Селекція та біотехнологія

Селекція — це наука про створення нових і поліпшення наявних сортів рослин, порід тварин та штамів мікроорганізмів.
Теоретичною основою селекції є генетика. Засновник наукової генетики — Ґреґор Мендель, а величезний внесок у селекцію зробив Микола Вавилов.
Головна ідея: людина штучно керує спадковістю та мінливістю, щоб отримати організми з потрібними ознаками (урожайність, стійкість, продуктивність).

Це штучні популяції, створені людиною, з корисними для неї ознаками.
• Сорт — сукупність рослин одного виду (напр. сорт пшениці «Миронівська»).
• Порода — сукупність тварин одного виду (напр. українська червона порода корів).
• Штам — чиста культура мікроорганізмів, нащадки однієї клітини (напр. штам пеніцилу для антибіотиків).
Спільне: усі вони існують лише під контролем людини й у природі самостійно не виживають.

Штучний добір — відбір людиною особин із бажаними ознаками для розмноження.
• Масовий — залишають групу кращих особин без урахування нащадків. Простий, але менш точний. Застосовують для перехреснозапильних рослин.
• Індивідуальний — відбирають окремі особини й перевіряють якість їхнього потомства. Точніший, дає чисті лінії. Для самозапильних рослин і тварин.

Гібридизація — схрещування особин для об'єднання ознак у нащадках.
• Споріднена (інбридинг) — схрещування близьких родичів. Веде до чистих ліній (гомозиготність), але часто знижує життєздатність.
• Неспоріднена (аутбридинг) — схрещування неспоріднених особин, різних порід/сортів. Підвищує різноманітність та життєздатність.

Гетерозис («гібридна сила») — явище, коли гібриди першого покоління (F₁) від неспорідненого схрещування переважають батьків за розмірами, урожайністю, витривалістю.
Причина — перехід генів у гетерозиготний стан, шкідливі рецесивні алелі маскуються.
Важливо: у другому поколінні (F₂) ефект зникає — тому гібридне насіння купують щороку. Приклад — гібридна кукурудза.

Поліплоїдія — кратне збільшення числа хромосомних наборів (3n, 4n і більше).
Отримують дією колхіцину, який руйнує веретено поділу, і хромосоми не розходяться.
Поліплоїди зазвичай більші, урожайніші, стійкіші. Приклади: тверда пшениця, цукровий буряк, безнасінний кавун, багато сортів картоплі.
У тварин майже не використовують — часто веде до безпліддя.

Мутагенез — отримання мутацій дією мутагенів (радіація, УФ-промені, хімічні речовини).
Різко підвищує спадкову мінливість — з'являється матеріал для добору. Більшість мутацій шкідливі, тож відбирають рідкісні корисні.
Особливо ефективний для мікроорганізмів: так вивели штами пеніцилу з продуктивністю у сотні разів вищою за природну.

Складніша за селекцію рослин, бо тварини:
• розмножуються лише статево (немає вегетативного);
• дають мало нащадків;
• пізно досягають статевої зрілості (довга зміна поколінь).
Використовують оцінку за родоводом та за якістю потомства. Сучасні методи — штучне запліднення й трансплантація зародків.

М. Вавилов сформулював закон гомологічних рядів у спадковій мінливості: близькоспоріднені види й роди мають подібні (паралельні) ряди мінливості.
Знаючи форми мінливості одного виду, можна передбачити такі самі в спорідненого. Це допомагає цілеспрямовано шукати потрібні ознаки в селекції.

Вавилов установив, що культурні рослини походять із кількох центрів різноманіття й походження — там найбільша концентрація сортів і диких предків. Основні 7:
• Південноазійський тропічний — рис, цукрова тростина, цитрусові.
• Східноазійський — соя, просо, гречка.
• Південно-Західноазійський (Передньоазійський) — пшениця, жито, горох, льон.
• Середземноморський — капуста, маслина, буряк.
• Абіссинський (Ефіопія) — тверда пшениця, ячмінь, кава.
• Центральноамериканський — кукурудза, гарбуз, квасоля, какао.
• Південноамериканський (Андійський) — картопля, томат, тютюн.

Біотехнологія — використання живих організмів, їхніх клітин або біологічних процесів для виробництва потрібних людині продуктів.
«Давня» біотехнологія — хлібопечення, виноробство, сироваріння (бродіння). «Сучасна» спирається на генну та клітинну інженерію.
Основні напрями: генна інженерія, клітинна інженерія, мікробіологічний синтез, клонування.

Генна інженерія — методи цілеспрямованої перебудови геному: виділення, зміна та перенесення окремих генів з одного організму в інший.
Ключові інструменти:
• Ферменти рестриктази — «розрізають» ДНК у певних місцях.
• ДНК-лігази — «зшивають» фрагменти.
• Вектори (плазміди, віруси) — переносять ген у клітину-хазяїна.
Так у бактерію вбудували ген інсуліну людини — тепер його виробляють мікроорганізми.

ГМО (генетично модифіковані організми) — організми, геном яких змінено методами генної інженерії, зокрема додано чужорідні гени.
Приклади: соя й кукурудза, стійкі до гербіцидів; «золотий рис» із геном синтезу провітаміну А; бактерії — продуценти інсуліну, гормону росту, інтерферону.
Трансгенний організм містить ген іншого виду.

Клітинна інженерія — вирощування й маніпуляції з клітинами й тканинами поза організмом (культура клітин і тканин).
Методи:
• Гібридизація соматичних клітин — злиття клітин різних видів (без статевого процесу).
• Мікроклональне розмноження — з однієї клітини вирощують безліч однакових рослин.
• Гібридоми — злиття лімфоцита з пухлинною клітиною для отримання моноклональних антитіл.

Клон — сукупність генетично тотожних клітин чи організмів, нащадків однієї вихідної клітини.
Клонування — отримання генетичних копій організму нестатевим шляхом.
Знаменитий приклад — вівця Доллі (1996) — перший клон ссавця з соматичної (нестатевої) клітини методом перенесення ядра в яйцеклітину. Клон має геном донора ядра, а не яйцеклітини.

Мікробіологічний синтез — промислове використання мікроорганізмів для виробництва потрібних речовин.
За допомогою бактерій, грибів і дріжджів отримують:
• антибіотики (пеніцилін — гриб пеніцил);
• вітаміни, амінокислоти, ферменти;
• кормовий білок (одноклітинний білок);
• органічні кислоти й спирти.
Перевага мікробів — швидке розмноження й простота культивування.

Медицина: виробництво інсуліну, гормону росту, інтерферону, вакцин; моноклональні антитіла для діагностики; перспективи генної терапії спадкових хвороб.
Сільське господарство: високоврожайні й стійкі сорти та породи; ГМО-культури, стійкі до шкідників і посухи; мікроклональне розмноження цінних рослин; бактеріальні добрива.
Промисловість: антибіотики, ферменти, біопаливо, очищення стоків (біоремедіація).