Синтез и ресинтез видов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

КАЗАНСКИЙ (ПРИВОЛЖСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ МЕДИЦИНЫ И БИОЛОГИИ

КАФЕДРА ГЕНЕТИКИ

РЕФЕРАТ

СИНТЕЗ И РЕСИНТЕЗ ВИДОВ

Казань

2015

Содержание

Введение

1. Историческая справка

1.1 Эпоха первых открытий

1.2 Труды И.В. Мичурина

1.3 Работа Н.И. Вавилова

2. Синтез и ресинтез видов

2.1 Синтез новых видов растений

2.2 Ресинтез видов

Заключение

Список использованных источников

Введение

Люди издавна занимались селекцией, сами об этом и не подозревая. Природа также вела естественный отбор наиболее приспособленных особей. Результатом совместного действия людей и природы служат ныне существующие виды растений и животных. Из-за халатного отношения к природе многие виды растений и даже животных были истреблены.

Получение новых видов путем скрещивания уже существующих называется синтезом, благодаря синтезу появились многие виды и сорта плодово-ягодных культур, дающие высокий урожай, а также выведены породы животных, обладающих нужными для человека качествами (мясо с высоким содержанием белков, жирное молоко и т.д.).

Современные селекционеры интересуются не только получением новых видов, им интересно еще и то, как появились ныне существующие. Выяснить это позволяет метод ресинтеза. Ресинтезом видов называется искусственное восстановление уже существующих видов на основе комбинаций геномов при отдаленной гибридизации.

1. Историческая справка

1.1 Эпоха первых открытий

Вплоть до начала XVII века растения считались низшими существами без разделения полов, но Рудольф Якоб Камерариус сделал важнейшее открытие, без которого не возможны были никакие достижения селекции. В 1694 этот немецкий ботаник впервые высказал мысль о том, что возможно искусственное скрещивание различных видов растений. Однако на практике эти данные ничем не были подкреплены, лишь в начале XVIII века это было доказано британским садоводом Томасом Фэйрчалдом. Томас Фэйрчайлд в своём питомнике экспериментировал с опылением растений. Неизвестно, целенаправленно или по ошибке он опылил цветки гвоздики турецкой пыльцой гвоздики садовой, однако в 1717 году у него в саду впервые появились растения с промежуточными для этих видов признаками. Впоследствии Фэйрчайлд продолжил разведение таких гибридов, получивших название «мулов Фэйрчайлда» В 1720 году друг Фэйрчайлда Патрик Блэр, врач и ботаник-любитель, зачитал на собрании Лондонского королевского общества доклад, в котором показал наличие полов у цветковых растений и обосновал, отчасти ссылаясь на гибрид Фэйрчайлда, возможность принудительного размножения растений.

1.2 Труды И.В. Мичурина

Среди российских ученых всем известно имя знаменитого селекционера И. В. Мичурина, благодаря его деятельности было получено множество сортов плодово-ягодных культур и преодолен барьер нескрещиваемости видов. Иван Владимирович знаменит своей фразой о том, что «Мы не можем ждать милостей от природы; взять их у нее -- наша задача». Он скрещивал растения, приспособленные к местному климату, с южными видами, которые отличались вкусом плодов и получал новые сорта, устойчивые к холодным температурам и плюс к этому давали хороший урожай. синтез растение гибридизация аллополиплоидия

Убедившись в бесплодности попыток простой акклиматизации, И. В. Мичурин приступил к разработке новых методов селекции, основанных на гибридизации, отборе и воспитании (воздействие условиями среды на развивающиеся гибриды). При их реализации он использовал разнообразные подходы (многие - впервые в мировой селекционной практике), важнейшие из которых следующие.

Биологически отдаленная гибридизация - скрещивание представителей разных видов для получения сортов с нужными свойствами или скрещивание представителей разных родов. Так, например, Мичурин скрестил вишню Владимирскую с черешней Винклера белой. При дальнейшей работе с гибридами им был выведен сорт вишни Краса севера, обладавший хорошими вкусовыми качествами и зимостойкостью. При скрещивании вишни с черемухой Мичурин получил гибрид, названный церападусом. Им были также получены гибриды ежевики и малины, сливы и терна, рябины и сибирского боярышника и др.

Географически отдаленная гибридизация - скрещивание представителей контрастных природных зон и географически отдаленных регионов с целью привить гибриду нужные качества. Например, известный сорт груши Бере зимняя Мичурина был получен в результате гибридизации дикой уссурийской груши и южного французского сорта Бере-рояль.
Метод ментора - один из методов «воспитания» гибридов, разработанных И. В. Мичуриным. Он основан на том, что признаки развивающегося гибрида изменяются под влиянием привоя или подвоя. Мичурин применял этот метод в двух вариантах. В первом случае гибридный сеянец служил привоем, и его прививали на взрослое плодоносящее растение (подвой), свойства которого желательно было получить у гибрида. Во втором случае в крону молодого гибридного сеянца (подвоя) прививали черенок сорта, признаки которого хотели бы получить у гибрида.

Этот метод был применен Мичуриным, например, при создании сорта яблони Бельфлёр-китайка. В первый год плодоношения гибридов оказалось, что плоды у них мелкие и кислые. Чтобы направить дальнейшее развитие гибрида в нужную сторону, в крону молодых деревьев были привиты черенки Бельфлёра. Под влиянием черенков плоды гибрида стали приобретать вкусовые качества Бельфлёра.

Влияние ментора следует рассматривать как изменение доминирования в процессе развития гибрида. В данном случае ментор способствовал фенотипическому проявлению (доминированию) генов, полученных от сорта Бельфлёр, не меняя при этом генотипа гибрида.

Метод посредника был применен Мичуриным при отдаленной гибридизации. Он состоит в использовании дикого вида в качестве посредника для преодоления нескрещиваемости. Скрещивая дикий Монгольский миндаль с диким персиком Давида, Мичурин получил миндаль Посредник, который он в дальнейшем использовал для скрещивания с культурным персиком. Полученный им гибридный персик приобрел зимостойкость, благодаря чему был продвинут на север.

Смешение пыльцы применялось Мичуриным для преодоления межвидовой нескрещиваемости (несовместимости). Суть метода заключалась в том, что при опылении смесью собственной пыльцы и пыльцы другого вида собственная пыльца раздражала рыльце пестика, и оно воспринимало чужую пыльцу.

Воздействие условиями среды. При «воспитании» молодых гибридов Мичурин использовал изменения способов хранения семян, характера питания и свойств почвы, воздействие низкими температурами, применял частые пересадки.

К 1920 году Мичуриным было создано свыше 150 новых гибридов, среди которых были: яблонь -- 45 сортов, груш -- 20, вишен -- 13, слив (среди них три сорта ренклодов) -- 15, черешен -- 6, крыжовника -- 1, земляники -- 1, актинидии -- 5, рябины -- 3, грецкого ореха -- 3, абрикосов -- 9, миндаля -- 2, айвы -- 2, винограда -- 8, смородины -- 6, малины -- 4, ежевики -- 4, шелковицы (тутовое дерево) -- 2, ореха (фундук) -- 1, томатов -- 1, лилии -- 1, белой акации -- 1. Кроме нового гибридного ассортимента в питомнике Ивана Владимировича имелось свыше 800 видов исходных растительных форм, собранных им с самых различных точек земного шара. Весь этот многолетний труд требовал огромных денежных вложений и усердия и именно благодаря этому труду мы сейчас можем выращивать морозоустойчивые и вкусные сорта плодово-ягодных культур, а в дань памяти о великом учёном в 1934 на базе питомника Мичурина создали генетическую лабораторию, в настоящее время -- Всероссийский НИИ генетики и селекции плодовых растений им. И. В. Мичурина (ВНИИГ И СПР РАСХН), который занимается разработкой методов выведения новых сортов плодовых культур, селекционной работой. В результате плодотворной деятельности учёного г. Мичуринск превратился в общероссийский центр садоводства, впоследствии здесь также появился НИИ плодоводства им. Мичурина, Мичуринский государственный аграрный университет.

1.3 Работа Н.И. Вавилова

Важным этапом в развитии селекции также послужили работы известного во всем мире советского ученого-генетика, академика АН СССР Николая Ивановича Вавилова.

Долгие годы и века считалось, что ботаника занимается каталогизацией растений. Были открыты и описаны многие тысячи видов растений и сортов одного и того же вида. Но все это было просто огромным справочником, в котором уже трудно было разобраться. Нужен был поистине уникальный ум, чтобы найти в отдельных видах и родах сравнительные сходства и несходства, структурировать этот хаос. И это сделал Вавилов Николай Иванович - создатель современных научных основ селекции, учения о мировых центрах происхождения культурных растений, их географическом распространении. Николай Вавилов открыл такой же фундаментальный закон биологии, коей является теорема Пифагора в математике. Выведенный Вавиловым закон гомологических рядов впервые установил закономерность растительного мира, позволив предсказывать появление новых видов.

Другое величайшее открытие Николая Вавилова - теория иммунитета растений, без которой сегодня не обходится ни один селекционер в мире. Вавилов объездил полмира в поисках мест происхождения культурных растений, собрав в итоге уникальную коллекцию семян и клубней.

Теория центров происхождения культурных растений помогла Николаю Вавилову и его сотрудникам собрать крупнейшую в мире мировую коллекцию семян культурных растений, насчитывающую к 1940 250 тысяч образцов (36 тысяч образцов пшеницы, 10022 -- кукурузы, 23636 -- зернобобовых и т. д.). С использованием коллекции селекционерами было выведено свыше 450 сортов сельскохозяйственных растений. Существует даже мнение, что если бы исчезли все пищевые растения в мире - растениеводство можно было бы восстановить по этой коллекции.

В начале тридцатых годов Николай Вавилов горячо поддержал работу молодого агронома Трофима Денисовича Лысенко по яровизации: превращению озимых культур в яровые путем предпосевного воздействия низких положительных температур на семена. Вавилов надеялся, что метод можно будет эффективно применить в селекции, что позволит полнее использовать мировую коллекцию полезных растений ВИРа для выведения путем гибридизации высокопродуктивных, устойчивых к заболеваниям, засухе и холоду культурных растений. Но к сожалению выбор, павший на Лысенко оказался для Николая Ивановича роковым и из-за доносов Лысенко Сталину он был репрессирован в 1939 году, скончался в тюрьме 26 января 1943 года, похоронен в общей могиле саратовского кладбища.

2. Синтез и ресинтез видов

2.1 Синтез новых видов растений

Аллополиплоидия -- это обычный способ видообразования у покрытосеменных, папоротников и некоторых других групп растений. Согласно недавним оценкам, 47% видов покрытосеменных и 95% видов папоротникообразных (папоротники и близкие к ним группы) -- полиплоиды. Большую часть полиплоидов составляют аллаполиплоиды.

Среди широко распространенных культурных растений известно несколько аллополиплоидов. Примерами служат американские сорта хлопка (Gossypium hirsutum и G. barbadense), пшеница (Triticum aestivum) и табак (Nicotiana tabacum). Nicotiana tabacum (2n = 48) с геномом SSTT -- аллотетраплоид, происходящий от двух южноамериканских диплоидов (2n=24), близкий к ныне существующим видам N. silvestris (SS) и N. tomentosiformis (TT).

Образование новых видов в результате возникновения аллополиплоидии давно известно у покрытосеменных и других наземных растений. Это в сущности тот способ видообразования, по которому имеются наилучшие экспериментальные данные для любой из крупных групп организмов. Полиплоидными называют клетки, особи или популяции, содержащие три или более набора хромосом (или геномов). Аллополиплоиды (или амфиплоиды) -- это полиплоиды, возникшие в результате межвидовых скрещиваний.

Например, если хромосомные наборы или геномы двух диплоидных видов различаются по нескольким или по многим хромосомным перестройкам: транслокациям или инверсиям. Геномы таких видов можно обозначить АА и ВВ соответственно, где А и В -- структурно дифференцированные гаплоидные наборы. У межвидовых гибридов АВ в первом поколении наблюдается хромосомная стерильность, вызванная нарушениями мейоза.

Далее, у стерильного гибрида АВ происходит удвоение числа хромосом. У растений это происходит спонтанно. Удвоение может возникнуть в соматических клетках, в результате чего развивается тетраплоидный побег, а в конечном счете -- тетраплоидные цветки с геномом ААВВ. Или же диплоидный гибрид АВ производит нередуцированные гаметы (АВ) в качестве конечного результата аберрантного мейоза, а объединение двух таких нередуцированных диплоидных гамет даёт в F₂ тетраплоидные зиготы с конституцией ААВВ.

У тетраплоидного растения (ААВВ), имеющего два набора хромосом А и два набора хромосом В, в мейозе происходит нормальная конъюгация хромосом с образованием бивалентов А/А и В/В, после чего хромосомы нормально расходятся к полюсам, так что получаются гаметы (АВ), сбалансированные как по хромосомам, так и по генам. Такой аллотетраплоид плодовит. Для него характерно собственное гибридное сочетание морфологических, физиологических и экологических признаков, отличное от тех сочетаний, которыми обладали и тот, и другой диплоидные родительские виды. И он размножается в чистоте, сохраняя свою промежуточную гибридную конституцию, благодаря внутригеномной конъюгации и расхождению хромосом (А/А и В/В) в мейозе.

Между этим аллотетраплоидом и его диплоидными родительскими видами существует преграда, создаваемая хромосомной стерильностью. Гибриды между ними, если бы они вообще образовывались, в F₁ были бы триплоидны, а триплоиды у растений стерильны вследствие нарушений, возникающих в мейозе. Таким образом, новый аллотетраплоид ААВВ плодовит, обладает своим особым сочетанием признаков, по которому он размножается в чистоте, и стерилен при скрещивании с наиболее близкими к нему диплоидными видами. Следовательно, этот аллотетраплоид представляет собой новый биологический вид гибридного происхождения.

Общеизвестны классические опыты Георгия Дмитриевича Карпеченко по синтезу межродового гибрида между редькой (Raphanus sativus) и капустой (Brassica oleracea). При гибридизации (рис.1) геномы редьки RR и капусты ВВ, имеющие сходное число хромосом (2n=18), дают гаплоидные гаметы с 9 хромосомами типа R и В; их слияние дает стерильный гибрид с геномом RB. Стерильность вызвана нарушением конъюгации хромосом в мейозе, поскольку хромосомы группы R не имеют гомологов в группе В. В результате нарушений мейоза образовывались единичные гаметы с нередуцированным числом хромосом с геномом RB. Слияние двух таких гамет ведет к возникновению аллополиплоида с геномом RRBB.

Рис.1 Схема экспериментов Г. Д. Карпеченко по синтезу рафанобрассики - межродового гибрида с неограниченной плодовитостью, репродуктивно изолированного от предковых родов - редьки (Raphanus) и редьки (Brassica). Из: Н.Н. Воронцов (1980).

На примере создания аллополиплоидов можно увидеть, что путем сочетания разных геномов можно синтезировать новые формы типа рафанобрассики, тритикале и других, которые не существуют в природе.

Создание генетическим путем новых форм, не существующих в природе, называют синтезом видов. От обычных естественных видов они отличаются тем, что не прошли через естественный отбор и не заняли определенного ареала. Но в процессе длительного, естественного и искусственного отбора и гибридизации они могут дать начало новым видам.

2.2 Ресинтез видов

Используя отдаленную гибридизацию в сочетании с полиплоидией, можно не только синтезировать новые, но и искусственно воссоздавать уже существующие виды растений. Экспериментальное восстановление существующих видов на основе рекомбинации геномов известных форм получило название ресинтеза видов. В процессе работы по ресинтезу видов восстанавливаются вероятные пути, которыми шла эволюция видовых систем, и выясняется значение в ней отдаленной гибридизации.

Возможность ресинтеза видов впервые в начале 30-х годов была доказана шведским генетиком А. Мюнтцингом. Ему удалось воссоздать в эксперименте процесс образования одного из видов пикульника. Известно несколько видов этого рода, и среди них Galеopsis tetrahit (2п = 32), G. spesiosа (2п=16), G. рubеsсеns (2п= 16). Мюнтцинг скрестил G. spesiosа с G. рubеsсеns, но гибриды F₁ между ними оказались почти бесплодными. В F₂ было лишь одно растение, которое оказалось триплоидом (2п = 24). Это растение повторно опылили пыльцой G.рubеsсеns. Полученные семена дали нормально плодовитые растения, очень похожие на G. tetrahit и имеющие одинаковое с ним число хромосом. Этот искусственный аллополиплоид, легко скрещивающийся с естественным G. tetrahit, был назван G. рseudotetrahit.

В 1928 г. Д. Клаусен высказал предположение о происхождении табака Nicotiana tabacum (2n=48) от скрещивания двух видов N. silvestris (2n = 24) и N. tomentosa (2n = 24) с последующим удвоением хромосом. В начало 30-х годов Д. Костов реализовал эту гипотезу, ресинтезировав N. tabacum.

Происхождение культурной сливы Ргunus domestiса долгое время оставалось для плодоводов загадкой. Многолетние поиски дикого предка этого вида оказались безрезультатными. В. А. Рыбин, а также М. Крен и У. Лоуренс показали, что культурная слива произошла от скрещивания терна и алычи с последующим удвоением числа хромосом, и дикого предка у нее, таким образом, не существовало. При скрещивании терна Р. spinosа (2п = 32) с алычой Р.divaricatа (2n=16) В. А. Рыбин получил одно константное нормально плодовитое растение, ничем по фенотипу не отличающееся от культурной сливы. Цитологический анализ показал, что этот гибрид имел такое же, как и у сливы, число хромосом (2n = 48). Следовательно, культурная слива -- естественный аллополиплоид, происшедший от скрещивания терна и алычи с последующим удвоением числа хромосом.

Перечень подобных примеров ресинтеза видов на основе объединения геномов путем аллополиплоидии можно было бы расширить, конечно, но ресинтезированные виды не будут копией естественных предков, так как они не прошли длительный отбор в течение нескольких десятков, а может быть, и сотен тысяч поколений.

В последние годы было расшифровано происхождение основной зерновой культуры мира -- пшеницы мягкой Тгiticum аеstivum. Так как ни в центрах происхождения, ни при археологических раскопках дикий предок этого вида обнаружен не был, утвердилось представление о гибридном происхождении пшеницы мягкой. Эта пшеница--гексаплоид (2п =42), геномный состав которого принято обозначать формулой ААВВDD.

Заключение

За всеми открытиями, которыми мы сейчас пользуемся стоит огромный вклад людей-ученых незабвенно любивших свое дело. Лишь благодаря тому, что они в свое время не доспали, старались все успеть, некоторые жили впроголодь, тратили на это огромные денежные средства и вложили в труды свою душу, мы - обычные люди, сейчас живем сытно. Мы можем выращивать в своих достаточно суровых условиях вкусные и морозостойкие сорта, а селекционерам открыты пути создания новых видов (которые были предсказаны Вавиловым, а барьеры нескрещиваемости преодолены Мичуриным), и даже ресинтеза уже существующих такие как в опыах Мюнтцинга, Рыбина и др.

Генетикам открылась возможность овладения синтезом новых видов, полезных человеку. И на этом пути мы действительно можем выполнить завет И. В. Мичурина не ждать милости у природы, а реконструировать ее по своему усмотрению. Возможно, уже родился «новый Вавилов» и в скором будущем он, став настоящим селекционером, разрешит самую важную и еще не решенную проблему голода человечества.

Список использованных источников

1. Выдающиеся советские генетики. Николай Иванович Вавилов -- Москва: 1980. -- с. 8--23.

2. Гуляев, Г.В. Генетика. - 3-е изд., перераб. и доп. - Москва: «Колос», 1984.-351с.

3. Дубинин, Н. П. Генетика -- страницы истории. -- Кишинев: «Штиинца», 1990.- 400 с.

4. Надеждин, Н. А. Николай Вавилов: «Убить гения»: биографические рассказы. -- Москва: «Майор», 2011. -- 186 с.

5. Назаров, В.И. Смена эволюционной модели - Москва,: «КомКнига», 2005. -519с.

6. Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.) / Камерариус, Рудольф-Иаков -- Санкт-Петербург: 1890--1907

7. Wikimedia Foundation, Inc. Фэйрчайлд, Томас [Электронный ресурс]: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D1%8D%D0%B9%D1%80%D1%87%D0%B0%D0%B9%D0%BB%D0%B4,_%D0%A2%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D1%81

8. Виноградарство и виноделие. РЕСИНТЕЗ. [Электронный ресурс]: http://sortov.net/info/resintez.html

9. Зооинженерный факультет МСХА. Синтез и ресинтез видов и селекция. [Электронный ресурс]: http://www.activestudy.info/sintez-i-resintez-vidov-i-selekciya/

10. ПРОЕКТ ЭВОЛЮЦИЯ. Гибридное видообразование [Электронный ресурс]: http://www.avifarm.ru/page.php?al=allopoliploid 2008-2014

Размещено на Allbest.ru