекции используется индуцированный (искусственно вызванный) мутагенез — воздействие на организм в условиях эксперимента каким-либо мутагенным фактором для возникновения мутации с целью изучения влияния фактора на живой организм или получения нового признака. Мутации носят ненаправленный характер, поэтому селекционер сам отбирает организмы с новыми полезными свойствами.

Клеточная и генная инженерия

Биотехнология — методы и приёмы получения полезных для человека продуктов и явлений с помощью живых организмов (бактерий, дрожжей и др.). Биотехнология открывает новые возможности для селекции. Её основные направления: микробиологический синтез, генная и клеточная инженерия.
Микробиологический синтез — использование микроорганизмов для получения белков, ферментов, органических кислот, лекарственных препаратов и других веществ. Благодаря селекции удалось вывести микроорганизмы, которые вырабатывают нужные человеку вещества в количествах, в десятки, сотни и тысячи раз превышающих потребности самих микроорганизмов. С помощью микроорганизмов получают лизин (аминокислоту, не образующуюся в организме животных; её добавляют в растительную пищу), органические кислоты (уксусную, лимонную, молочную и др.), витамины, антибиотики и т. д.
Клеточная инженерия — выращивание клеток вне организма на специальных питательных средах, где они растут и размножаются, образуя культуру ткани. Из клеток животных нельзя вырастить организм, а из растительных клеток можно. Так получают и размножают ценные сорта растений. Клеточная инженерия позволяет проводить гибридизацию (слияние) как половых, так и соматических клеток. Гибридизация половых клеток позволяет проводить оплодотворение «в пробирке» и имплантацию оплодотворённой яйцеклетки в материнский организм. Гибридизация соматических клеток делает возможным создание новых сортов растений, обладающих полезными признаками и устойчивых к неблагоприятным факторам внешней среды.
Генная инженерия — искусственная перестройка генома. Позволяет встраивать в геном организма одного вида гены другого вида. Так, введя в генотип кишечной палочки соответствующий ген человека, получают гормон инсулин. В настоящее время человечество вступило в эпоху конструирования генотипов клеток.

Селекция растений, животных и микроорганизмов

Селекция растений Для селекционера очень важно знать свойства исходного материала, используемого в селекции. В этом плане очень важны два достижения отечественного селекционера Н. И. Вавилова: закон гомологических рядов в наследственной изменчивости и учение о центрах происхождения культурных растений.
Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости: виды и роды, генетически близкие (связанные друг с другом единством происхождения), характеризуются сходными рядами в наследственной изменчивости. Так, например, у мягкой и твёрдой пшеницы и ячменя существуют остистые, короткоостые и безостые колосья. Зная наследственные изменения у одного вида, можно предвидеть нахождение сходных изменений у родственных видов и родов, что используется в селекции. Чем ближе между собой виды и роды, тем больше сходство в изменчивости их признаков. Н. И. Вавиловым закон был сформулирован применительно к растениям, а позднее подтверждён для животных и микроорганизмов.
В селекции растений наиболее широко используются такие методы, как массовый отбор, внутривидовая гибридизация, отдалённая гибридизация, полиплоидия.
Большой вклад в селекцию плодовых растений внёс отечественный селекционер И. В. Мичурин. На основе методов межсортовой и межвидовой гибридизации, отбора и воздействия условиями среды им были созданы многие сорта плодовых культур. Благодаря его работам многие южные сорта плодовых культур удалось распространить в средней полосе нашей страны.
Многие сорта культурных растений являются полиплоидными. Таковы некоторые сорта пшеницы, ржи, клевера, картофеля, свёклы и т. д. Сочетание отдалённой гибридизации с последующим получением полиплоидных форм позволило преодолеть бесплодие отдалённых гибридов. В результате многолетних работ Н. В. Цицина и его сотрудников были получены гибриды пырея и пшеницы, пшеницы и ржи (тритикале).
К наиболее важным достижениям селекции растений следует отнести создание большого количества высокопродуктивных сортов сельскохозяйственных растений.

Селекция животных

Как и культурные растения, домашние животные имеют диких предков. Процесс превращения диких животных в домашних называют одомашниванием (доместикацией). Почти все домашние животные относятся к высшим позвоночным животным — птицам и млекопитающим.
В селекции животных наиболее широко используются такие методы, как индивидуальный отбор, внутривидовая гибридизация (родственное и неродственное скрещивание) и отдалённая (межвидовая) гибридизация.
Использование индивидуального отбора связано с половым размножением животных, когда получить сразу много потомков затруднительно. В связи с этим селекционеру важно определить наследственные признаки самцов, которые непосредственно у них не проявляются (жирномолочность, яйценоскость). Поэтому оценка животных может быть осуществлена по их родословной и по качеству их потомства. Имеет определённое значение также учёт экстерьера, то есть совокупности внешних признаков животного. Подбор производителей в животноводстве особенно актуален в связи с применением в настоящее время искусственного осеменения, позволяющего получить от одного организма значительное число потомков. Родственное скрещивание ведёт к гомозиготности и чаще всего сопровождается уменьшением устойчивости животных к неблагоприятным факторам среды, снижением плодовитости и т. п. Для устранения неблагоприятных последствий используют неродственное скрещивание разных линий и пород. На основе межпородного скрещивания были созданы высокопродуктивные сельскохозяйственные животные (в частности М. Ф. Иванов создал высокопродуктивную породу свиней Белая украинская, породу овец Асканийская рамбулье). Неродственное скрещивание сопровождается гетерозисом, сущность которого состоит в том, что гибриды первого поколения имеют повышенную жизнеспособность и усиленное развитие. Примером эффективного использования гетерозиса служит выведение гибридных цыплят (бройлерное производство).
Отдалённая (межвидовая) гибридизация животных приводит к бесплодию гибридов. Но благодаря проявлению гетерозиса широко используется человеком. Среди достижений по отдалённой гибридизации животных следует отметить мула — гибрида кобылы с ослом, бестера — гибрида белуги и стерляди, продуктивного гибрида карпа и карася, гибридов крупного рогатого скота с яками и зебу, отдалённых гибридов свиней и т. д.

Селекция микроорганизмов

Источник

Методы селекции микроорганизмов. Особенности и значение для человека

Бактерии, актиномицеты, микоплазмы, простейшие и одноклеточные эукариоты – это микроорганизмы, которые человек сумел применить в промышленном производстве, сельскохозяйственной деятельности, медицине.

Насчитывается примерно 100 тыс. видов микроорганизмов и около сотни из них активно используются людьми. В конце прошлого столетия особенно активно стали заниматься изучением генома микроорганизмов и разработали ряд методов управления биохимическими процессами.

Для эффективного производства необходимы такие качества микроорганизмов как:

Основная задача селекционеров выводить новые штаммы, с точно установленными характеристиками и способствовать их внедрению в производство.

Чем селекция микроорганизмов отличается от селекции растений и животных?

Учитывая характеристики и особенности селекции микроорганизмов, были разработаны особые методы их исследований. Селекционеры используют такие методы селекции: генетическую инженерию, искусственный мутагенез и отбор.

Методы селекции микроорганизмов

Генетическая инженерия

Генетическая инженерия — метод, который дает возможность внедрять необходимый наследственный материал, полученный из клетки одного организма, в геном другого. Образованные таким путем микроорганизмы называются трансформированными.

В генной инженерии чаще всего используется Escherichia coli, бактерия, обитающая в кишечном тракте человека. Благодаря ей продуцируется гормон роста — соматотропин, инсулин, который прежде можно было получить только из клеток поджелудочных желез домашних животных, интерферон, используемый для лечения вирусных заболеваний.

Процесс получения трансформированных микроорганизмов делится на ряд последовательных стадий.

Генетическая инженерия

Стадии получения трансформированных микроорганизмов

Поиск нужных генов и вырезание их из генома. Это возможно благодаря действию специфичных ферментов — рестриктаз.

Образование субстрата — особой конструкции, в ее составе необходимая закодированная характеристика будет встроена в геном другой клетки. Для формирования субстрата используют двухцепочечные кольцевые молекулы (плазмиды).

Ген встраивают в плазмиду под действием ферментов, которые осуществляют лигирование – соединение двух молекул. Генетическая конструкция состоит из определенных частей — это промотор, терминатор, ген-оператор и ген-регулятор, которые нужны для контроля генов. В структуре новообразованной конструкции находятся также маркерные гены, которые обеспечивают проявление новых характеристик, отличающих ее от первичных клеток.

Трансформация — введение новой генетической информации в геном микроорганизма.

Скрининг — сортировка бактерий, выбор организмов с успешно внедренными характеристиками.

Дальнейшее размножение полученных бактерий.

Искусственный мутагенез

Для получения желаемых мутаций на микроорганизмы воздействуют рентгеновскими лучами, ультрафиолетом, химическими соединениями, что повышает скорость мутирования и его эффективность.

Искусственный отбор

Проводят отбор штаммов с высокой синтезирующей активностью.

Перед отбором производительных штаммов, селекционер длительное время работает с первоначальным геномом клеток. Используются разные методы перестройки генома: конъюгация, трансдукция, трансформация.

Конъюгация – перенос части генетического материала при непосредственном контакте двух бактериальных клеток, дала возможность создать штамм, который может утилизировать углеводороды нефти.

Амплификация — умножение числа копий необходимого гена. Благодаря амплификации многократно удалось повысить синтез антибиотиков.

Стимуляция мутаций — необходимый этап в селекции. Изменения генома микроорганизмов возникают не так часто как в клетках растений и животных. Но возможность выделения этой мутации у бактерий гораздо выше, чем у других организмов, потому что получить миллиарды колоний микроорганизмов можно легко и быстро.

Отбор по производительности (например, бактерий синтезирующих антибиотики) происходит по степени влияния трансформированного штамма бактерии на рост и размножение болезнетворного микроорганизма. Их селят на питательную среду и определяют активность штамма по диаметру очага, где рост патологических бактерий замедлен или отсутствует. Для дальнейшей работы используют самые продуктивные виды бактерий.

Так традиционные методы селекции микроорганизмов (мутагенез и искусственный отбор) дали возможность при селекции грибов Penicillium, ускорить синтез антибиотика пенициллина в тысячи раз соотносительно с первоначальным штаммом.

Значение и роль в биологии селекции микроорганизмов

Широко применяются в медицинской промышленности для изготовления лекарственных средств – антибиотиков, незаменимых при лечении бактериальных заболеваний. Необходимы для синтеза ферментов, витаминов, аминокислот.

Для производства продуктов питания применяются дрожжевые грибки, с помощью селекции выделяют виды, которые наиболее быстро вызывают брожение теста и повышают качество продукции.

Примером селекции микроорганизмов также служит использование новых штаммов для изготовления молочнокислых продуктов, виноделия.

В сельском хозяйстве для получения силоса или для защиты растений также используют трансформированные микроорганизмы.

Источник

Основные методы селекции микроорганизмов

Описание презентации по отдельным слайдам:

Описание слайда:

Тема:
«Основные методы селекции микроорганизмов»
Пименов А.В.
Глава IХ.
Генетика и селекция
Задачи:
Дать характеристику основным методам селекции микроорганизмов

Описание слайда:

Традиционная селекция микроорганизмов (в основном бактерий и грибов) основана на экспериментальном мутагенезе и отборе наиболее продуктивных штаммов. Но и здесь есть свои особенности. Геном бактерий гаплоидный, любые мутации проявляются уже в первом поколении.

Хотя вероятность естественного возникновения мутации у микроорганизмов такая же, как и всех других организмов (1 мутация на 1 млн. особей по каждому гену), но очень высокая интенсивность размножения дает возможность найти полезную мутацию по интересующему исследователя гену.
Традиционная селекция микроорганизмов

Описание слайда:

В результате искусственного мутагенеза и отбора была повышена продуктивность штаммов гриба пеницилла более чем в 1000 раз.

Продукты микробиологической промышленности используются в хлебопечении, пивоварении, виноделии, приготовлении многих молочных продуктов.

С помощью микробиологической промышленности получают антибиотики, аминокислоты, белки, гормоны, различные ферменты, витамины и многое другое.

Микроорганизмы используют для биологической очистки сточных вод, улучшений качеств почвы.
Традиционная селекция микроорганизмов

Описание слайда:

Новейшими методами селекции микроорганизмов, растений и животных являются клеточная, хромосомная и генная инженерия.

Генная инженерия основана на выделении нужного гена из генома одного организма и введении его в геном другого организма.

Описание слайда:

Описание слайда:

«Вырезании» генов проводят с помощью специальных «генетических ножниц», ферментов — рестриктаз, затем ген «вшивают» в вектор — плазмиду, с помощью которого ген вводится в бактерию.
«Вшивание» осуществляется с помощью другой группы ферментов — лигаз. Причем вектор должен содержать все необходимое для управления работой этого гена — промотор, терминатор, ген-оператор и ген-регулятор. Кроме того, вектор должен содержать маркерные гены, которые придают клетке-реципиенту новые свойства, позволяющие отличить эту клетку от исходных клеток.
Генная инженерия

Описание слайда:

Затем вектор вводится в бактерию, и на последнем этапе отбираются те бактерии, в которых введенные гены успешно работают.

Излюбленный объект генных инженеров — кишечная палочка, бактерия, живущая в кишечнике человека. Именно с ее помощью получают гормон роста — соматотропин, гормон инсулин, который раньше получали из поджелудочных желез коров и свиней, белок интерферон, помогающий справиться с вирусной инфекцией.
Генная инженерия

Описание слайда:

Бактерия Bacillus thuringiensis вырабатывает эндотоксин, разрушающий желудок насекомых и совершенно безвреден для млекопитающих. Из бактерии выделили этот ген и ввели его в в плазмиду почвенной бактерии Agrobacterium tumefaciens. Этой бактерией были заражены кусочки растительной ткани, выращиваемой на питательной среде.
Генная инженерия

Описание слайда:

Через некоторое время плазмиды, несущие ген белка-токсина, внедрились в растительные клетки и ген встроился в ДНК растений. Затем из этих кусочков вырастили полноценные растения. Гусеницы насекомых вредителей погибали на этом растении. Описанным путем к настоящему времени получили формы картофеля, томатов, табака, рапса, устойчивые к разнообразным вредителям.
Генная инженерия

Описание слайда:

Что изображено на рисунке?

Описание слайда:

Селекция микроорганизмов
Молекулярные биологи передали винограду ген морозоустойчивости от дикорастущего родственника капусты брокколи. Получение морозостойкого сорта заняло всего год (вместо 30 лет). Трансгенные растения выращивают во многих странах мира. На первом месте по размеру площадей под трансгенными растениями находятся США, Аргентина и Китай. Больше всего земли занимают трансгенные соя, кукуруза, хлопок, рапс и картофель.

Описание слайда:

Описание слайда:

Описание слайда:

Перенос новых генов в геном животных возможен с помощью микроинъекции ДНК в ядро яйцеклетки. Так получили трансгенную гигантскую мышь, которой ввели ген гормона роста крысы.
Генная инженерия

Описание слайда:

Описание слайда:

Описание слайда:

Хромосомная инженерия
Методы хромосомной инженерии.

Эффективно используются в селекции растений.
Мы уже знакомы с получением полиплоидных растений в результате кратного увеличения хромосом.
Метод замещенных линий основан на замещении одной пары гомологичных хромосом на другую.
Метод дополненных линий основан на введении в генотип растительного организма пары чужих гомологичных хромосом, контролирующих развитие нужных признаков. С помощью этих методов в растениях собираются признаки, приближающие к созданию «идеального сорта».
Перспективен метод гаплоидов, основанный на выращивании гаплоидных растений с последующим удвоением хромосом. Например, выращивают из пыльцевых зерен кукурузы гаплоидные растения, содержащие 10 хромосом, затем хромосомы удваивают и получают диплоидные (10 пар хромосом), полностью гомозиготные растения всего за 2 — 3 года вместо 6 — 8 летнего инбридинга.

Описание слайда:

Методы хромосомной инженерии
Метод дополненных линий
Метод замещенных линий
Метод гаплоидов
Получение полиплоидов

Описание слайда:

Методы клеточной инженерии связаны с культивированием отдельных клеток в питательных средах, где они образуют клеточные культуры. Оказалось, что клетки растений и животных, помещенных в питательную среду, содержащую все необходимые для жизнедеятельности вещества, способны делиться. Клетки растений обладают еще и свойством тотипотентности, то есть при определенных условиях они способны сформировать полноценное растение.
Клеточная инженерия

Описание слайда:

Описание слайда:

Продолжается работа по гибридизации клеток, получение гибридом. Например, разработана методика гибридизации протопластов соматических клеток. Удаляются клеточные оболочки и сливаются протопласты клеток организмов, относящихся к разным видам — картофеля и томата, яблони и вишни.
Перспективно создание гибридом, при котором осуществляется гибридизация лимфоцитов, образующие антитела, с раковыми клетками. В результате гибридомы нарабатывают антитела, как лимфоциты, и «бессмертны», как раковые клетки.
Клеточная инженерия

Описание слайда:

Интересен метод пересадки ядер соматических клеток в яйцеклетки. Таким способом возможно клонирование животных, получение генетических копий от одного организма. В настоящее время получены клонированные лягушки, получены первые результаты клонирования млекопитающих.
Клеточная инженерия

Описание слайда:

Возможно слияние эмбрионов на ранних стадиях, создание химерных животных. Таким способом были получены химерные мыши при слиянии эмбрионов белых и черных мышей, химерное животное овца-коза.
Клеточная инженерия

Описание слайда:

Методы клеточной инженерии
Использование клеточных культур
Получение гибридом
Клонирование
Слияние эмбрионов, получение химер

Описание слайда:

Повторение. Основные термины темы:
На чем основан метод замещенных линий:
На замещении одной пары гомологичных хромосом на другую.
На чем основан метод дополненных линий:
На введение в генотип пары гомологичных хромосом с нужными признаками.
На чем основан метод гаплоидов:
На выращивании гаплоидных растений с последующим удвоением хромосом.
На чем основан метод получения полиплоидов:
На увеличении хромосомного набора, кратное гаплоидному. Используется колхицин.
Что такое тотипотентность?
Клетки растений при определенных условиях способны сформировать полноценное растение.
Как можно использовать клеточные культуры?
Из отдельных клеток можно вырастить полноценные растения.

Описание слайда:

Повторение. Основные термины темы:
Как используется метод создания гибридом?
Осуществляется гибридизация клеток разных видов, например, лимфоцитов, образующие антитела, с раковыми клетками. В результате гибридомы нарабатывают антитела, как лимфоциты, и «бессмертны», как раковые клетки.
Как осуществляется клонирование животных?
Ядро соматической клетки пересаживается в яйцеклетку, из которой предварительно удалили ядро. Яйцеклетка активируется и после начала дробления пересаживается в матку суррогатной матери.
Как можно получить химерных животных?
Возможно слияние эмбрионов на ранних стадиях. Таким способом были получены химерные мыши при слиянии эмбрионов белых и черных мышей, химерное животное овца-коза.

Источник