Генетика з основами селекції - М.П.Мигун - 2008

Розділ VIII. Генетичні основи селекції

8.6. Нетрадиційні методи селекції

У 70-х роках XX століття з’явився термін "біотехнологія". Так почали називати методи, які використовуються в мікробіологічній промисловості. Зрозуміло, що біотехнологія, як сукупність промислових методів, які використовують живі культури та біологічні процеси, існувала давно (хлібопекарська, пивоварена промисловість, виготовлення молочнокислих продуктів). Протягом останніх п’ятдесяти років набув розвитку мікробіологічний синтез антибіотиків, вітамінів, ферментів тощо. Нині методи біотехнології поповнилися методами генної та генетичної інженерії, які дозволяють штучно створювати комбінації генного матеріалу і формувати функціонально активні форми організмів.

Поняття "генетична" та "генна" інженерія часто вживають як і синоніми, хоч перше з них є більш широким і передбачає способи маніпуляції не тільки з окремими генами, але й більш значними фрагментами геному, включаючи цілі хромосоми.

Традиційні методи створення селекційного вихідного матеріалу (гібридизація, хімічний і радіаційний мутагенез...) обмежені рамками

певного виду або близьких у видовому відношенні форм. Генетична інженерія дає можливості синтезу організмів із новими, часто відсутніми в природі, комбінаціями спадкових властивостей шляхом поєднання в одному геномі генетичних детермінантів різних джерел, включаючи представників дуже віддалених видів. Генно-інженерні методи дозволяють отримувати рекомбінантні ДНК із фрагментів геномів різних організмів, клонувати такі штучно створені молекули, вводити їх у клітину з допомогою векторів (плазмід або вірусних ДНК) і створювати умови для експресії в клітині цих введених ззовні, часто зовсім чужорідних генів. Перенос генів із клітини в клітину на рівні ДНК та створення трансгенних організмів може не залежати від таксономічної спорідненості організмів. У цьому полягає основна відмінність генної інженерії від традиційних підходів до перебудови генотипів.

Перевага генетичної інженерії в цьому відношенні, зовсім не означає, що її можливості безмежні і що штучне введення чужого гена в геном можна зразу отримати новий сорт або породу. Штучне втручання в склад генетичного апарату різко змінює загальний генний баланс, що в більшості випадків зменшує життєздатність і продуктивність клітин та організмів, або пересаджений ген в іншому генотипі може не функціонувати.

Виконання будь-якої генно-інженерної програми передбачає необхідність виділення фрагментів ДНК, які несуть необхідний ген; поєднання їх in vitro з векторними молекулами, здатними переносити ген у реципієнтні клітини; створення умов для стабільного функціонування та успадкування перенесеного гена в чужому генотиповому середовищі. Успішне вирішення цих проблем стало можливим завдяки низці наукових розробок у молекулярній генетиці. Генно-інженерні маніпуляції зі спадковим матеріалом дозволяють створити принципово новий вихідний матеріал, який потребує подальшого вдосконалення шляхом селекції.

Можливості генної інженерії рослин дуже великі, тому вчені сьогодні беруться за такі селекційні проекти, які ще нещодавно здавалися фантастикою. Одним із реальних успіхів генної інженерії є отримання трансгенних рослин із зміненими властивостями та стійких до шкідливих комах (рослини петунії, тютюну, кукурудзи, сої, картоплі, томатів, огірків...) з введенням в їх геном навіть генів тваринного походження. Інший реальний успіх - створення генотипів стійких до дії гербіцидів. Проводяться успішні експерименти по конструюванню та отриманню трансгенних рослин із прогнозованими властивостями. Направлені зміни якості амінокислотного складу білків, скоростиглості, врожайності, створення генотипів рослин, здатних застосовувати азот атмосфери, рости на засолених грунтах, стійких до ураження інфекційними агентами та інше.

Значно скромніші, на цей час, успіхи генно-інженерних досліджень на тваринних об’єктах. В основному це досліди по трансформації клітин.

Разом з тим треба зазначити, що практичне використання трансгенних рослин викликає серйозне занепокоєння з боку багатьох учених-

генетиків та екологів. Є побоювання, що вживання в їжу генетично трансформованих рослин та виготовлення з них продуктів може виявитися шкідливим для тварин і людей у найближчому чи віддаленому майбутньому або зміни екологічної ситуації у природі та ускладнити сільськогосподарське виробництво. Незважаючи на унікальні можливості методів генної інженерії, до їх практичного застосування слід підходити дуже виважено і обережно.

Значним вкладом у створення вихідного матеріалу для селекції є сучасні клітинні технології, що ґрунтуються на методах культивування соматичних клітин in vitro. Використання таких технологій дозволяє вирішувати цілий ряд важливих проблем у селекції, а саме:

1. Клонування - швидко розмножувати цінні генотипи, обминаючи процес запліднення. Базується на тотипотентності ядер соматичних клітин. Вперше здійснене в Англії у 1979 році. На сьогодні використовується в зооветеринарній практиці. Розмноження рослин через культуру тканин І клітин називається мікроклональним розмноженням. Сьогодні цей метод розмноження застосовується для більш ніж 450 видів рослин. Розроблено методи оптимізації умов для всіх етапів такого розмноження: ізоляції шматочка тканини (експланта) рослини, отримання калусу та пагонів із нього, укорінення рослин-регенерантів в умовах in vitro та висадки рослин- регенерантів у грунт.

2. Отримання безвірусного посадкового матеріалу. Базується на використанні апікальної меристеми, яка не інфікована із-за швидкого поділу клітин у точці росту п агона. Такі рослини значно збільшують продуктивність і якість продукції.

3. Розповсюджуються способи розмноження клітинних мас вищих рослин із метою отримання цінних речовин, наприклад, алкалоїдів женьшеню, або вторинних метаболітів. У зв’язку з цим великого значення набуває селекція на клітинному рівні з метою отримання найбільш продуктивних клонів клітин.

4. Здійснювати селекцію на клітинному рівні, використовуючи явище сомаклональної мінливості та штучного мутагенезу. Клітинам рослин в умовах in vitro притаманна висока генотипова мінливість, яку називають сомаклональною, вона веде до появи клонів клітин із відмінними цитогенетичними параметрами і до спонтанного домінування окремих сомаклонів над іншими (автоселекція). Також на клітинному рівні застосовують штучний мутагенез, що прискорює процес створення модифікованих генотипів.

5. Отримувати модельні об’єкти для з’ясування теоретичних проблем генетики та селекції (механізмів взаємодії генів тощо).

6. Створювати нові генотипи шляхом соматичної (парасексуальноі) гібридизації клітин та протопластів. Парасексуальна гібридизація базується на злитті окремих соматичних клітин або їх протопластів. Зливаючи клітини та протопласти різного походження, можна отримати: гібридні клітини з об’єднаними генотипами вихідних клітин; асиметричні гібриди з нерівнозначним вмістом генетичної інформації попередників; цибриди гібриди клітин, що містять ядро однієї батьківської клітини, а цитоплазму іншої. Із таких гібридних клітин уже вдається отримати вегетативні форми рослин.

Створюються селективні середовища для добору мутантів і парасексуальних гібридів, які використовують у дослідженнях із клітинами не тільки рослин, але й тварин.

Метод парасексуальної гібридизації дає можливість об’єднувати генотипи філогенетично віддалених видів, які у природі не схрещуються. Саме тому ця клітинна технологія у поєднанні з методами генної інженерії відкриває нові перспективи у розвитку генетики і селекції.