Понимание генетических комбинаций в селекции растений

Естественный отбор

Представьте себе участок растений на западном склоне долины Куллу в предгорье Гималаев. Окружающая среда будет оказывать влияние на генетику растений. Если растение не выживает в данных условиях достаточно долго, чтобы размножаться, то оно подвергается отбору. Растения, которые успевают размножиться, дают потомство. Растения, которые имеют более успешное и обильное потомство, будут размножаться быстрее других. На протяжении многих поколений, успешные растения вытесняют менее успешные, колония адаптируется к окружающей среде.

Ранняя селекция растений

Те качества растений, которые оказались наиболее успешным в долине Куллу, не обязательно являются желательным для цветовода, который решил возделывать свои растения неподалеку — в долине Малана в индийском штате Химачал Прадеш.

Например, если некое растение имеет цветы, то может оказаться, что растение с красными липкими цветами более желанно для человека, чем растение с белыми цветами, даже если растение с белыми цветами лучше подходит для репродуктивного успеха (возможно, белые цветы больше нравятся пчелам).

Долина Малана. Химачал Прадеш.
Крестьяне регулярно проводят селекцию растений с красными цветами.

Простые формы селекции растений предполагают вмешательство человека: удаление растений с белыми цветами, либо сохранение семян растений с красными смолистыми цветами.

Через достаточное количество поколений все или большинство растений начнут производить потомство с красными цветами. Преимущество такого типа селекции заключается в том, что относительно просто продолжать сохранять семена растений, наиболее близких к определенному идеалу, и линия растений будет стремиться к этому идеалу.

Дикая капуста

Brassica oleracea является известным примером такого типа селекции. В своем первоначальном виде она известна как дикая капуста, но вмешательство человека путем селекции привело к появлению множества одомашненных форм. Существуют различные сорта Brassica oleracea примерно так же, как существуют различные породы собак, хотя обычно они более известны под различными общепринятыми названиями:

Brassica oleracea, выведенная для получения рыхлых листьев, известна как капуста кейл.

Brassica oleracea, выведенная для получения крупных плотных листьев, известна как бело- или краснокочанная капуста.

Brassica oleracea, выведенная для маленьких плотных листьев, известна как брюссельская капуста.

Brassica oleracea, выведенная для получения крупных стеблей, известна как кольраби.

Brassica oleracea, выведенная для получения съедобных незрелых цветов, привела к появлению цветной капусты, брокколи, романеско и так далее.

Все они были выведены путем отбора определенных признаков на протяжении многих поколений.

Все эти разные сорта капусты относятся к одному виду Brassica oleracea

Проблема такого уровня базовой селекции растений заключается в том, что могут возникнуть неожиданные результаты. Если понять хотя бы некоторые механизмы, лежащие в основе селекции, то программа селекции может быть гораздо более эффективной и предсказуемой.

Редакцию крайне интересует, какие отборочные операции проводили селекционеры капусты Романеско

Менделевская генетика

Грегора Менделя называют отцом современной генетики — он разработал законы менделевской наследственности в 1800-х годах и продвинул понимание того, как работает наследственность. Этот тип классической селекции обычно используется для улучшения существующей популяции растений в новые сорта.

В нашем гипотетическом примере с красно-белым цветком — это признак, диктуемый геном цвета цветка. Значение гена диктуется двумя аллелями. У каждого родителя будет два аллеля, которые могут быть одинаковыми, а могут и не быть. Они передадут один или другой шанс каждому из своих потомков. Когда образуется семя, для каждого гена один аллель наследуется от пыльцы со стороны отца, а другой — от яйцеклетки со стороны матери. Для гена, отвечающего за цвет назовем красный аллель R, а белый аллель — r.

Cелекционные признаки

Если мужское растение с красными липкими цветами является истинно селекционным (гомозиготным) по красному цвету, то оба его аллеля одинаковы и не дают расщепления в следующем поколении. Для простоты это можно выразить как RR, по одному R для каждого из его двух аллелей. Поскольку обе его аллели — для красных цветов, у него будут красные цветы, и независимо от того, какую аллель он передаст своим детям, это будет аллель для красных цветов (потому что это будет либо R, либо другая R).

Если женское растение с белыми цветами является гомозиготным на белый цвет, то оба ее аллеля одинаковы, но на этот раз закодированы для белого цвета. Для простоты это можно выразить как rr. Когда оно производит семена, она пожертвует либо свой первый r, либо свой второй r.

Родительское поколение называется поколением P. Когда два представителя поколения P скрещиваются, получающиеся дети являются представителями поколения F1. Дети поколения F1 называются поколением F2, их дети — поколением F3, и так далее.

Если оба члена поколения P являются селекцией на красные цветы, то все потомство будет иметь красные цветы. Любая из возможных комбинаций аллелей приведет к тому, что каждый член поколения F1 получит R от каждого из двух родителей. Отец даст один или другой из двух своих R, а мать даст один или другой из двух своих R, образуя потомство, которое будет иметь два R. То же самое будет справедливо и для белых цветов. Два родителя, гомозиготные по белым цветам, дадут потомство с белыми цветами.

Все начинает усложняться, когда скрещиваются гипотетическое растение с красным цветком, несущее пыльцу, и гипотетическое растение с белым цветком, несущее яйцеклетки. Отец передаст один из своих двух R, а мать передаст один из своих двух r, в результате чего появятся дети, которые будут иметь по одному из них (Rr). Это поколение F1 (гибридное поколение). Поскольку потомство будет иметь один R и один r, они гетерозиготны по цвету.

Гибридные F1

Два R образуют красные цветы, а два r образуют белые цветы. Какой цвет цветка будет у растений, когда они будут иметь по одному аллелю из двух, будет зависеть от того, какой из них доминантный. Аллели, которые побеждают (когда есть по одному из них), называются доминантными, а те, которые проигрывают, называются рецессивными. Так, если красный цвет является доминантным, то у детей Rr все цветы будут красными. Если бы доминантными были цветы белого цвета, то у поколения F1 все цветы были бы белыми (есть также некоторые случаи, когда гетерозиготные аллели имеют так называемое неполное доминирование, которое может привести к таким вещам, как розовые цветы, но это более сложная тема). Гибриды F1 имеют тенденцию быть похожими друг на друга и могут демонстрировать устойчивость, которая называется гибридной энергичностью. Для этого примера предположим, что красный цвет цветка является доминантным.

F2

Если скрестить двух представителей поколения F1 (Rr), то каждый родитель передаст один из двух своих аллелей. В поколении F2 возможны четыре комбинации: RR, Rr, rR и rr.

В случае RR дочернее растение будет иметь красные цветы.

В случае rR или Rr у дочернего растения будут красные цветы (из-за доминирования).

В случае rr дочернее растение будет иметь белые цветы.

Другими словами, около 75 процентов потомства будут иметь красные цветы, и около 25 процентов — белые.

Селекция на рецессивные признаки проще, чем селекция на доминантные признаки. В примере, хотя белых цветов будет меньше, все они будут rr. Однако для доминантного признака RR, Rr и rR все будут иметь красные цветы, и их невозможно будет отличить друг от друга. С доминантными признаками необходимо проводить испытания и использовать статистику, чтобы определить, когда статистически вероятно, что они будут однородными и перестанут расщепляться.

ГМО

Традиционные формы селекции предполагали использование вероятностей и ведение учета для определения и изменения аллелей в популяции растений, существуют и более прямые методы, позволяющие создавать генетически модифицированные организмы (ГМО). При использовании методов генной инженерии аллели изменяются или заменяются в лаборатории. Ранние методы включали введение мутагена и наблюдение за выжившими для выявления перспективных кандидатов. Более поздние методы включают использование генной пушки и вирусов-носителей для изменения (или замены) аллелей.

Одна из проблем, связанных с ГМО, заключается в том, что они позволяют патентовать полученные формы жизни и владеть ими алчными компаниями-производителями.

Редакция является сторонником классической селекции, но вместе с тем внимательно следит за новостями генетической модификации и биоинженерии в неспокойной Вселенной.

https://ru.wikipedia.org/wiki/Законы_Менделя

https://www.sciencedirect.com/topics/biochemistry-genetics-and-molecular-biology/gene-gun

https://www.creative-biolabs.com/gene-therapy/bombardment-with-dna-coated-microparticles-gene-gun.htm

https://ru.wikipedia.org/wiki/Генная_пушка

https://www.freepik.com/free-icon/blaster_15476735.htm#query=blaster&position=25&from_view=search