Давайте рассмотрим поподробнее, что означает эффект гетерозиса.
Теория гибридной силы предполагает, что в одной и той же группе собаки с различной родословной будут здоровее, чем их чистопородные сородичи. Гетерозис - это теория, в которой явление скрещивания двух состоящих в кровном родстве линий (инбридинг) может производить потомство с лучшим генетическим фондом. В дополнение к отсутствию черт инбридинга, присутствующего, в целом, у межродственно скрещенных и породистых собак, существует некий эффект отдаленного инбридинга в любой породе. Гетерозис также вызывается сверхдоминированием, то есть это лучшее сочетание функций двух различных генов (аллелей) в местоположении гена (локусе) в сравнении с сочетанием двух одинаковых аллелей. Более крепкое здоровье и бодрость не позволят создать превосходную породу, однако преимущества, полученные от этого, и есть то, что называют дополнительной энергией или мощью. Ведь главная цель - не в создании новой породы, а в создании здорового и счастливого животного. Эффект гетерозиса дает более крепкую, энергичную собаку с пониженным уровнем генетических заболеваний. В домашнем животноводстве хорошо известно, что гибриды (скрещенные 50% на 50% из двух различных пород) имеют меньше генетических заболеваний, так как любое удвоение пагубных воздействий останавливается в первом поколении. Генетический термин этого явления и есть эффект гетерозиса. Этот эффект часто делает неродственных особей сильнее, чем при скрещивании особей одной и той же породы.
Заводчики, занимающиеся гибридными собаками, ставят целью получение здоровых и счастливых собак без генетических проблем. Например, заводчики, скрещивающие с пуделем, желают получить у собаки мягкую, шелковистую, нелиняющую шерсть, чтобы угодить людям, страдающим аллергией.
Цель получения подобных гибридов не стоит в создании новой породы. Так как, если скрещивание двух чистокровных пород выходит за пределы первого поколения, эффект гетерозиса теряется. А ведь получение этого эффекта и является задачей большинства гибридных заводчиков. Самка всегда должна быть больше кобеля, чтобы щенки не были слишком крупными и не привели к осложнениям при родах. Гетерозис, как замечено, возникает не только в первом поколении, спаривание несвязанных гибридов одного и того же (или другого) типа также даст подобный эффект, хотя это отразится на потомстве по-разному.
При скрещивании двух различных пород чистокровных собак можно получить комбинацию любых черт, найденных в породе. Если вы остановились на гибридах, как же определить, какую породу выбрать? Изучите темперамент и принципы ухода за обеими породами, чтобы быть готовым к любой комбинации их черт. Если все, что касается этих пород, соответствует вам и вашему образу жизни, то можно с большой вероятностью предположить, что эта помесь разработана для вас. Если существуют ПРИЧИНЫ, по которым вы не чувствуете склонности к любой породе из помеси, такого выбора лучше избежать.
Важно также быть в курсе, что не все дизайнерские гибриды скрещивают в пропорции 50/50 процентов чистокровных пород. Для заводчиков характерны и помеси нескольких поколений. Скажем, простая помесь поколения Ф1, дает максимальную гибридную силу у собаки, и чем дальше мы будем следовать по цепи различных поколений, тем больше силы будет теряться в гибриде, но существуют и некоторые преимущества скрещивания нескольких поколений. Если вы хотите усилить ваши шансы получения определенных черт, например, отсутствие линьки, вам придется двигаться дальше вниз по цепочке поколения, рискуя меньшим эффектом гетерозиса.
Чтобы помочь понять эту концепцию, мы будем использовать породу лабрадудль как пример. Лабрадудль является помесью лабрадора ретривера и пуделя (как правило, стандартного пуделя). В целом, мы будем называть первую породу "чистокровная-А", а вторую "чистокровная-B". Заметьте: примеры различий в шерстном покрове относятся только к гибриду лабрадудля; все другие гибриды будут меняться каждый по-своему, в зависимости от того, какие породы присутствую в помеси.
Ф1 = щенок первого поколения от 50% чистокровной-А и 50% чистокровной-B. Например, смесь лабрадора ретривера с пуделем в первом поколении дает более здоровое потомство. В данной помеси лабрадудля, тип шерсти может быть гладким как у ретривера, жестким, как у ирландского волкодава или волнистым/лохматым, как у пуделя. Шерсть может линять или не линять и щенки в одном помете могут сильно отличаться друг от друга. Это не лучший вариант для людей, страдающих аллергией.
Ф1b = щенок с обратным скрещиванием - (это скрещивание гибрида первого поколения с одним из его родителей) с 25%-ной породистой-A и 75% -ной породистой-B особями. Например, помесь Лабрадудля Ф1 обратно с пуделем; это Лабрадудль с пуделем с обратным скрещиванием - Дудль с волнистой, вьющейся шерстью, лохматый на вид; это одна из особей со стойким типом шерсти. Помесь Ф1b с большей долей вероятности есть Дудль с нелиняющей гипоаллергенной шерстью, самой неприхотливой в уходе.
Ф2 = щенок второго поколения - гибрид Ф1, смешанный с гибридом Ф1. Например, Лабрадудль Ф1 скрещенный с Лабрадудлем Ф1. В этой комбинации вы получаете тот же самый процент как чистокровных-А, так и чистокровных-B, как если бы это был гибрид F1. Но в этом случае Лабрадудль скорее всего будет линять.
Ф2b = щенок второго поколения с обратным скрещиванием с Ф1, с которым скрещивали и Ф1b (обратное скрещивания гибридов).
Ф3 есть гибрид Ф2 к гибриду Ф2. Ф3 = Ф2 х Ф2. Мульти-поколение = Ф3 или поколение более ранних гибридов (Ф1,Ф2), скрещенное с Ф3 или ранними гибридами.
Суммируя вышесказанное:
Чистокровная-А х Чистокровная-B = Собака гибрид Ф1
Ф1 х Чистокровная-А = Гибрид собаки Ф1b (с обратным скрещиванием)
Ф1 х Ф1 = Гибрид собаки Ф2
Ф1 х Ф1b = Гибрид собаки Ф2b
Ф2 х Ф2 = Гибрид собаки Ф3
И помните, разведение помесей не всегда дает желаемый результат. Например, создав помесь золотистого ретривера с пуделем (голдендудль) и вы можете получить или не получить собаку, которая линяет. Большинство опытных заводчиков могут подсказать вам, какие характеристики разовьются в собаке, когда она вырастет. Например, что касается голдендудля, некоторые заводчики в состоянии сказать, какой тип шерсти щенок будет иметь - от ретривера или от пуделя, хотя однозначной гарантии дать невозможно. Зачастую сложно определить, какой тип темперамента будет у щенка, так как некоторые характеристики проявятся только в период взросления, то есть уже после приема в семью.
| Поставить оценку: |
Гетерозис , или гибридная мощность (сила) – это явление превосходства гибридов 1-го поколения по сравнению с исходными родительскими формами. Оно проявляется по многим признакам при скрещивании разных видов, рас, пород животных и сортов растений, а также инбредных линий.
Еще в середине XVIII в И. Кельрейтер , академик Российской академии, знаменитый ботаник, обратил внимание на тот факт, что в отдельных случаях при скрещивании растений гибриды первого поколения значительно мощнее своих родительских форм. Затем Ч. Дарвин сделал заключение, что гибридизация во многих случаях сопровождается более мощным развитием гибридных организмов.
Термин «гетерозис » ввел в 1914 г . американский генетик и кукурузовод Дж. Шелл .
Хотя эффект гетерозиса известен с древнейших времен, его природа до начала XX в. была неясна. Глубокий научный анализ явления гетерозиса стал возможен только после открытия основных генетических закономерностей.
Межлинейные гибриды кукурузы . В начале XX века Г. Шелл показал, что при скрещивании некоторых инбредных линий кукурузы получаются дает гибридные растения, более урожайные по зерну и вегетативной массе, чем исходные линии и сорта.
Сейчас посев гибридными семенами стал основным приемом производства кукурузы . Для получения гибридных семян сначала создают большое количество инбредных линий из лучших сортов, отвечающих требованиям данного климатического района. Инбредная линия создается в течение 5 – 7 лет путем самоопыления . При отборе линий оцениваются качества, которые необходимо получить у будущего гибридного потомства. Значительная часть линий (около 99%) бракуется из-за тех или иных отрицательных свойств.
Создание большого количества инбредных линий – необходимый этап работы для получения гетерозисных форм. Особи в пределах линии имеют сходные генотипы и является практически гомозиготными. Поэтому при скрещивании таких линий образуются одинаковые по генотипу гетерозиготные гибриды .
Полученные таким образом межлинейные гибриды первого поколения оценивают по эффекту гетерозиса, отбирают линии, дающие лучшие комбинации, и затем размножают их в больших масштабах для производства гибридных семян . Чем больше создано инбредных линий, тем вернее и скорее можно отыскать лучшие гибридные комбинации с необходимым сочетанием свойств. Чтобы найти пару линий , дающих при скрещивании высокий эффект гетерозиса , необходимо проверить несколько тысяч гибридных комбинаций .
При получении гибридных семян для производственных целей исходные линии , дающие при скрещивании наибольший эффект гетерозиса, высевают рядами, чередуя материнские и отцовские формы . Для обеспечения опыления между ними разработана схема производства гибридных семян с использованием цитоплазматической мужской стерильности , что позволило значительно сократить затраты труда на удаление метелок с растений материнской линии . Так получают простые межлинейные гибриды кукурузы. Этот метод в принципе является общим для семеноводства гибридов различных перекрестно опыляющихся растений. Бывают также тройные гибриды (рис. 226).
В настоящее время в практике сельского хозяйства простые межлинейные гибриды кукурузы не используются, так как затраты на получение таких семян не окупаются. Теперь широко внедряется в практику посев семян двойных межлинейных гибридов . Последние получают путем скрещивания двух простых гибридов, проявляющих гетерозис (рис. 147).
Тройные идвойные гибриды получают в два этапа: 1) получение простого гибрида; 2) использование простого гибрида в качестве материнской формы для тройного или двойного, в качестве отцовских форм которых выступают линия и простой гибрид соответственно.
Подбор простых гибридов для получения наиболее продуктивных двойных гибридов является важным этапом селекции. Лучшие результаты дает скрещивание инбредных линий , происходящих из различных сортов . Так, например, если один простой гибрид получен от скрещивания инбредных линий двух сортов – А × В , а другой – от скрещивания линий других сортов – C × D , то двойной гибрид (А × В ) × ( C × D ) дает гетерозис чаще, чем если бы двойной гибрид был получен от скрещивания простых гибридов, каждый из которых происходит от линий одного сорта. Совершенно ясно, что в большинстве случаев инбредные линии всегда будут иметь более низкие показатели, чем сорта. О наличии гетерозиса следует говорить лишь в том случае, когда межлинейный гибрид превосходит не только исходные линии , но и сорта или породы , от которых произошли эти линии.
Применение цитоплазматической мужской стерильности. Возникает вопрос, как получить гибридные семена, например, у кукурузы, сахарной свеклы, риса, томатов, если в пределах одного растения или даже одного цветка расположены женские и мужские элементы системы размножения и всегда присутствует возможность самоопыления. В этих случаях избежать процесса самоопыления можно только двумя путями: на материнских формах удалить вручную мужские элементы цветка, продуцирующие пыльцу; сделать мужские соцветия стерильными . Первый путь очень трудоемок, поэтому генетики начали поиск систем, определяющих мужскую стерильность растений.
В 1929 г. ученик Н. И. Вавилова отечественный селекционер и генетик Михаил Иванович Хаджинов нашел в посевах кукурузы растения с мужской стерильностью, которые ничем не отличались от нормальных, только были полностью стерильными, т. е. не продуцировали пыльцу. Это явление – цитоплазматическая мужская стерильность (ЦМС) – было изучено и широко использовано для получения гибридных семян у кукурузы, а затем и у многих других видов.
Схема использования ЦМС в селекции разработана в 30-х годах М. Родсом . Было установлено, что только взаимодействие особого типа цитоплазмы (S) и рецессивных генов ядра (rf) обусловливает мужскую стерильность (рис. 227, 228).
В практике используют лишь гибридные семена первого поколения от скрещивания двух линий, простого гибрида и линии или двух простых гибридов. Второе и последующие поколения в производственных посевах не используются, так как гибриды расщепляются на исходные формы и эффект гетерозиса исчезает. В связи с этим при использовании гетерозиса у растений организовано семеноводство в специальных хозяйствах, где получают только семена первого поколения и продают их хозяйствам, фермерам и т. д. Так как урожайность гетерозисных гибридов значительно (на 20-30%) выше исходных сортов, то затраты на семеноводство гибридных семян с лихвой окупаются. Внедрение гетерозисных гибридов кукурузы, по оценке американских специалистов, принесло чистый доход, в сотни миллиардов долларов. Гетерозис используется также при выращивании сахарной свеклы, риса, томатов и других видов.
Аналогичным образом получают гибриды и у животных. В настоящее время в птицеводстве и в свиноводстве широко используется скрещивание инбредных линий, происходящих из одной или разных пород .
Факторы , влияющие на гетерозис. Проявление гетерозиса у гибрида зависит:
1) от генотипа;
2) от свойств цитоплазмы , в результате чего реципрокные скрещивания дают разный эффект . Например, от скрещивания ♀ лошадь × ♂ осел получается высокогетерозисный гибрид мул – долговечный, выносливый и сильный. Реципрокная комбинация дает лошака , у которого гетерозис полностью отсутствует .
3) от стадии онтогенеза. Гетерозис в онтогенезе реализуется неравномерно . На одних стадиях онтогенеза проявляется гетерозис по одним признакам, на других – по другим. Так, в раннем возрасте у одного и того же гибрида может наблюдаться гетерозис в отношении скорости роста отдельных частей организма и повышенной устойчивости к заболеваниям, но его может не быть , например, в отношении устойчивости к неблагоприятной температуре . Гетерозис по этому свойству может проявиться позднее .
4) Сильное влияние на проявление гетерозиса оказывают также факторы среды .
Возможные механизмы гетерозиса. В настоящее время имеются 4 гипотезы , объясняющие возникновение гетерозиса:
1. Гипотеза гетерозиготности гибридов Дж. Шелла и Е. Иста (1908 г.). Как уже говорилось, при скрещивании гомозиготных инбредных линий гибриды первого поколения гетерозиготны по многим генам . При этом действие вредных рецессивных мутантных аллелей подавляется доминантными аллелями обоих родителей.
Схематически это можно представить так: одна инбредная линия в гомозиготном состоянии имеет рецессивную аллель одного гена (ааВВ) , а вторая – другого гена (ААbb) . Каждая из этих рецессивных аллелей в гомозиготном состоянии определяет какую-нибудь недостаточность, которая снижает жизнеспособность инбредной линии.
При скрещивании линий aaBB × AAbb у гибрида объединяются доминантные аллели обоих генов (AaBb ) . Гибриды F 1 проявят при этом по указанным генам не только гетерозис , но и единообразие .
ВF 2 число особей с двумя доминантными генами в гетерозиготном состоянии (AaBb) будет лишь 4 / 16 , поэтому гетерозисными оказываются не все особи. В дальнейших поколениях число гетерозигот сокращается, а число гомозигот увеличивается . В силу этих причин гетерозис в последующих поколениях затухает .
Серьезным препятствием для этой гипотезы является тот факт, что далеко не все межлинейные гетерозиготные гибриды проявляют гетерозис , т. е. гетерозиготность не всегда связана с гетерозисом.
2. Гипотеза доминирования Д. Джонса (1918 г.) исходит из того факта, что доминантные аллели дикого типа чаще, чем рецессивные, оказывают благоприятное действие независимо от того, в каком состоянии - гомозиготном или гетерозиготном – они находятся. Поэтому подбор в гибридной комбинации доминантных аллелей может скорее обеспечить гетерозис. Иначе говоря, эта гипотеза исходит из представления о простом суммировании эффекта доминантных аллелей с комплементарным действием .
Проиллюстрируем это следующим примером :
P: AAbbCCdd × aaBBccDD
Если у скрещиваемых форм имеется всего по два доминантных благоприятно действующих гена, то у гибрида их четыре, независимо от того, в гомозиготном или гетерозиготном состоянии они находятся. Это, по мнению сторонников этой гипотезы, и определяет гетерозис гибрида, т. е. его преимущества перед исходными формами.
И эта гипотеза вступает в противоречие с рядом фактов. Так, при инбридинге идет гомозиготизация . Следовательно, согласно этой гипотезе, следовало ожидать появления в результате инбридинга гетерозисных форм , имеющих набор доминантных генов в гомозиготном состоянии, однако это не имеет места.
3. Гипотеза сверхдоминирования Шелла и Иста исходит из того, что гетерозиготное состояние имеет превосходство над гомозиготным (АА < Аа > аа). Предполагается, что сочетание в гетерозиготе аллелейдикого типа и мутантного каким-то образом усиливает действие доминантного гена и в связи с этим вызывает максимальное накопление специфических веществ , синтез которых контролируется этим геном.
4. Гипотеза компенсационного комплекса генов В. А. Струнникова . Ее суть сводится к тому, что при возникновении мутаций сильно понижающих жизнеспособность и продуктивность организма, так называемых полулеталей , при отборе у гомозигот формируется компенсационный комплекс генов , в значительной степени нейтрализующий вредное действие мутаций. Если затем такую мутантную форму скрестить с нормальной без мутации и тем самым перевести мутацию в гетерозиготное состояние , т. е. нейтрализовать ее действие нормальным аллелем, то сложившийся по отношению к мутации компенсационный комплекс в гибридном организме будет «работать» на гетерозис .
Пути закрепления гетерозиса. Основной задачей использования гетерозиса в селекции является закрепление его , т. е. сохранение эффекта гетерозиса в процессе воспроизведения гибрида . Решение этой задачи возможно следующими путями.
1. Закрепить гетерозис удается там, где возможно вегетативное размножение гибридов – клубнями, луковицами, черенками. Так сохраняется положительный эффект гетерозиса у картофеля.
2. Важным подходом к закреплению гетерозиса является кратное увеличение наборов хромосом – полиплоидия .
3. В естественных условиях гетерозис закрепляется при возникновении полиморфизма по инверсиям .
4. У животных, для которых все эти пути закрепления гетерозиса исключены, используют переменное скрещивание , т. е. регулярное скрещивание гибридов попеременно с одной и с другой исходными формами.
5. Аналогично опытам Гердона возможна пересадка ядер гетерозисных животных в энуклеированные яйцеклетки, т. е. клонирование .
Из истории изучения явления
Еще Чарльз Дарвин проводил исследования неблагоприятных результатов самоопыления, которые проявлялись в снижении темпов роста и жизненной активности перекрестноопыляющихся структур. Самоопыление, проводящееся на протяжении нескольких лет подряд, приводит к резкому уменьшению размера растений, снижению интенсивности их обмена веществ и падению их плодовитости.
Причиной резкого снижения жизнеспособности организмов при близкородственном скрещивании или самоопылении является высокая степень гомозиготности таких растений по многим генам. Подобная гомозиготность по рецессивным мутантным генам и является неблагоприятной для растений, подвергавшихся длительное время самоопылению, которое получило в генетике название инбридинга. В гетерозиготном состоянии вредное действие рецессивных генов (зачастую – летальных) не проявляется фенотипически. А в гомозиготном состоянии эти гены проявляются в фенотипе и оказывают неблагоприятное воздействие на организм.
Изучение генетики инбредных линий целого ряда растений позволило ученым разработать методы использования их в селекции для создания высокопродуктивных межвидовых гибридов. При правильном соединении таких инбредных линий удавалось при их скрещивании получить гибриды, которые по мощности своего развития значительно превышали исходные родительские формы.
Определение 1
Явление резкой вспышки гибридной мощности в первом поколении от скрещиваемых инбредных линий, а также сортов растений и пород животных, различающихся между собой по наследственным качествам, называется гетерозисом .
Иногда гетерозис называют еще «проявлением жизненной силы » или «гибридной силы ». В следующих гибридных поколениях гетерозис обычно угасает и через два-три поколения совсем исчезает.
Явление гетерозиса объясняется тем, что при скрещивании двух гомозиготных форм образуется гетерозиготный гибрид. В гетерозиготном состоянии летальные и сублетальные гены, как правило, - рецессивные. Поэтому они подавляются доминантными аллелями, и их вредное для организма действие не проявляются в фенотипе. Кроме того, в генотипе гибридных потомков могут сочетаться благоприятные доминантные аллели обоих родителей. В результате этого может наблюдаться явление взаимодействия неаллельных доминантных генов.
По данным современных биохимических наблюдений у гетерозисных форм наблюдается более широкий набор ферментов и их повышенная активность по сравнению с предками (родителями).
Ослабление гетерозиса в последующих поколениях объясняется переходом многих признаков (генов) снова в гомозиготное состояние. В восьмом поколении гибридов явление гетерозиса практически полностью исчезает.
У растений гетерозис можно закрепить, например, вегетативным размножением, удвоением числа хромосом или с помощью партеногенеза. Гетерозис может больше проявиться на одних признаках гибридной особи, не задевая других.
Явление гетерозиса широко применяют в сельском хозяйстве. Одним из первых растений, получение гетерозисных гибридов которого было поставлено на промышленную основу, стала кукуруза. Для получения гибридных семян сначала были созданы инбредные линии лучших сортов. Через $5-6$ лет инбридинга производят отбор лучших линий и испытывают их на наилучшее соединение. Линии с высокой комбинационной способностью, которые дают при гибридизации наибольший эффект гетерозиса, размножают и используют для массового получения гибридных семян.
Замечание 1
Применение гетерозиса позволяет многократно увеличить продуктивность сельского хозяйства. А это имеет важное значение для решения одной из важнейших глобальных проблем человечества – продовольственной проблемы.
Установите соответствие между методами и областями науки и производства, в которых эти методы используются: к каждой позиции, данной в первом столбце, подберите соответствующую позицию из второго столбца.
Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
| A | Б | В | Г | Д | Е |
Пояснение.
Биотехнология - это производство необходимых человеку продуктов и материалов с помощью живых организмов, культивируемых клеток и биологических процессов.
Селекция: получение полиплоидов; испытание по потомству; гетерозис. Биотехнология: метод культуры клеток и тканей; использование дрожжей для производства белков и витаминов; метод рекомбинантных плазмид.
Ответ: 122211.
Примечание .
Плазмиды – мелкие кольцевые молекулы ДНК, присутствующие в клетках бактерий. Они содержат дополнительную генетическую информацию, способны автономно, независимо от ДНК хромосом, реплицироваться; некоторые плазмиды обладают способностью встраиваться в хромосому бактерии и выходить из нее; некоторые могут переходить из одной клетки в другую. В генетической инженерии наиболее широко используется три типа плазмид F, P и Col. Метод создания рекомбинантных плазмид был разработан П.Бергом в 1972г. Ими была создана рекомбинантная плазмида, содержащая галактозный оперон E.coli. В плазмиду могут быть включены природные или синтезированные гены. После проникновения в клетку бактерии рекомбинантная плазмида может функционировать и размножаться автономно, либо включаться в ДНК хромосомы бактерии. Таким методом в клетки бактерии были введены гены человека и созданы штаммы бактерий-суперпродуценто соматостатина, интерферона, инсулина, гормоны роста человека, быка, глобин животных и человека.
Разработка биотехнологии производства интерферона – сложный процесс, требующий строгой регламентации действий на многочисленных этапах. Рассмотрим получение интерферона с помощью технологии рекомбинантной ДНК . Рекомбинантную молекулу ДНК получают встраиванием определенных генов в ДНК. С помощью ферменто-рестриктаз «разрезают» участки исходной ДНК и выделяют нужные гены. Другой фермент – лигаза – «вшивает» гены в новую ДНК. Микроорганизмы с рекомбинантной ДНК при их выращивании производят нужный продукт.
Вначале выделенную из крови доноров и находящуюся в культуре суспензию лейкоцитарных клеток обрабатывают вирусом, оказывающим индуцирующий эффект на биосинтез интерферона. В дальнейшем из лейкоцитов получают иРНК, программирующую биосинтез интерферона. Даже в индуцированных вирусом Сендай лейкоцитах иРНК содержится не более 0,1 % (Смородинцев А.А., 1985).
С помощью фермента обратной трансриптазы (ревертазы) на полинуклеотидной основе иРНК синтезируют комплементарную ей одноцепочечную копию ДНК (кДНК). Этому этапу предшествует синтез дезоксирибонуклеотида – затравки, состоящей из 32 мононуклеотидов, которая при гибридизации взаимодействует с соответствующим комплементарным участком выделенной из лейкоцитов иРНК и в дальнейшем выступает в качестве стартовой отметки, от которой начинается РНК-зависимый синтез одной из цепей ДНК (кДНК).
На следующем этапе на отделенной от гибридной структуры ДНК –РНК одноцепочечной кДНК осуществляется биосинтез второй комплементарной цепи ДНК. Чтобы обеспечить в синтезированной к ДНК комплементарность липких концов, к ним присоединяются линкеры (переходники). Они являются синтезированными химическим путем короткими участками ДНК, имеющими разные липкие концы. Обработка рестрикционной эндонуклеазой концов кДНК, а также подобранной плазмиды вектора. Которая в результате ферментативного гидролиза расщепляется рестриктазой с образованием линейной молекулы ДНК с липкими концами, позволяет соединить кДНК с плазмидой и благодаря липким концам и с помощью ДНК-лигазы образовать кольцевидную рекомбинантную плазмиду с синтезированной кДНК, в которой находится ген, кодирующий биосинтез а-интерферона.
Затем рекомбинантную плазмиду необходимо ввести в бактериальную клетку. Следующий этап – поиск бактериальной клетки, содержащей ген интерферона. По такому признаку, как способность к гибридизации, идентифицируют бактерии, содержащие рекомбинантные плазмиды с включенным в них геном, кодирующим синтез интерферона. Эти рекомбинантные плазмиды из бактерий выделяют и с помощью рестриктаз получают гены интерферона. Эукариотический интерфероновый ген в бактериальной клетке кодирует синтез «сырого» интерферона, для превращения которого зрелый интерферон в эукариотических клетках нет необходимых условий. Для преодоления этого препятствия эукариотический ген в условиях in vitro перестраивают, удаляя соответствующей рестриктазой ту часть нуклеотидов, которые кодируют информацию, не входящую в молекулу функционального интерферона. При этом в ходе рестриктазной реакции получается «перебор». Одновременно удаляется триплет, кодирующий синтез первой аминокислоты в полипептидной цепи интерферона. Этот, а также предшествующий ему инициирующий биосинтез полипептидной цепи кодоны синтезируют химическим путем и присоединяют к гену интерферона. Созданный в результате сложных манимуляций ген переносится в плазмиду, где он совмещается с бактериальным промотором, а затем вводится в бактериальную клетку-хозяин. Таким сложным многоэтапным путем создан штамм-продуцент E.coli. В 1 л бактериальной суспензии, содержащей около 1011 клеток, концентрация а-интерферона достигает 5 мг, что в 5 тыс. раз больше того количества, которое можно получить из 1 л донорской крови.
Гетерозис (гибридная сила) - увеличение мощности, жизнеспособности и продуктивности (или гибридной мощности) гибридов первого поколения по сравнению с родительскими формами.
Понятие гетерозиса было введено в науку американским генетиком В.Шеллом в 1914 году. Впервые это явление обнаружил в 1772 году И.Кельрейтер при скрещивании двух видов табака. В дальнейшем Ч. Дарвин изучал это явление в опытах по опылению кукурузы.
Гетерозис в природе свойственен всем организмам. Он возник вместе с появлением диплоидности и полового процесса и непосредственно связан с гетерозиготностью.
О гетерозисе можно говорить в том случае, когда гибридное потомство превосходит обоих родителей по отдельным признакам, например, по степени развития вегетативных органов, урожайности, устойчивости к болезням, вредителям и т.д.
Однако, лишь определённые пары родительских форм дают гетерозисное потомство. Какие пары конкретно дадут наибольший эффект от скрещивания, селекционеры точно сказать не могут и, в основном, это выясняется путём экспериментов. Также известно, что гетерозис в полной мере проявляется лишь в первом поколении, в последующих гибридная мощность резко снижается (рис.4). Это явление связано с уменьшением гетерозиготности растений в гибридных популяциях.
Рис.4. Проявление эффекта гетерозиса в F 1 и его снижение в последующих поколениях, % - относительная урожайность гибридов F 2 и F 3 по сравнению с F 1
Длительное самоопыление приводит к появлению растений, гомозиготных по большинству генов или почти по всем генам. В случае гетерозигот исходной формы по одной паре аллелей в каждом последующем поколении при самоопылении доля гетерозиготных растений будет уменьшаться вдвое и соответственно увеличиваться доля гомозиготных особей: в первом поколении их будет 50%, во втором 75%, в третьем 87,5% и т.д. Доля гетерозиготных и гомозиготных особей при самоопылении рассчитывается по формулам: (1/2) n для гетерозигот и 1-(1/2) n для гомозигот, где n - число самоопылений.
Инбридинг (получение потомства от скрещивания родственных между собой особей) исходной формы, геторозиготной по одной паре аллелей (Аа), приводит к возникновению гомозигот уже двух разных типов.
Таким образом, формы, гетерозиготные по любой паре аллелей, в результате длительного инбридинга превращаются в линии, гомозиготные по этим аллелям. Чем больше пар аллелей, по которым гетерозиготно исходное растение, тем больше разных гомозиготных линий может получиться при длительном самоопылении.
Гетерозис в общей форме есть результат создания гетерозиготности в процессе скрещивания и возникновения новых взаимодействий между генами. Важнейшее отличие гетерозисных гибридов от обычных гибридных сортов состоит в том, что они используются в производстве лишь в первом поколении, а поэтому у однолетних культур их нужно получать ежегодно.
При гетерозисе не обязательно происходит усиление всех свойств и признаков организма. Один из них может проявляться сильнее, чем другие, а по некоторым признакам гетерозис может совсем отсутствовать. То есть дискретная природа наследственности определяет дискретное проявление гетерозиса.
Существуют различные теории гетерозиса. Первая попытка теоретического объяснения этого явления была сделана американскими исследователями Г. Шеллом и Э. Истом в 1908 году. Учёные считали, что соединение при гибридизации гамет с разным набором генов уже само по себе стимулирует более быстрое развитие зародыша и рост гибрида. То есть гетерозиготность является основной причиной гибридной мощности. Эта теория получила название теория сверхдоминирования (гетерозиготности).
Явление сверхдоминирования проявляется в том, что в ряде случаев гетерозиготные особи (Аа) превосходят по мощности не только особей с рецессивной гомозиготой (аа), но и особей с доминантной гомозиготой (АА):
Аа>АА>аа
Гипотеза гетерозиготности получила экспериментальное подтверждение в работах многих учёных на различных объектах (ячмене, кукурузе, томатах и других культурах).
Теория сверхдоминирования указывает на важное значение для возникновения гибридной мощности наследственной разнокачесвенности, которая создаётся в результате гетерозиготного состояния в одинаковых локусах гомологичных хромосом. Поскольку, как правило, максимальный гетерозис проявляется в результате скрещивания неродственных особей, то, согласно теории, эффект гетерозиготного состояния тем выше, чем больше различаются аллели каждого локуса.
Теория гетерозиготности обясняет многие случаи гетерозиса, но не охватывает всё многообразие этого сложного явления.
Теория доминирования (взаимодействия благоприятных доминантных факторов) была сформулирована Г. Девенпортом в 1908 году, дополнена А. Б. Брусом и наиболее полно изложена Д. Джонсом в 1917 году. В её основе лежит представление о том, что в процессе эволюции одни гены, которые благоприятно воздействуют на рост и развитие организма, становятся доминантными и полудоминантными, а другие гены, действующие неблагоприятно - рецессивными. По этой теории гетерозис связан с многосторонним действием доминантных генов: во -первых, они подавляют возможное вредное действие своих рецессивных аллелей; во-вторых, обладают аддитивных (суммирующим) эффектом в отношении многих количественных признаков, в отношении которых и проявляется гетерозис. Например, если какой-либо признак контролируется двумя доминантными генами А и В, тогда их сочетание в гибриде вызовет наиболее выраженный такой признак (рис.5).
Рис.5.
По этой теории при скрещивании двух самоопылённых линий aaBBccDD и AAbbCCdd пониженная жизнеспособность первой связана с проявлением вредного действия рецессивных генов а и с, а второй - с b и d. В полученном от скрещивания этих линий гибриде AaBbCcDd доминантные гены защитят гетерозиготу от действия рецессивных аллелей.
Некоторые доминантные гены могут подавлять действие не только своих рецессивных аллелей, но и доминантных генов других пар аллелей. Это явление получило название эпистаза.
Гипотеза доминирования в целом объясняет основные особенности гетерозиса и депрессию при инбридинге. На её основе успешно осуществлялась селекция кукурузы в течение многих лет.
Теория доминирования не исключает также и теорию гетерозиготности, их также можно рассматривать как составляющие одной общей теории гетерозиса.
Концепция генетического баланса была выдвинута Лернером (1954) и поддержана Н. В. Турбиным (1961). Она исходит из того, что характер проявления любого признака у каждого родительского сорта или линии представляет собой результат выработанного в ходе отбора определённого равновесия в разнонаправленном действии на признак многих генов и условий окружающей среды, в которой происходит развитие организма. При скрещавании различающихся в наследственном отношении родительских форм у получаемых гибридов изменяется генетический баланс, что может вызвать изменение степени проявления того или иного признака.
Эта концепция позволяет соединить теории гетерозиготности и доминирования, учесть различные факторы (цитоплазмические, физиологические, биохимические) и условия окружающей среды. Однако, она не даёт представления об удельном весе каждого из факторов и типов взаимодействия наследственных факторов, лежащих в основе гетерозиса.
Концепцию компенсаторных комплексов предложил В. А. Струнников в 1983 году, которая объединила представления об аллельных и неаллельных взаимодействиях генов, обеспечивающих гетерозис. Компенсаторный комплекс - комплекс генов и их алллелей, который подбирают при получении инбредных линий. Он нивелирует отрицательные эффекты высокого уровня гомозиготности, а при гибридизации даёт эффект гетерозиса.
В сельскохозяйственных странах гетерозис широко используется при возделывании кукурузы, сахарной и кормовой свёклы, сорго, лука, томата, перца, огурца, моркови, тыквы, клещевины и других культур. Разработка приёмов создания гетерозисных гибридов различных культур - одно из крупнейших достижений современной генетики.
Раньше всего явление гетрозиса в больших масштабах стали использовать у кукурузы. Обычные сорта этой культуры почти полностью вытеснены гетерозисными гибридами первого поколения. Основные посевы кукурузы на зерно занимают двойные межлинейные (рис.5) и сортолинейные гибриды. Двойные межлинейные гибриды получают от скрещивания двух простых межлинейных гибридов (четырёх самоопылённых линий), а сортолинейные - от скрещивания сорта с самоопылённой линией или простого межлинейного гибрида с сортом.
В отличие от комбинационной селекции, при которой скрещивания проводят, чтобы создать генетическую изменчивость для обора, при селекции гетерозисных гибридов скрещивание служит для массового получения семян и их дальнейшего практичского использования.
Гетерозис - это общебиологическое явление, свойственное всем видам живых организмов. На практике его также используют в животноводстве и птицеводстве. Проведение межпородных и межлинейных скрещиваний даёт возможность значительно увеличить производство мяса, молока, яиц и других продуктов при одних и тех же затратах кормов.
