По порядку расскажу о методах и способах, которые вошли в культуру сельского хозяйства и сохранились в ней от Каменного века и до наших дней.
Сначала – к доисторическому селекционеру. Какой метод он использовал? Правильно…
искусственный отбор
Выбрать самый-самый крупный плод на дикой яблоне и именно его семена посадить в землю. На выросшей яблоне-дочке также найти самый крупный плод и с ним проделать то же самое. Потом повторить на внучке. Потом на правнучке. Потом… В общем, вы поняли, какой главный недостаток в искусственном отборе? Это ну о-о-очень долго.
Есть и ещё одна проблема: выбрать-то особо и не из чего. Дикие виды растений не особенно радуют разнообразием качеств, которые могут заинтересовать доисторического потребителя.
Несмотря на недостатки этот метод вовсе не на свалке истории селекции. Когда и для чего он используется – об этом ниже, как и о сегодняшнем решении проблемы скудного ассортимента растительных признаков, достойных отбора.
Цель метода:
👍 отбор особей с нужными качествами и использование их для размножения, чтобы в следующих поколениях закрепить эти признаки.
Недостатки метода:
👎 очень низкая скорость;
👎 недостаточное количество признаков и свойств диких растений, подходящих для отбора.
Гибридизация = скрещивание
«Хочу яблоки не просто крупные, как на моей яблоне, но и сладкие, как на том самом дереве, что я нашел в лесу на другом берегу реки,» - аппетит к селекционной работе у нашего героя приходит буквально во время еды. И придумал, как получить желаемое: пыльцу с тычинок сладкоплодного дичка перенёс на рыльца пестиков своей крупноплодной яблони. Скрестил. Ждёт результата.
А результат ведь может быть, и в этом главный недостаток гибридизации, такой же, какой вышел при получении капустно-редечного гибрида учёным Георгием Карпеченко, спустя несколько десятков тысячелетий:
Плоды могут оказаться «крупными», как у дичка, и «сладкими», как у культурной яблони. Комбинативная изменчивость – она такая. Результат гибридизации никогда не гарантирован!
Но хотя бы пара-тройка удачных гибридов могли ведь вырасти? Для того, чтобы их найти и сохранить, требовался искусственный отбор, о котором мы уже вспоминали.
Ещё один минус гибридизации – последующее расщепление признаков у потомков гибридов (II закон Грегора Менделя), потому у следующего поколения можно уже не обнаружить желаемых качеств. Огородники-любители точно знают: нет смысла собирать семена с того, что родом из магазинных пакетиков с буквой «F» (гибриды) на этикетке.
Цель метода:
👍 получение организмов, сочетающих признаки двух родительских форм.
Недостатки метода:
👎 непредсказуемость результата;
👎 расщепление признаков у потомства гибридов.
Мутагенез
До этого метода ещё дожить нужно было. Доисторический селекционер точно не сумел, ведь метод стали применять только в начале ХХ века, когда и само понятие «мутация» появилось в биологии (Хьюго де Фриз, 1901 год), и когда выяснили, какие именно факторы (мутагены) вызывают ошибки в ДНК (те самые мутации).
Изменение наследственного материала (генов и хромосом) приводит к возникновению новых признаков, свойств и качеств у организмов, поэтому мутагенез решил проблему «Выбрать не из чего!», стоявшую перед селекционерами ещё со времён первых искусственных отборщиков.
Чтобы заставить ДНК растений ошибаться, необходимо издеваться над семенами этих растений самыми изощрёнными способами, воздействуя на них: экстремальными температурами (замораживать или перегревать), жёсткими ультрафиолетовыми лучами, агрессивными химическими веществами и, конечно, радиацией.
Проблема в том, что мутагенез никогда не даёт гарантированного результата, ведь мы не можем точно знать, в каком именно участке ДНК возникнет повреждение-мутация. Да и большая часть мутаций окажется нейтральными (никакой от них пользы) или вредными (угнетающими жизнедеятельность или даже губительными) для растений, а полезных, интересующих экспериментатора, может получиться ничтожно малое количество или же вообще ни единой. Нужно тщательно поработать, чтобы отыскать и сохранить немногочисленные образцы с перспективными мутациями. Получается, что без искусственного отбора и при мутагенезе не обойтись.
Кое-кто опасается, что существует ещё один крупный недостаток мутагенеза. Разве он безопасен для покупателя-потребителя мутантов? В "биографии" таких сортов - их встреча с агрессивными химическими веществами и радиацией! Можно ли это игнорировать? Отвечу. Что касается химических мутагенов, то действительно вопрос об их безопасности до сих пор окончательно не закрыт, а вот что до радиации – можно не тревожиться. Там такая мизерная доза излучения, что…
Цель метода:
👍 получение новых признаков для их последующего отбора с помощью воздействия на семена растений факторов, вызывающих сбои в их ДНК.
Недостатки метода:
👎 отсутствие предсказуемого гарантированного результата;
👎 возможное негативное воздействие на организм потребителя продукции, полученной при химическом мутагенезе.
Полиплоидия
Это один из вариантов мутагенеза. Получение мутаций, при которых в несколько раз увеличивается количество хромосомных наборов в клетках растений.
Благодаря полиплоидии можно:
1) в короткие сроки (а не так, как при искусственном отборе) в несколько раз увеличить размер съедобных частей растений. Садовая земляника и клубника (сравните с лесной) – результат полиплоидии. Все злаковые культуры (пшеница, рожь, ячмень, просо и т.д.) – также. Многие фрукты и ягоды – то же самое;
2) создать бескосточковые сорта арбузов, винограда, цитрусовых растений. Кстати, в плодах банана также были семена, и они там бы и остались, если бы не полиплоидия;
3) преодолеть бесплодие межвидовых и даже межродовых гибридов культурных растений. Между прочим Г. Карпеченко с его несъедобным капустно-редечным гибридом вовсе не огорчился, увидев столь малоаппетитный результат своего эксперимента, поскольку ставил перед собой задачу преодолеть бесплодие межродовых гибридов, а вовсе не накормить советских людей капусто-редькой.
Цель метода:
👍 увеличение размеров съедобных частей растений;
👍 создание бескосточковых сортов растений;
👍 преодоление бесплодия отдалённых гибридов.
Недостатки метода:
👎 кратное увеличение в полиплоидных плодах не только полезных питательных веществ, но и вредных (например, растительных токсинов и аллергенов).
Слияние протопластов
Протопласт – если коротко, это вся растительная клетка, но без клеточной стенки.
При слиянии нескольких протопластов получают гетерокарион (от греч. ἕτερος - «иной, различный»; греч. κάρυον –«ядро»), то есть такую клетку, у которой несколько разных ядер и, соответственно, несколько полноценных наборов наследственной информации. То, что из эдакой химеры вырастет, будет сочетать в себе признаки организмов, чьи протопласты сливались. По сути – это та же гибридизация, только не половая (без полового размножения), а соматическая, проведённая на клеточном уровне.
Впервые эдакое чудо-юдо химерное гетерокарионное было получено в 1965 году английским ученым Генри Харрисом при слиянии протопластов мыши и человека. Нет-нет, мышечеловек из этого не вырос. Гетерокарион использовали для проверки некоторых гипотез, касающихся, например, механизма активации, блокировки и разблокировки генов; развития раковых опухолей и т.п. Сейчас метод слияния протопластов используют для получения некоторых видов антител, необходимых для лечения ряда заболеваний.
А в селекции растений слияние протопластов впервые использовалось в 1972 году американцем Питером Карлсоном для получения нового сорта табака из двух разных родительских видов (ничего полезнее не нашёл?!). Сегодня слияние протопластов помогает гибридизировать то, что раньше традиционным половым путём скрестить ну никак не получалось. Про гибрид картофеля с томатом слышали? Теперь и такой есть.
Цель метода:
👍 получение гибридов тех растений, скрещивание которых обычным половым способом невозможно.
Трансгенез
Вот «оно» – ГМО! Трансгенез – это перенос генов от одного существа к другому. Способов несколько. Сегодня подробно о них писать не планирую, как и о вреде (?) этого. Возможно, как-нибудь в другой раз, если читателям интересно.
Но суть понятна? Генный инженер извлекает ген из ДНК одного существа и встраивает его в ДНК другого существа. Скажем, пресловутый ген рыбы встраивают в ДНК томата. И опачки! У помидора (да и у того, кто его съел) выросли жабры появляется устойчивость к низким температурам (если транс-ген - это ген холодостойкости какой-нибудь норвежской сельди).
Конкретно! Точечно! С гарантированным результатом! С помощью трансгенеза сельскохозяйственным растениям сообщаются качества и свойства, которые у них жаждет увидеть селекционер. Это вам не радиоактивная бомбардировка-мутагенез с последующим гаданием-ожидаением: «Получилось или не получилось? И что именно получилось-то?»
Цель метода:
👍 добавление сельскохозяйственной культуре тех признаков и свойств, которых у неё ранее не было, с помощью внедрения в её ДНК чужих генов.
Недостатки метода:
👎 неприятие сортов, полученных таким способом, малограмотной частью населения, напуганной антитрансгенными заявлениями некоторых традиционных производителей сельскохозяйственных культур, конкурирующих с производителями ГМО-продукции.
Редактирование генома
Если при трансгенезе в ДНК внедряют чужие гены, то при редактировании генома изменяют, как бы подправляют, уже имеющиеся у организма родные его гены. Причём, иногда только в нескольких конкретных клетках изменяют, а не во всём растении. Скажем, редактируют гены именно в клетках плодов для изменения их вкусовых качеств (несъедобные стебли, корни и листья ведь тут ни при чём). Получается, что при трансгенезе организму добавляют свойства, которых у него не было, а при редактировании генома корректируют уже имеющиеся свойства: излечивают от болезней, повышают плодовитость, уменьшают рост деревьев для удобства сборщиков урожая и… список возможностей безграничен.
Как же гены «подправляют»? Меняют последовательность нуклеотидов в ДНК, «включают» (экспрессируют) или «выключают» (нокаутируют – да-да, именно так это и называется) определённые гены. Редактирование не обходится без молекул-распознавателей тех участков генов, в которых необходимо провести корректировку, а также без ферментов-разрезателей и ферментов-сшивателей ДНК.
Цель метода:
👍 улучшение имеющихся свойств и качеств сельскохозяйственных культур с помощью изменения генов этих растений.
Недостатки метода:
👎 дороговизна.
