§ 55. Особливості селекції тварин, рослин та мікроорганізмів

Археологічні та палеонтологічні дослідження дали змогу з’ясувати, що перші вдалі спроби введення в культуру рослин і приручення тварин було здійснено 20-30 тис. років тому. Вважають, що головними вихідними центрами зародження сільського господарства були п’ять регіонів світу: Південно-Східна Азія (Близький Схід – долини річок Тигру та Євфрату – найстародавніший регіон виробництва продуктів харчування, де було окультурено найбільшу кількість рослин і тварин); Китай (долини річок Янцзи та Хуанхе); Центральна Америка (територія сучасної Мексики та прилеглі до неї регіони Центральної Америки); Південна Америка (південноамериканські Анди); схід Північної Америки. Більшість цих регіонів відрізнялись найбільшим розмаїттям диких рослин і тварин, придатних для використання у сільському господарстві.

Особливості селекції рослин. Центри походження і різноманітності культурних рослин дослідив М.І. Вавилов (мал. 310). Під його керівництвом у 20-30-х роках XX ст. було організовано численні експедиції в різні куточки нашої планети. Вони встановили, що для кожного з видів культурних рослин існує свій центр різноманітності, де виявлено найбільшу кількість їхніх сортів і форм. Учений зробив висновок: центри різноманітності культурних рослин є водночас районами їхнього походження (таблиця 8).

Мал. 310. Микола Іванович Вавилов (1887-1943) – всесвітньо відомий генетик і селекціонер

Цікаво знати

Завдяки експедиціям М.І. Вавилова було створено унікальну колекцію насіння приблизно 1600 видів рослин, яку використовували для селекційної роботи. Родинні зв’язки культурних рослин і диких видів встановлюють на підставі аналізу особливостей каріотипів та інших ознак, насамперед завдяки молекулярно-генетичним, біохімічним та фізіологічним дослідженням тощо.

Мал. 311. Тюльпан Шренка – один з найгарніших видів тюльпанів. В Україні трапляється в південно-східних регіонах, найчисленніший на території Криму. Занесений до Червоної книги України

Культурні рослини належать до більш ніж 25 тис. видів. Учені вважають, що одними з перших ввели в культуру кукурудзу, гарбуз, кокосову пальму, цибулю, горох посівний, ячмінь, пшеницю, рис. Диких предків деяких культурних рослин у природі не знайдено (наприклад, цибулі городньої), інші – дотепер поширені в природних екосистемах (наприклад, дикі капуста та морква). Деякі культурні рослини було виведено за допомогою віддаленої гібридизації (наприклад, ріпак – гібрид, отриманий унаслідок схрещування капусти і свиріпи).

Хоча землеробство на території України розвивається понад 5 тисячоліть, всі культурні рослини, які вирощують у нас, походять з інших країн. Утім, багато їхніх сортів виведено саме в нас. Єдиний вид на сучасних теренах України, одомашнений татарами за часів Кримського ханства, – це характерний для степової зони тюльпан Шренка (мал. 311). Через Туреччину він потрапив до Європи, і з кінця XVI ст. лідером із селекції декоративних сортів тюльпана поступово стають Нідерланди.

В Україні функціонує багато центрів селекції рослин. Один з найвідоміших у світі – це Миронівський інститут пшениці (Київська область), який тривалий час очолював видатний український селекціонер академік В.М. Ремесло (мал. 312). Тепер цей інститут носить його ім’я.

Центри різноманітності та походження культурних рослин, за М.І. Вавиловим

(не для запам’ятовування)

Назва центру

Де розташований

Які види походять

Індія, Індокитай, Південний Китай, острови Південно-Східної Азії

Огірки, кілька видів цитрусових і бананів, рис, цукрова тростина

Центральний і Східний Китай, Японія, Корея, Тайвань

Соя, гречка, редька, яблуня, груша, слива, шовковиця, кілька видів проса

Мала і Середня Азія, Кавказ, Іран, Афганістан, Північно-Західна Індія

Горох посівний, сочевиця, морква, цибуля ріпчаста, бавовник, льон, виноград, абрикос, мигдаль, волоський горіх, кілька видів м’якої пшениці, жита, ячменю та вівса

Узбережжя Середземного моря

Цукровий буряк, капуста, олива, конюшина, люпин

Абіссінське нагір’я, південь Аравійського півострова

Тверда пшениця, зернове сорго, особливий вид бананів, кавове дерево

Південна Мексика та острови Карибського моря

Кукурудза, червоний перець, гарбуз, тютюн, какао, довговолокнистий бавовник, соняшник

Частина Анд уздовж узбережжя Південної Америки

Картопля, помідори, арахіс, ананас, хінне дерево

У селекції рослин є можливість використовувати різні форми штучного добору (як масовий, так і індивідуальний). Для підвищення різноманітності вихідного матеріалу для селекції рослин застосовують різні форми гібридизації спільно з використанням штучних мутагенів. Міжвидові гібриди рослин часто безплідні, проте їх розмножують вегетативно або долають безпліддя, подвоюючи число хромосом гібридів. Створено поліплоїдні високопродуктивні сорти різних культурних рослин: картоплі, садових суниць, цукрового буряку, гречки, льону, кавуна, м’якої пшениці, жита, кукурудзи, проса тощо.

Широко в селекції рослин використовують щеплення (мал. 313) – особливий спосіб штучного об’єднання частин різних особин. Частину рослини, яку прищеплюють, називають прищепою, а рослину, до якої прищеплюють, – підщепою.

Мал. 312. Василь Миколайович Ремесло (1907-1983). Під його керівництвом створено 20 сортів пшениці, які вирощують у багатьох країнах. Найвідомішим є сорт «Миронівська-808», який вважають шедевром світової селекції рослин

Щеплення відрізняється від справжньої гібридизації тим, що приводить лише до неспадкових змін фенотипу прищепленої особини, не змінюючи генотипи таких рослин. Щеплення здійснюють для підсилення бажаних змін фенотипу, поєднуючи властивості прищепи й підщепи та поширюючи їх на весь новостворений організм. Наприклад, прищеплення до зимостійкої дички живців від південних високопродуктивних сортів плодових культур забезпечує поєднання високих смакових якостей прищепи з холодостійкістю підщепи.

Особливості селекції тварин. Райони одомашнювання і походження порід свійських тварин зазвичай пов’язані з давніми центрами землеробства (див. табл. 9), але точно встановити ці місця складніше, ніж культурних рослин. Це пояснюють здатністю тварин до активного пересування та зміною ареалів протягом історичного розвитку. У свійських тварин відбулися значні зміни в будові, життєвих функціях, індивідуальному розвитку, поведінці. Тому більшість з них не здатна існувати без підтримання людиною.

Предки деяких свійських тварин

Свійські тварини

їхні предки

Велика рогата худоба

Дикі банківські кури

Дика американська індичка

Одного з перших, 10-15 тис. років тому, у декількох районах Євразії одомашнено собаку свійського, якого спочатку використовували для захисту і як помічника в полюванні. Приблизно 6 тис. років тому на території Ближнього Сходу та Давнього Єгипту для захисту запасів зерна від гризунів приручено кота свійського.

Мал. 313. Форми щеплення рослин: 1 – зближення; 2 – копулювання; 3 – у прикладку; 4-у розщіп; 5 – окулірування (6 – вічко)

Запам’ятаємо: виявлення центрів різноманітності культурних рослин підказало вченим, де саме потрібно шукати генетично різноманітний вихідний матеріал для селекційної роботи.

Запам’ятаємо: отримані за допомогою щеплення гібриди необхідно постійно підтримувати, проводячи періодичні повторні щеплення, бо інакше виродження (повернення до предкових диких форм) сорту неминуче.

Одними з перших об’єктів скотарства, вік одомашнення яких оцінюють у 10 тис. років, були вівці та кози. Вівчарство виникло в гірських регіонах Близького Сходу, Греції, Кавказу, Малої та Середньої Азії. До найбільш стародавніх об’єктів скотарства відносять також свинарство (дика свиня – кабан – була одомашнена близько 10 тис. років тому) та велику рогату худобу (8 тис. років тому). Предком великої рогатої худоби був дикий бик – тур, який жив на території лісостепової та степової зон Євразії та в Північній Африці (останню тварину цього виду знищено 1627 р. у Польщі). Вважають, що його було одомашнено в Південно-Західній Азії та Північній Африці.

До найважливіших свійських тварин належить кінь. Його предком був вимерлий дикий кінь – тарпан, якого одомашнено приблизно 6 тис. років тому в степовій зоні на території нинішньої України. Кінь, якого спочатку було одомашнено заради шкіри, м’яса і молока, згодом став основним транспортним засобом.

Свійського кроля, якого тепер розводять у всьому світі заради м’яса та хутра, одомашнено не більше ніж 2 тис. років тому в південних регіонах Європи. Його предок – дикий кріль – і нині трапляється в південних областях України (його туди було завезено XIX ст.). Одомашнені й розводяться людиною такі хутрові звірі, як норка, соболь, песець, лисиця, нутрія, ондатра.

Важливою галуззю тваринництва в Україні є свинарство. Предком свині свійської є кабан, який і нині поширений у природі (мал. 315, 1). Вважають, що одомашнення свиней розпочалося близько 13 тис. років тому на Близькому Сході, звідки вони потрапили на територію Європи. На сьогодні число свійських свиней на нашій планеті становить близько 1 млрд особин, які належать до понад 100 різних порід. В Україні поширені такі породи, як велика біла, українська степова біла, миргородська, українська степова ряба тощо (мал. 315, 2-4).

Людина одомашнила й багато видів птахів. Так, свійські кури походять від диких банківських курей, одомашнених 5-6 тис. років тому на теренах Південної та Південно-Східної Азії. Індіанські племена Центральної Америки одомашнили близько 5 тис. років тому інших представників ряду куроподібних – індичок (предок – дика індичка), яких, як і курей, розводять заради м’яса, яєць та пуху. Свійська качка походить від дикої качки – крижня, поширеної в Північній півкулі. Різноманітні породи свійської качки (українську, московську тощо) розводять заради м’яса, а також яєць. Приблизно одночасно з качкою (близько 4 тис. років тому) з подібною метою людина одомашнила сіру гуску. Голуба свійського було одомашнено заради м’яса, а деякий час його використовували для транспортування кореспонденції («голубина пошта»). Цьому сприяла здатність поштових голубів знаходити домівку: їх брали із собою в подорож, і якщо виникала потреба, до ніжки голуба прив’язували листа і випускали. Численні породи свійського голуба (декоративні, поштові та м’ясні) походять від дикого сизого голуба, який мешкає в гірських місцевостях помірних широт Євразії та Північної Африки. Нині штучно розводять деякі інші види птахів – перепелів, куріпок, фазанів тощо.

Цікаво знати

Дикий кінь Пржевальського (мал. 314), який зберігся майже виключно на територіях природно-заповідного фонду, не є безпосереднім предком свійського коня: вони мають різний хромосомний набір (66 та 64 відповідно). Тарпана та коня Пржевальського більшість дослідників розглядають як різні підвиди дикого коня. З 1998 р. коней Пржевальського завезли в зону відчуження Чорнобильської АЕС. Там ці тварини прижилися, їхня кількість наближується до сотні. Це одна з найбільших популяцій коня Пржевальського у світі.

Мал. 314. Кінь Пржевальського – єдиний нині існуючий вид диких коней

Мал. 315. Кабан (1) та породи свійських свиней: 2 – дюрок-джерсійська; 3 – беркширська; 4 – українська степова біла

Мал. 316. Кокони і метелики шовковичного шовкопряда (1) та медоносна бджола (2) – свійські безхребетні тварини; людина вивела багато порід цих комах

Багато декоративних порід золотих рибок виведено в Китаї від сріблястого карася близько 5 тис. років тому. Предком різних порід коропа (дзеркального, українського, ропшинського тощо) був сазан, який і сьогодні мешкає у прісних водоймах Євразії.

Понад 5 тис. років тому в Китаї виникла нова галузь виробництва – шовківництво, а в тропічних і субтропічних регіонах Євразії – бджільництво (мал. 316). Шовковичний шовкопряд і медоносна бджола в дикому стані нині невідомі, однак бджоли часто дичавіють. Введення в культуру диких видів рослин та одомашнення тварин триває дотепер.

Особливостями селекції тварин є те, що свійським тваринам притаманне лише статеве розмноження, а вегетативне розмноження безплідних міжвидових гібридів неможливе. У селекції тварин майже не застосовують масовий добір, бо кількість нащадків незначна і тому кожна особина має велику цінність.

У селекції тварин застосовують споріднене (для переведення певних генів у гомозиготний стан) та неспоріднене схрещування, а також віддалену гібридизацію (для виведення нових порід). Широко використовують і явище гетерозису. Наприклад, схрещуючи дюрок-джерсійську та беркширську породи свиней, отримують швидкостиглих нащадків, які за неповний рік сягають значної маси (до 300 кг і більше) (див. мал. 315, 2, 3).

Практично важливі спадкові ознаки можуть не проявлятися у фенотипі в особин однієї зі статей. Наприклад, у самців великої рогатої худоби не проявляються молочність і жирномолочність, у півнів – несучість. Тому для виявлення подібних властивостей застосовують метод визначення якостей плідників за властивостями нащадків. При цьому порівнюють продуктивність нащадків плідників протилежної статі (наприклад, корів – дочок одного бугая) із середніми показниками по породі. Із кінця XX ст. у селекції тварин дедалі частіше застосовують клонування (детальніше цю методику ми розглянемо в § 58).

Цікаво знати

Одним з видатних селекціонерів тварин, робота якого пов’язана з Україною, був академік Михайло Федорович Іванов (1871-1935). За його ініціативи 1925 р. засновано племінну станцію в Асканії-Новій (Херсонська обл.), нині – Інститут тваринництва степових районів ім. М.Ф. Іванова – Національний науковий селекційно-генетичний центр з вівчарства. М.Ф. Іванов вивів такі відомі породи, як асканійська порода тонкорунних овець та українська степова біла порода свиней.

Селекція мікроорганізмів. Мікроорганізми (прокаріоти та деякі мікроскопічні еукаріоти, наприклад дріжджі) широко використовують у харчовій, мікробіологічній, виноробній та інших галузях, для біологічної боротьби зі шкідниками тощо. Вони мають низку особливостей, які потрібно враховувати в селекційній роботі. Насамперед, гібридизація для більшості видів мікроорганізмів неможлива через відсутність статевого процесу. Тому для збільшення різноманітності вихідного матеріалу здійснюють штучний мутагенез, а потім відбирають найпродуктивніші штами для подальшої роботи з ними; також застосовують методи генної і клітинної інженерії. Багато прокаріотів мають гаплоїдний набір генів – єдину кільцеву молекулу ДНК, тому мутації проявляються вже в першому поколінні нащадків. Завдяки високим темпам розмноження можна швидко отримати потрібну кількість «мутантів» з певними властивостями. За допомогою вірусів-бактеріофагів, здатних переносити спадкову інформацію від однієї бактеріальної клітини до іншої, штучно об’єднують спадковий матеріал клітин із різних штамів чи видів (про методи генетичної інженерії ви дізнаєтеся з § 58).

Коротко про головне

Селекція різних груп живих істот (тварин, рослин, мікроорганізмів) має певні відмінності, пов’язані з їхніми біологічними особливостями.

В.І. Вавилов встановив центри походження і різноманітності культурних рослин, які є водночас районами їхнього походження. Райони одомашнювання і походження порід свійських тварин пов’язані з давніми центрами землеробства.

Ключові терміни та поняття: щеплення рослин, метод визначення якостей плідників за властивостями нащадків.

Перевірте здобуті знання

1. Які методи застосовують у селекції рослин? Які їхні особливості? 2 Для чого здійснюють щеплення культурних рослин? 3. Як можна підвищити різноманітність вихідного матеріалу в селекції рослин? 4. Які особливості селекції тварин порівняно із селекцією рослин? 5. Що таке оцінка плідників за якостями нащадків? 6. Для чого здійснюють селекцію мікроорганізмів і які її особливості?

Поміркуйте

Чим можна пояснити, що райони одомашнення тварин зазвичай збігаються із центрами походження культурних рослин?

3. Вегетативне розмноження рослин щепленням

У садівництві щеплення застосовують з давніх часів. Плодові дерева — яблуні, груші, сливи, вишні — часто розмножують щепленням. Бруньку — вічко або живець культурної рослини зрощують зі стеблом дички.

Дичка ( дичок )— молода рослина, вирощена з насіння плодового дерева. Коренева система дички володіє більшою потужністю, невибагливістю до ґрунту, морозостійкістю й іншими якостями, яких немає у щепленої культурної рослини. Вічко або живець культурної рослини, взятої для щеплення, називається прищепою , а дичка , до якого прищеплюють, — підщепою .

Щеплення живцем роблять навесні, поки не почали розвиватися бруньки.
Зрізаний з культурної рослини живець з’єднують зі стеблової частиною підщепи. Місце щеплення туго обв’язують, а зріз пенька замазують садовим варом. Якщо щеплення зроблено правильно, відбудеться зрощення підщепи з прищепою і бруньки прищепи почнуть розпускатися.

Щеплення брунькою здійснюють у другій половині літа.
Для щеплення брунькою біля основи стовбура дички — підщепи гострим ножем роблять надріз кори у вигляді букви «Т» і відокремлюють кору дички від деревини.

З культурного плодового дерева зрізають однорічний пагін. З нього видаляють листові пластинки, залишаючи тільки черешки. Потім із пагону культурного сорту зрізають добре розвинуту бруньку з тонким шаром деревини довжиною \(2\) — \(2,5\) см і вставляють її під кору дички в надріз. Місце щеплення туго обв’язують, таким чином, щоб сама брунька залишалася вільною від обв’язування.

§ 18. Особливості селекції рослин, тварин і мікроорганізмів. Біотехнологія. Генна і клітинна інженерія

Аби краще засвоїти матеріал цього параграфа, слід пригадати: що таке поліплоїдія, як вона впливає на фенотип? Що таке штучний мутагенез, районування сортів і порід, гетерозис, клонування? Що таке антибіотики і вітаміни? Що таке щеплення та з якою метою його здійснюють? Що таке плазміди?

Селекція різних груп живих істот (тварин, рослин, мікроорганізмів) має певні відміни, пов’язані з їхніми біологічними особливостями.

Які особливості селекції рослин?

Можливість отримання великої кількості вихідного матеріалу дозволяє використовувати в селекції рослин різні форми штучного добору (як масовий, так і індивідуальний). У селекції рослин застосовують різні форми гібридизації: споріднену, неспоріднену, міжвидову. Міжвидові гібриди рослин часто безплідні, проте їх розмножують вегетативним шляхом або долають безпліддя, подвоюючи число хромосом. Зокрема, створені гібриди пшениці й пирію, які відрізняються високою продуктивністю (до 300-450 ц зеленої маси з гектара) і стійкістю до полягання; пшениці та жита; плодово-ягідних культур (наприклад, малини та ожини, сливи та терену). Створені поліплоїдні високопродуктивні сорти різних культурних рослин: картоплі, садових суниць, цукрового буряку, гречки, льону, кавуна, м’якої пшениці, жита, кукурудзи, проса тощо. Для селекції рослин важливі мутанти з гаплоїдним числом хромосом. Штучно подвоївши це число, можна швидко отримати гомозиготні за більшістю генів форми.

Мал. 18.1. Форми щеплення: 1 – зближення; 2 – копулювання; 3 – вприклад; 4 – в розщіп; 5 – окулірування (6 – вічко)

Щеплення (мал. 18.1) – особливий спосіб штучного об’єднання частин різних особин. Нагадаємо, що частину рослини, яку прищеплюють, називають прищепою, а рослину, до якої прищеплюють, – підщепою. Щеплення відрізняється від справжньої гібридизації тим, що приводить лише до модифікаційних змін фенотипу прищепленої особини, не змінюючи генотипи обох рослин. Щеплення здійснюють для підсилення бажаних змін фенотипу поєднанням властивостей прищепи й підщепи та поширення їх на весь новостворений організм (наприклад, прищеплення до зимостійкої дички живців від південних високопродуктивних сортів плодових культур забезпечує поєднання високих смакових якостей прищепи з холодостійкістю підщепи).

Більшість сортів плодових культур є наслідком мутацій нестатевих клітин; тому при розмноженні насінням нащадки повертаються до фенотипів батьківських форм. Отже, єдиними способами підтримати їхні властивості є вегетативне розмноження або щеплення.

Унаслідок взаємодії прищепи й підщепи нащадки отримують нові корисні властивості, які можна використовувати в подальшій селекційній роботі.

Отримані за допомогою щеплення гібриди необхідно постійно підтримувати, проводячи періодичні повторні щеплення, інакше виродження (повернення до предкових диких форм) сорту неминуче.

У селекції рослин для підвищення різноманітності вихідного матеріалу застосовують різні форми гібридизації спільно із штучним мутагенезом. Завдяки цьому та подальшому добору мутантних нащадків створено сотні нових сортів культурних, переважно злакових, рослин (пшениці, жита, ячменю, кукурудзи тощо).

Які особливості селекції тварин?

Оскільки свійським тваринам притаманне лише статеве розмноження, вегетативне розмноження безплідних міжвидових гібридів неможливе. В селекції тварин майже не застосовують масовий добір, бо кількість нащадків незначна і тому кожна особина має велику цінність.

Організм тварини характеризується високим ступенем інтеграції, тому при селекції потрібно враховувати корелятивну мінливість: у разі зміни певної ознаки можуть змінюватись інші, генетично пов’язані з нею. Так, із збільшенням довжини кінцівок у тварин стає довшою і шия, з видовженням тіла свиней стає тоншим шар сала.

У селекції тварин застосовують споріднене (для переведення певних генів у гомозиготний стан) та неспоріднене схрещування, а також віддалену гібридизацію (для виведення нових порід). Споріднене схрещування ефективно на окремих етапах селекційної роботи (для підтримання чистоти породи тощо), а його негативні наслідки усувають за допомогою гібридизації представників різних ліній або порід. Широко використовують і явище гетерозису. Наприклад, схрещуючи свиней деяких порід (мал. 18.2), отримують нащадків, які за неповний рік сягають маси понад 300 кг.

Мал. 18.2. Дюрок-джерсійська (1) та беркширська (2) породи свиней слугують для отримання гетерозисних особин

Практично важливі спадкові ознаки можуть фенотипно не проявлятися в особин однієї зі статей. Наприклад, у самців великої рогатої худоби не проявляються молочність і жирномолочність, у півнів – несучість. Тому для виявлення подібних властивостей застосовують метод визначення якостей плідників за властивостями нащадків. При цьому порівнюють продуктивність нащадків плідників протилежної статі (наприклад, корів – дочок одного бугая) із середніми показниками по породі. Плідників з найкращими показниками залишають для подальшої селекційної роботи. Час використання плідників обмежений тривалістю їхнього репродуктивного періоду. Тому статеві клітини плідників тривалий час зберігають за понижених температур для штучного запліднення необхідного числа особин протилежної статі.

Які основні напрями селекції мікроорганізмів?

Мікроорганізми (прокаріоти і деякі мікроскопічні еукаріоти, наприклад, дріжджі) широко використовують у харчовій, кормовій, мікробіологічній, виноробній та інших галузях, для біологічної боротьби зі шкідниками тощо. Вони мають низку особливостей, які необхідно враховувати в селекційній роботі. Насамперед, гібридизація для більшості видів мікроорганізмів неможлива через відсутність статевого процесу. Тому для збільшення різноманітності вихідного матеріалу здійснюють штучний мутагенез, а потім відбирають найпродуктивніші штами для подальшої роботи з ними; також застосовують методи генної і клітинної інженерії.

Багато прокаріотів мають гаплоїдний набір генів – єдину кільцеву молекулу ДНК, тому мутації проявляються вже в першому поколінні нащадків. Завдяки високим темпам розмноження можна швидко отримати необхідну кількість «мутантів» з певними властивостями. За допомогою вірусів-бактеріофагів, здатних переносити спадкову інформацію від однієї бактеріальної клітини до іншої, штучно об’єднують спадковий матеріал клітин із різних штамів чи видів.

Що таке біотехнологія?

Біотехнологія – сукупність промислових методів, у яких використовують живі організми або біологічні процеси.

Мал. 18.3. Широко використовують для перероблення компостів (суміш рослинних решток та посліду тварин) ейсенію пахучу (промислова назва – каліфорнійський червоний). Шляхом селекції створені високопродуктивні поліплоїдні форми цих тварин

Завдяки мікроорганізмам людина отримує різноманітні антибіотики, вітаміни, амінокислоти, гормони та ін. У харчовій промисловості та галузі виробництва кормів використовують високопродуктивні штами, які дають змогу збільшити випуск високоякісних продуктів харчування (кисломолочних, сирів, пива) і кормів для тварин (силос, кормові дріжджі) тощо.

Селекціонери створили штучні популяції грибів, здатних синтезувати кормові білки з відходів рослинництва, нафти та нафтопродуктів, та штами мікроорганізмів, які можуть вилучати сполуки рідкоземельних елементів і дорогоцінні метали з руд і промислових відходів. Мікроорганізми виробляють основну кількість харчової лимонної кислоти.

Біотехнологічні методи застосовують для очищення навколишнього середовища, зокрема стічних вод і ґрунтів, від побутового і промислового забруднення. Вони базуються на здатності гетеротрофних бактерій і грибів розкладати органічні сполуки. Штучно створені штами руйнують сполуки, стійкі до впливу природних мікроорганізмів. Для очищення стічних вод і природних водойм використовують здатність деяких видів бактерій, водоростей, одноклітинних тварин накопичувати певні сполуки в своїх клітинах.

Штами мікроорганізмів, а також штучні популяції певних видів паразитичних круглих червів, кліщів і комах застосовують у біологічному методі боротьби зі шкідниками сільського та лісового господарств, членистоногими – паразитами свійських тварин і людини та кровосисними видами.

На великих фермах і птахофабриках личинок багатьох видів мух завдяки спеціальним біотехнологіям використовують для швидкої переробки посліду. Так само для перероблення органічних решток використовують деякі види дощових червів (мал. 18.3).

Галузі господарства, де використовують біотехнологічні процеси, наведено в таблиці 18.1.

Застосування біотехнології в господарстві людини

Технологія

Галузь господарства

Охорона здоров’я

Харчова промисловість

Сільське господарство

Енергетика

Хімічна промисловість

Ферменти, вітаміни, амінокислоти, діагностичні препарати

Лимонна кислота, ферменти, біополімери, виноробство, пивоваріння

Біологічні препарати для боротьби 3 шкідливими видами

Енергетичні сполуки (етанол, біогаз тощо)

Етилен, ацетон, бутанол тощо

Продовження таблиці 18.1

Технологія

Галузь господарства

Охорона здоров’я

Харчова промисловість

Сільське господарство

Енергетика

Хімічна промисловість

Інтерферони, гормони, вакцини

Біологічні препарати для боротьби з шкідливими видами

Клітинна інженерія (культури клітин і тканин)

Інтерферони, вакцини, антитіла

Клонування свійських тварин

Які методи та досягнення генної Інженерії?

Методи перебудови геномів організмів передбачають видалення або введення в геном клітини окремих генів чи їхніх груп. Як вектори синтезованих або виділених генів використовують віруси та плазміди. З геному, який містить певний ген, виділяють молекулу іРНК, на якій синтезують комплементарну нитку ДНК. Так виникає ДНК-РНК-комплекс, з якого іРНК видаляють, а на нитці ДНК, що залишилася, за принципом комплементарності синтезують другу. Її вбудовують у молекулу ДНК плазміди, яка слугує переносником.

За іншої методики молекулу ДНК розділяють на окремі ділянки (фрагменти). Далі ці фрагменти сполучають із заздалегідь переведеною у лінійну форму молекулою векторної ДНК. У такому вигляді вони потрапляють усередину клітини, відділяються від вектора та приєднуються до ДНК хазяїна. При перенесенні із клітини в клітину еукаріотів метафазних хромосом, які звичайно розпадаються на фрагменти, одні з цих ділянок зникають, інші вбудовуються в хромосому клітини-хазяїна.

У клітини еукаріотів, наприклад рослин, молекули ДНК можна вводити і без векторів, наприклад, за допомогою скляної голки (мікроін’єкції ДНК). Молекули ДНК та цілі хромосоми також вводять за допомогою ліпосом. Це оточені подвійним ліпідним шаром порожнисті кульки діаметром близько 100 нм. Молекулу ДНК вносять всередину ліпосоми, яку потім вводять у клітину. Ліпідний шар захищає ДНК від розкладу ферментами клітини.

Об’єктами досліджень генної інженерії слугують переважно прокаріоти. Наприклад, у геном бактерій введено гени пацюка і людини, які відповідають за синтез гормону інсуліну, необхідного хворим на цукровий діабет (мал. 18.4).

Від генетично змінених бактеріальних клітин отримано білки-інтерферони (захищають організми людини і тварин від вірусних захворювань, наприклад грипу, пригнічуючи розмноження вірусів), гормон росту (дає можливість лікувати деякі форми карликовості), вакцини проти збудників дифтерії, гепатиту В та ін. Слід зазначити, що перелік медичних препаратів, отриманих за допомогою методів генної інженерії, щорічно зростає.

Мал. 18.4. Перенесення генів у бактеріальну клітину: 1 – людська клітина; 2 – молекула ДНК людської клітини; 3 – клітина бактерії; 4 – бактеріальна плазміда; 5 – ген, який кодує гормон інсулін; 6 – за допомогою ферменту бактеріальну плазміду «розшивають»; 7 – за допомогою іншого ферменту «вшивають» ген гормону інсуліну у бактеріальну плазміду, отримуючи рекомбінантну ДНК; 8 – плазміду-вектор вводять у клітину бактерії; 9 – при розмноженні бактеріальної клітини відбувається клонування гену інсуліну; 10 – молекули синтезованого інсуліну

Крім вирішення практичних питань (підвищення продуктивності штамів мікроорганізмів, внесення до прокаріотичних клітин генів, які відповідають за синтез вітамінів, гормонів, ферментів тощо), в майбутньому генна інженерія буде здатна замінювати дефектні алелі певних генів нормальними на ранніх етапах онтогенезу; поєднувати в одному геномі спадкову інформацію різних організмів тощо. Технологія перенесення від прокаріотів генів, які відповідають за фіксацію атмосферного азоту, до клітин вищих рослин, дала б змогу скоротити витрати на виробництво і внесення в ґрунт азотних добрив. Результати генної інженерії важливі для розвитку теоретичної біології. Завдяки їм були зроблені важливі відкриття про будову та функціонування генів, структуру геномів та ін. Для генної інженерії важливе створення банків генів, тобто колекцій генів і геномів різних організмів.

Унаслідок накопичення величезної маси даних у різних галузях біології, зокрема розшифрування послідовностей нуклеотидів у ДНК окремих хромосом і геномів різних видів, виникла окрема галузь знань – біоінформатика. Одним з її напрямів є застосування математичних методів і комп’ютерної техніки для збереження та аналізу цієї інформації.

Нині багато уваги приділяють генетично зміненим, або трансгенним, організмам (генетично модифіковані організми – ГМО). Наприклад, методами генної інженерії в геном рослин вводять певні гени, які забезпечують стійкість до дії пестицидів, шкідників, збудників захворювань, інших несприятливих факторів довкілля. Зокрема, до геному певних сортів картоплі вбудовано гени бактерій, що робить цю рослину неїстівною для колорадського жука. Генетично модифіковані організми часто мають підвищені показники продуктивності та плодючості, що важливо для розв’язання проблеми забезпечення людства продуктами харчування.

З 1996 р. у США, Канаді, Аргентині та інших країнах розпочали масово вирощувати генетично змінені рослини. Але до таких організмів, доки вони не пройдуть належної всебічної перевірки, слід ставитись обережно.

Мал. 18.5. Метод отримання трансгенних тварин

Є дані, що споживання генетично змінених рослин в їжу може спричиняти у людини харчові алергії та отруєння, погіршення стану здоров’я тощо. Невідомо також, впливатиме чи ні їхнє споживання на генотип людей та як генетично змінені організми впливатимуть на природні екосистеми, їхнє біологічне різноманіття. Дискусії щодо трансгенних організмів зумовили прийняття в Україні закону «Про державну систему біобезпеки 1 під час здійснення генетично-інженерної діяльності». Він передбачає обов’язкову наукову оцінку ризику застосування генетично змінених організмів.

Процес створення трансгенних тварин складніший, ніж рослин. Після народження нащадків сурогатною матір’ю їх перевіряють на наявність введених генів. Для цього ймовірних трансгенних істот схрещують зі звичайними. У разі підтвердження наявності введених генів у нащадків їх схрещують між собою для отримання чистих трансгенних ліній.

Штучне втручання в геноми, крім технічних труднощів, пов’язане також із проблемами етичного плану. Зміни генотипів організмів, особливо людини, може призвести до непередбачених наслідків незалежно від намірів експериментаторів.

Що собою становить клітинна (тканинна) інженерія?

Клітинна (тканинна) інженерія – галузь біотехнології, в якій використовують методи виділення клітин з організму, трансформування їх і вирощування на поживних середовищах. Такі культури дають змогу отримати важливі сполуки: вітаміни, гормони, фітогормони, цілющі препарати (наприклад, женьшеню) в потрібних кількостях, що значно знижує їх собівартість. Вони слугують для різноманітних експериментів, наприклад, вивчення дії лікарських препаратів та інших речовин тощо. Культури клітин застосовують і для культивування вірусів, які згодом можуть бути використані як вектори у генній інженерії, для діагностики вірусних захворювань чи отримання вакцин.

Методами клітинної інженерії здійснюють віддалену гібридизацію соматичних клітин організмів, яку неможливо здійснити іншим способом (людини і миші, людини і моркви, курки і дріжджів тощо). Це дає змогу створювати препарати, які підвищують стійкість проти різних захворювань тощо. Так, культури гібридів нормальних клітин з раковими на штучних поживних середовищах виробляють антитіла, що знищують клітини злоякісних пухлин, не діючи на здорові.

1 Біологічна безпека (біобезпека) – збереження живими організмами своєї біологічної сутності, біологічних якостей та запобігання масштабних втрат біологічної цілісності унаслідок впливу генної або клітинної інженерії на органи, тканини та організми; проникнення в екосистеми невластивих для них видів; забруднення природних ресурсів (ґрунту, води, харчових ресурсів) тощо.

Мал. 18.6. Клонування рослин: 1 – отримання клітинного матеріалу від рослини-донора; 2 – культивування клітин на штучному поживному середовищі; 3 – отримання культури недиференційованих клітин; 4 – завдяки диференціації клітин з’являються тканини та органи клонованої рослини; 5 – клоновану рослину висаджують у ґрунт

Одним з напрямів клітинної інженерії є використання стовбурових клітин для відновлення ушкоджених тканин та органів. У лабораторних умовах можливі розмноження та подальша спеціалізація стовбурових клітин. Це відкриває перспективи штучного вирощування тканин та деяких органів людини і тварин з метою їхнього подальшого введення в організми.

Ще одним напрямом клітинної інженерії є клонування організмів. Клон (від грец. клон – гілка, нащадок) – це сукупність клітин або особин, отриманих від спільного предка нестатевим шляхом; клон складається з генетично однорідних клітин або організмів. У рослин природне клонування поширене завдяки нестатевому, зокрема, вегетативному, розмноженню. Вчені також отримують штучні клони рослин (мал. 18.6).

При клонуванні тварин ядро незаплідненої яйцеклітини замінюють ядром нестатевої клітини іншої особини. Таку штучну зиготу пересаджують у матку самки, де зародок і розвивається. Така методика дає змогу отримувати від цінних за своїми властивостями плідників значну кількість нащадків – їхніх точних генетичних копій. Експериментально вчені клонували різні види тварин (наприклад, відому вівцю Доллі).

Окремо слід згадати про створення химерних організмів. Химерні організми – штучно створені істоти, які мають клітини, що належать різним біологічним видам.

Учені, які створюють химерні організми, стверджують, що це допоможе розробляти нові способи лікування раку або цукрового діабету. Але такі досліди небезпідставно викликають негативне ставлення не тільки з боку простих людей, але й багатьох учених.

Нові терміни та поняття. Біотехнологія, трансгенні та химерні організми, генна та клітинна інженерія, клонування організмів.

Запитання для повторення: 1. Які методи застосовують у селекції рослин? Які їхні особливості? 2. Для чого здійснюють щеплення культурних рослин? 3. Як можна підвищити різноманітність вихідного матеріалу в селекції рослин? 4. Які особливості селекції тварин порівняно з селекцією рослин? Що таке оцінка плідників за якостями нащадків? 5. Для чого здійснюють селекцію мікроорганізмів та які її особливості? 6. Які завдання біотехнології? 7. Які завдання генної інженерії? Які методики генна інженерія використовує в своїх дослідженнях? 8. Які завдання клітинної (тканинної) інженерії?

Проблемне завдання. Поміркуйте, яка роль генної і клітинної інженерії у розвитку теоретичної біології. Чому поліплоїдні сорти продуктивніші за диплоїдні?

ТЕМАТИЧНА ПЕРЕВІРКА ЗНАНЬ

І. Із запропонованих відповідей виберіть одну правильну:

1. Зазначте, яке угруповання організмів у природі відповідає породі тварин чи сорту рослин: а) вид; б) зграя; в) родина; г) популяція.

2. Вкажіть, чим супроводжується споріднене схрещування організмів: а) підвищенням гомозиготності нащадків; б) підвищенням гетерозиготності нащадків; в) гетерозисом; г) не впливає на генотип нащадків.

3. Зазначте покоління гібридів, у якому найповніше проявляється гетерозис: а) перше; б) друге; в) третє; г) восьме.

4. Вкажіть організми, при селекції яких часто отримують поліплоїдні форми: а) тварини; б) рослини; в) прокаріоти; г) віруси.

5. Визначте, як називають нащадків однієї клітини: а) породою; б) сортом; в) штамом; г) генофондом.

6. Вкажіть форму штучного добору, яку найчастіше застосовують у селекції тварин: а) масовий; б) розриваючий; в) стабілізуючий; г) індивідуальний.

II. Завдання на встановлення відповідності:

1. Встановіть відповідність між різними типами схрещування та їхніми генетичними та біологічними наслідками:

Тип схрещування

Ознаки, генетичні та біологічні наслідки

B. Віддалена гібридизація

1. Зростає рівень гетерозиготності, гетерозис; можливі зміни каріотипу та стерильність нащадків

2. Зростає рівень гетерозиготності; каріотип не змінюється; можливий гетерозис

3. Можливі зміни каріотипу, зростає рівень гомозиготності, можлива стерильність нащадків

4. Зростає рівень гомозиготності; розвивається біологічна депресія (виродження нащадків)

2. Встановіть відповідність між формами штучного добору та притаманними їм ознаками:

Форма штучного добору

Ознаки

1. Обирають окремих особин за наслідками вивчення фенотипу та генотипу; застосовують у селекції рослин та тварин

2. Обирають групу особин за наслідками вивчення фенотипу; зазвичай не застосовують у селекції тварин

3. Встановіть відповідність між різними галузями та методами біології:

Галузі біології

Методи

Б. Генна інженерія

B. Клітинна інженерія

2. Штучний добір

3. Стабілізуючий добір

4. Генна терапія

III. Відкриті запитання:

1. Чому центри стародавнього землеробства і походження культурних рослин зазвичай знаходяться в гірській місцевості?

2. Чим можна пояснити, що райони одомашнювання тварин часто збігаються із центрами походження культурних рослин?

3. У чому полягає складність перенесення генів еукаріотів у прокаріотичну клітину?

4. Чи варто відмовитись від подальших досліджень у галузі створення трансгенних організмів?

5. Яке значення для подальшого розвитку генетики, селекції та біотехнології має створення банків генів?

6. З якою метою у селекції організмів можуть застосовувати мутації, які супроводжуються кратним зменшенням кількості наборів хромосом?

7. Якими шляхами модифіковану молекулу ДНК можна ввести у клітину?

8. Які можливі напрями застосування генетично модифікованих рослин та тварин?