Гетерозис и его биологическая сущность. Гетерозис Какого биологическое значение гетерозиса
1.1. Под термином гетерозис в широком смысле слова понимают все положительные эффекты, ведущие к превосходству гибридов первого поколения (F 1) над родительскими формами.
Гетерозис (от греч. heteroiosis - изменение, превращение), «гибридная сила», ускорение роста к увеличение размеров, повышение жизнестойкости и плодовитости гибридов первого поколения по сравнению с родительскими формами при различных скрещиваниях как животных, так и растений. Гетерозис в полной мере проявляется в первом гибридном поколении. Во втором и последующих поколениях Г. обычно затухает. У вегетативно размножающихся растений, например у картофеля, сахарного тростника и др., гетерозис передается вегетативному потомству стойко, так как все растения клона генотипически соответствуют исходной материнской особи.
Преимущества гетерозисных гибридов : высокое качество семян, повышенный урожай, устойчивость к многим болезням, очень ранние сроки созревания.
Недостатки гетерозисных гибридов : высокая цена семян, высокие требования к агротехнике, высокая генетическая однородность гибридов приводит к сильному распространению заболеваний, невозможность воспроизведения и собора семена.
Селекция гетерозисных гибридов имеет большое значение для сельскохозяйственного производства. Эти гибриды часто по урожайности превышают обычные свободноопыляющиеся сорта на 30% и выше. В некоторых случаях гетерозисный эффект достигает 50%. Широко используется явление гетерозиса в селекции кукурузы, сорго, под солнечника, томата, тыквы, огурца, арбуза, лука, капусты, сахарной свеклы, декоративных растений. Его начат применять также в селекции риса, пшеницы, хлопчатника.
1.2. ФАКТОРЫ, ОБУСЛОВЛИВАЮЩИЕ ГЕТЕРОЗИС
Долгое время явление гетерозиса пытались объяснить отдельными генетическими факторами. Возникло несколько гипотез.
Так, гипотеза сверхдоминирования объясняет проявление гетерозиса гетерозиготным состоянием гибридов.
Вторая классическая гипотеза о проявлении гетерозиса, так называемая гипотеза доминирования , исходит из того, что не гетерозиготное состояние само по себе, а вызванное скрещиванием накопление доминантных аллелей продуктивности приводит к гетерозису.
Многие исследования, проведенные после появления указанных гипотез, показали, что причины проявления гетерозиса комплексные . Очевидно, гетерозис обусловлен физиологической сбалансированностью процессов обмена веществ , что достигается гетерозисными гибридами легче, чем гомозиготными формами.
На основании этого была выдвинута концепция генетического баланса . Оказалось, что и ядерно-плазматические взаимодействия могут влиять на обусловленную генами хромосом сбалансированность гибридов, особенно если в гибридном идиотипе присутствуют генетически различные митохондрии, что может привести к усилению дыхания и энзиматической активности. Таким образом, гетерозис определяется не только генотипической, но и плазматической конституцией гибридов.
1.3. ТИПЫ ГИБРИДОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ПРОИЗВОДСТВЕ
Различают следующие типы гибридов производственного использования:
1) межлинейные:
Простые - от скрещивания двух самоопыленных линий;
Трехлинейные - от опыления простого межлинейного гибрида пыльцой самоопыленной линии;
Двойные - от скрещивания двух простых межлинейных гибридов;
Сложные межлинейные гибриды - получаемые с участием более четырех самоопыленных линий;
2) сортолинейные:
Простые - от опыления сортов пыльцой линии;
Сложные - от опыления сорта пыльцой простого межлинейного гибрида;
3) линейносортовые - от опыления простого гибрида пыльцой сорта;
4) межсортовые гибриды - от скрещивания двух сортов;
5) гибридные (синтетические) популяции - получаемые путем смешения семян простых гибридов и других компонентов» их свободного переопыления.
Наиболее высокую прибавку урожая дают гибриды, полученные с участием самоопыленных линий.
1.4. ОБЩАЯ СХЕМА СЕЛЕКЦИИ ГЕГЕРОЗИСНЫХ ГИБРИДОВ
Гетерозисная селекция состоит из нескольких этапов. Селекционная работа начинается с выбора исходного материала, из которого создают самоопыленные линии. Затем изучают комбинационную способность этих линий, а наиболее пригодные к комбинированию используют в качестве родительских форм для создания простых, двойных и других типов гибридов и для составления гибридных популяций.
Под гетерозисом понимают превосходство потомства первого поколения над родительскими формами (лучшей родительской формой) по жизнеспособности, конституциональной крепости, выносливости и продуктивности, возникающее при скрещивании разных рас, пород животных и их зональных типов (Е.К. Меркурьева и др., 1991 ).
Некоторые ученые считают эффектом гетерозиса и те случаи, когда потомство, полученное в результате скрещивания, имеет показатели хозяйственно полезных признаков, превышающие средние между родительскими формами, не превосходя лучшие из них.
Селекция на получение гетерозиса непосредственно связана с теорией и практикой племенного отбора и подбора и служит одним из путей повышения продуктивности животных. Родственное спаривание сопровождается инбредной депрессией, повышением гомозиготности инбредного потомства и увеличением генетического сходства потомка с предком. Противоположными биологическими и генетическими свойствами обладает гетерозис.
Основными показателями гетерозиса являются повышение эмбриональной и постэмбриональной жизнеспособности; снижение затрат корма на единицу продукции; повышение скороспелости, плодовитости, продуктивности; проявление более широких возможностей приспособления к смене условий и новым элементам технологии. Широкий диапазон эффекта гетерозиса, проявляющийся в многообразии реагирующих признаков, является отражением физиологических и биохимических процессов, обусловленных особенностями генетического аппарата гетерозисных животных. Одной из особенностей его является наибольшая степень выраженности лишь в 1 поколении гибридов или помесей. Затем гетерозис незаметно затухает и исчезает в следующих поколениях при скрещивании гибридов друг с другом, если не принимается специальных мер для сохранения эффекта гетерозиса.
Явление гетерозиса, или "гибридной силы", было замечено в практике Животноводства в давние времена, в частности при получении мулов скрещиванием осла с кобылой. Мощнее исходных форм получаются также гибриды от двугорбого и одногорбого верблюдов (батриан+дромедар= нары и майя), от яка и коровы (хайнаки).Ч. Дарвин впервые дал научное объяснение "гибридной силы", которая возникает у потомства при скрещивании неродственных организмов. Он объяснял этот эффект биологическим несходством мужских и женских гамет, которое вызывается влиянием различий окружающей среды, в которой обитают родители.
Термин "гетерозис" был введен Г. Шеллом (1914), который объяснял наличие "гибридной силы" состоянием гетерозиготности в генотипе организма, формирующейся в результате скрещивания.
Попыток вскрыть механизм самого процесса сочетаемости наследственных факторов, обусловливающего эффект гетерозиса, было много. Шелл и Ист предложили гипотезу сверхдоминирования . Гипотеза гетерозиса, сформулированная Шеллом, Истом и Хейсом, объясняет явление гетерозиса наличием гетерозиготности различных локусов и проявляющимся при этом сверхдоминированием, то есть когда действие гетерозиготы Аа на проявление фенотипа оказывается сильнее, чем гомозиготного доминантного генотипа АА (то есть эффект действия Аа больше действия АА). Т.о. суть ее заключается в том, что высокая гетерозиготность лучше, чем гомозиготность, обеспечивает разнообразие и усиление физиологических функций организма. Значение гетерозиготности было подтверждено работами Н.П. Дубинина, М. Лернера и других ученых.
Другое объяснение гетерозиса, сформулированное Кийблом и Пеллью (1910), основано на том, что при скрещивании организмов, несущих в генотипе разные гомозиготные гены, например ААbb и ааВВ, у помесного потомства рецессивные аллели переходят в гетерозиготную форму генотипа АаВb, при которой устраняется вредное действие рецессивных генов. Влияние доминантных генов на проявление гетерозиса может быть объяснено простым суммарным действием большого количества доминантных генов, то есть имеет место аддитивный эффект.
К. Давенпорт (1908) и Д. Джонс (1917) предложили объяснять гетерозис исходя из гипотезы взаимодействия неаллельных доминантных генов обоих родителей, что дает суммарный эффект, вызывающий гетерозис. Кисловский Д.А. для объяснения гетерозиса выдвинул гипотезу облигатной гетерозиготности , согласно которой в организме имеются гены с двойным действием - полезным и вредным. В одном направлении это действие полезно, в другом нейтрально или даже вредно для организма. В процессе эволюции выживают те организмы, у которых положительное действие генов выявилось в гетерозиготном состоянии, а вредное оказалось в рецессивном. Гетерозис прежде всего полезен самому организму животного, происходящему от скрещивания. Отсюда следует, что высокая степень гетерозиготности - причина гетерозиса .
Для объяснения явления гетерозиса в последние годы была выдвинута зоотехническая концепция гетерозиса (А.И. Овсянников, И. Н, Никитченко и другие ) суть которой заключается в следующем:
- 1. Концепция контрастных скрещиваний. Согласно ей, эффективность скрещивания связывается в основном с контрастными и противоположными по направлению и типу телосложения родительскими парами. Принцип подбора пар для получения гетерозиса основан на проверенном эффекте гетерогенного спаривания маток с отдельными признаками продуктивности в сочетании с ценными признаками отца. Сочетание редких крайностей не допускается (идет комплексный подбор). Повышение жизнеспособности, гибридной силы должно достигаться подбором пород и особей, различных по экстерьеру, обмену веществ, интерьерным показателям.
- 2. Принцип дополняющего действия. Ведущая роль в формировании гетерозиса принадлежит сочетающейся различиями наследственности исходных пород. При этом определено, что гетерозис представляет собой сложное биологическое явление, в котором решающее значение имеют 4 группы факторов:
- а) прямое действие генов (уровень и число продуктивных качеств исходных пород);
- б) материнский (реципрокный) эффект;
- в) дополняющее действие генетических факторов (аддитивное), действие доминантных генов, накопление которых в потомстве при скрещивании усиливают развитие признака, вызывая гетерозис;
- г) условия жизни приплода I поколения.
Практикой апробированы различные методы получения гетерозисных животных. К ним относятся: межвидовые скрещивания, межпородные скрещивания, внутрипородные скрещивания при гетерогенном подборе, межлинейные кроссы, кроссы специально создаваемых инбредных линий, спаривание животных, выращенных в различных условиях. Каждый из этих методов имеет свои особенности и может быть использован для получения гетерозиса не по всем, а лишь по определенным признакам. Какие бы методы не использовали для получения гетерозиса, большое значение имеют индивидуальные особенности производителя. Чем ценнее его происхождение и выше способность передавать свои качества потомству, тем при прочих равных условиях будет выше степень проявления гетерозиса.
Огромная роль гетерозиса в повышении продуктивности и улучшении других хозяйственно-полезных признаков животных побуждала многих ученых изыскивать пути длительного закрепления его или хотя бы сохранения в течение нескольких поколений. Д.А. Кисловский одним из первых теоретически обосновал возможность использования гетерозиса в последующих поколениях при межпородном переменном скрещивании. Он утверждал, что при таком скрещивании как бы комбинируются особенности и положительные стороны поглотительного и промышленного скрещиваний.
Существуют и другие биохимические объяснения гетерозиса . Считается, что главной причиной гибридной мощности служит формирование на хромосомах чувствительных копий структурных генов, которые образуют избыток информации в клетках и определяют высокую сочетаемость процессов метаболизма (Северин, 1967 ). Объяснения гетерозисному эффекту можно найти в суждениях, что у помесей присутствуют полиморфные типы белков (изоферменты), которые различаются некоторыми свойствами. У родительских форм отсутствует полиморфизм ферментов, а при их скрещивании у помесей формируется полиморфизм и число полиморфных локусов у них поэтому больше, чем у родителей. Это, по мнению некоторых ученых (Финчем, 1968; Кирпичников, 1974 ), объясняет эффект сверхдоминирования.
Ф.М. Мухаметгалиев (1975) считает, что взаимное стимулирование геномов при оплодотворении равносильно аддитивному эффекту объединенных генетических систем и является основой появления гетерозиса, но не является причиной возникновения новых качеств в генетическом материале, поэтому гетерозис проявляется в количествнных изменениях признаков и имеет полигенный тип наследования.
Новый подход в объяснении гетерозисного эффекта предлагает В.Г. Шахбазов (1968). Он считает, что гетерозис имеет биофизическую основу, так как при оплодотворении происходит обмен электрическими зарядами гомологичных хромосом, что повышает активность хромосом в гибридных зиготах. Это приводит к накоплению кислых белков и РНК, повышает ядрышко-ядерное соотношение и увеличивает скорость митотического деления.
Приведенные объяснения причин гетерозисного эффекта указывают на отсутствие единства в научном объяснении явления гетерозиса, и поэтому проблема остается для дальнейшего изучения и рассмотрения. Несмотря на это, в практике животноводства осуществляют приемы селекции животных на закрепление и усиление эффекта гетерозиса. Существует несколько приемов для вычисления величины эффекта гетерозиса. Выделяют так называемый истинный тип гетерозиса , который определяется по величине превосходства признака у помесных животных над обоими родительскими формами. Другой тип гетерозиса - гипотетический , когда признаки помесного потомства превосходят среднеарифметический уровень признака обоих родителей.
Профессор Н.А. Юрасов определяет линию как микропороду. С этой точки зрения удачный кросс линий можно рассматривать как результат проявления гетерозиса. Подобно тому, как гетерозис при межпородных скрещиваниях является результатом генетического разнообразия родителей, так и гетерозис при кроссах линий можно объяснить тем же явлением. Чем тщательнее селекционированы и консолидированы кроссируемые линии, тем более высокий эффект можно ожидать.
Испытание родительских пар и целых линий на сочетаемость для получения гетерозиса лежит в основе одного из эффективных приемов, который получил название непрерывной реципрокной селекции . Современные представления о причинах появления гетерозиса основаны на том, что гетерозис является результатом взаимодействия многих генов. Их множественное действие и приводит к гетерозисному эффекту. Такое объяснение получило название балансового гетерозиса (Добжанский, 1952 ).
Выявлен экологический тип гетерозиса (Меркурьева, 1980 ), который вызывается процессом акклиматизации и проявляется у животных первой экологической генерации. Этот тип гетерозиса проявился в повышенной молочности потомства, родившегося в Рязанской области от айрширских коров, завезенных из Финляндии. В последующих поколениях удои снижались до уровня, соответствующего генетическому потенциалу завезенной группы коров.
С целью специального использования гетерозиса в зоотехнии разработаны методы промышленного и переменного скрещивания. В таких случаях скрещивают чистопородных животных двух пород, а их потомство, превосходящее представителей исходных пород, целиком или в большей части используют для откорма и забоя на мясо. Больше всего примеров проявления гетерозиса у животных разных видов отмечено при межпородных скрещиваниях. В мясном скотоводстве при скрещивании разных пород помеси I поколения превосходят исходные породы по живой массе. У молочного скота эффект гетерозиса наблюдается чаще по общему количеству молочного жира за лактацию, особенно при скрещивании коров различных пород с быками джерсейской породы.
Способ предназначен для использования в сельском хозяйстве. Цель - значительное повышение эффективности гибридизации сельскохозяйственных культур. Гетерозис гибридов проявляется только в первом поколении. Установлено, что затухание гетерозиса в последующих поколениях гибрида в основном происходит из-за перехода рецессивных леталей, полулеталей и субвиталей в гомозиготное состояние и нарушения комплекса благоприятных скоординировано действующих генов. Устранение этих явлений приводит к закреплению гетерозиса в последующих поколениях. Оно выполняется посредством возвратных скрещиваний гибрида с искусственно полученными от него абсолютно гомозиготными андрогенетическими сыновьями, после чего генетически трансформируемый гибрид практически полностью очищается от вредных генов и одновременно сохраняет в целости комплекс благоприятных генов, определяющих гетерозис. Это позволяет полностью сохранить гетерозис в последующих уже промышленных поколениях, полученных в результате несложных внутригибридных скрещиваний, что доказано экспериментами на тутовом шелкопряде. Способ также предназначен для сельскохозяйственных растений, у которых возможно получение андрогенетических абсолютно гомозиготных особей. 3 з.п.ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к способам, используемым в сельском хозяйстве. Общеизвестен естественный способ сохранения гетерозиса в ряду последующих поколений посредством вегетативного размножения у растений, дополнительно обладающих половым размножением. Многочисленные исследования в этой области на других растениях, не способных к вегетативному размножению, и животных не увенчались полным успехом (1), потому что природа гетерозиса все еще оставалась большой загадкой генетики (2). В литературе не было высказано даже сколько-нибудь реальных теоретических подходов к кардинальному решению этой важной проблемы. У некоторых животных гетерозис можно закрепить клонированием. Однако этим способом пока получают единицы идентичных матери потомков. У тутового шелкопряда клонирование разработано более успешно, но для практического использования в плане сохранения гетерозиса оно не приемлемо по двум причинам: из-за большой трудоемкости массового получения партеногенетического потомства и меньшей, по сравнению с самцами, продуктивности женского пола, из которого состоят клоны (3). Перспективные результаты получены авторами после того, как они разработали метод мейотического партеногенеза и получили от партеногенетических клонов абсолютно гомозиготных самцов тутового шелкопряда (4). Их возвратное скрещивание с партеногенетическим клоном гибридного происхождения позволило закреплять гетерозис в беккроссных поколениях (5). Но это было открытием лишь принципиальной возможности закрепления гетерозиса. Практического же значения этот метод не имел и, следовательно, не мог быть запатентован в качестве способа. Это объяснялось тем, что гомозиготных самцов могли получать только от высокожизнеспособных женских партеноклонов с высокой склонностью к партеногенезу. У коммерческих пород и гибридов абсолютных гомозиготов практически получать не удавалось, поэтому мейотический партеногенез был использован только для рекогносцировочных опытов, направленных на выяснение возможности решения проблемы. Изобретение способа закрепления гетерозиса у тутового шелкопряда, пригодного для производства, стало возможным после открытия авторами односпермичного андрогенеза (1998, неопубликовано). Сущность изобретения. Гетерозис проявляется только в первом поколении гибрида. В последующих поколениях, начиная со второго, он резко затухает. Поэтому, чтобы вырастить гетерозисный гибрид приходится каждый раз вновь повторять межсортовую или межпородную гибридизацию. Этот процесс технически сложный и весьма трудоемкий, а применительно ко многим растительным культурам он просто невыполним, хотя их гибриды, если бы они были получены, дали бы удивительно высокие урожаи по сравнению с родительскими формами. Примером этого служат многие сельскохозяйственные растения. Эти проблемы были бы кардинально решены, если бы удалось разработать эффективный способ закрепления гетерозиса в последующих поколениях. Такой способ одновременно открыл бы совершенно новый подход к созданию еще более выдающихся по гетерозису гибридов. Известно, что любой промышленный гибрид получают посредством скрещивания огромной массы индивидуумов двух родительских форм. А эти индивидуумы весьма дифференцированы по комбинационной способности. Поэтому производство довольствуется средним гетерозисом по всем вместе взятым индивидуальным гибридам, каждый из которых происходит от половых клеток двух родителей. В то время как редкие индивидуальные гибриды обладают поистине фантастическим гетерозисом, в следующем поколении он безвозвратно теряется. Предлагаемый способ позволит закреплять этот мощный гетерозис в последующих поколениях гибрида и размножать его в неограниченных количествах. Одной из причин гетерозиса считали благоприятное действие на развитие и жизнедеятельность организма гетерозиготности вообще всех генов, независимо от их специфичности (гипотеза "сверхдоминирования"). Авторы на тутовом шелкопряде экспериментально доказали, что гетерозис возникает в результате двух главных причин. Первая - интеграция в генотипе гибридов большого количества скоординированных в своем действии благоприятных генов, контролирующих жизнеспособность. Вторая - переход в гетерозиготное состояние не всех генов генотипа, а только рецессивных деталей, полулеталей и субвиталей (4). На фиг. 1 приведены доказательства этого. Следовательно, снижение гетерозиса в последующих поколениях гибридов в основном объясняется неизбежным при скрещивании гибрида в его пределах переходом части рецессивных деталей и полулеталей в гомозиготное состояние и нарушением в процессе мейоза комплекса благоприятных генов, повышающих жизнеспособность. Поэтому авторы пришли к выводу, что закрепить гетерозис в последующих поколениях можно, если в генотипе гибрида полностью сохранить или даже улучшить комплекс всех благоприятных генов и практически полностью удалить из генотипа рецессивные летали и полулетали. Эта задача решена авторами следующим способом. В качестве исходного материала выбирают генетически отдаленные две породы, от скрещивания которых возникают наиболее высокогетерозисные гибриды. От этих двух пород получают серию индивидуальных гибридов, каждый из которых происходит только от двух родителей. Путем сравнительных испытаний выбирают 10 лучших по гетерозису индивидуальных гибридов. От каждого гибрида получают абсолютно гомозиготных потомков методом односпермического андрогенеза, выполнение которого доступно селекционерам. Для этого неосемененных самок любой породы облучают - лучами в дозе 80 кр. Затем самки спариваются с самцами индивидуальных гибридов. Отложенные яйца в возрасте 60-80 минут после откладки при температуре 25 o C прогревают 210 минут в воде, нагретой до 38 o C. Абсолютные гомозиготы в подавляющем большинстве погибают на разных стадиях развития из-за того, что в гаплоидном генотипе, доставшимся им от отца, содержится много летальных, полулетальных и субвитальных генов. При диплоидизации ядра пронуклеуса они переходят в гомозиготное состояние, чаще всего несовместимое с нормальным развитием организма. Выживают только те гомозиготы, которым в ходе мейоза не досталось или досталось, но очень мало, вредных генов, в основном слабого действия (5). Выращенных абсолютно гомозиготных особей возвратно (беккросс) скрещивают с исходным гибридом, получая, таким образом, первое беккроссное поколение (фиг. 2). Созревание исходного гибрида и абсолютных гомозиготов должно быть синхронизировано путем задержки начала выращивания первого на время, равное продолжительности цикла развития взятого объекта. Простые расчеты показывают, что в беккроссном потомстве новые гомозиготы сильных по вредности генов не могут появиться, а гомозиготы субвитальных генов, если они не были элиминированны у выживших гомозиготных андрогенов, подавляются комплексом благоприятных генов, доставшихся от исходного гибрида. Вот поэтому гетерозис сохраняется во всех беккроссных поколениях (фиг. 3). С первыми и последующими беккроссными поколениями поступают точно так же, как и с исходным гибридом (фиг. 2). Дальнейшие беккроссы приводят, во-первых, к почти полному удалению деталей и полулеталей из генотипа гибрида и, во-вторых, к сохранению той численно преобладающей части генов, которые обеспечили гетерозис в исходном гибриде. После 5 или 6 беккроссов очищенный от вредных генов гибрид массово размножают путем внутригибридного скрещивания. У потомства, полученного в результате такого размножения, гетерозис не только сохраняется на уровне исходного гибрида, но и даже несколько усиливается (фиг. 4), что свидетельствует о полном решении проблемы закрепления гетерозиса у тутового шелкопряда. Полная общность генетических основ гетерозиса и его затухания у животных и растений позволяет данное изобретение рекомендовать для закрепления гетерозиса у сельскохозяйственных растений, у которых возможно получение от гибридов абсолютно гомозиготных особей андрогенного происхождения. Их получают путем стимулирования эмбрионального развития гаплоидной пыльцы с последующим превращением ее зародышевых клеток в диплоидные, развивающиеся в жизнеспособные фертильные растения. Методика варьирует в зависимости от биологических особенностей культуры. Графические материалы. Фиг. 1 А. Показана прямая зависимость между урожаем коконов тутового шелкопряда - основной показатель гетерозиса (1) и уровнями гетерозиготности (2) генетических вариантов гибрида неочищенных от леталей и полулеталей. Показатели урожая и гетерозиготности исходного гибрида первого варианта (1) приняты за 100%. Б. Показано полное отсутствие зависимости между урожаем коконов (1) и уровнями гетерозиготности (2) у генетических вариантов, очищенных от леталей и полулеталей. Это доказывает несостоятельность гипотезы гетерозиса "сверхдоминирования" и возможность сохранения гетерозиса в беккроссных поколениях. Фиг. 2. Схема очищения гибридов тутового шелкопряда от рецессивных леталей и полулеталей посредством возвратных скрещиваний гибридов с полученными от них абсолютно гомозиготными самцами А и Б породы. F 1 , F 2 - гибрид первого и второго поколения. F b1 , F b2 - первое и второе беккроссное поколение. Фиг. 3. Жизнеспособность исходного гибрида (1) и беккросных поколений (II), полученных по схеме, представленной на фиг. 2. Фиг. 4. Демонстрирует показатели частоты вредных генов в гетерозиготном состоянии (1), массы кокона (2), жизнеспособности (3) у исходного гибрида (I) и трансформируемого гибрида после четырех последовательных возвратных скрещиваний с гомозиготными самцами (II), а также у трех последовательных инбредных поколений (III-V). Выкормка каждого генетического варианта проводилась одновременно с контрольным партеногенетическим гибридом, показатели которого принимались за 100%. Во всех генетических вариантах гетерозис выше, чем у исходного гибрида, что свидетельствует о кардинальном решении проблемы закрепления гетерозиса. Стабильное сохранение гетерозиса во всех беккроссных поколениях уже свидетельствовало о принципиальной эффективности разрабатываемого способа. Но беккроссные поколения не применимы в практике из-за сложности их получения. Поэтому в заключительном эксперименте на тутовом шелкопряде изучали возможность закрепления гетерозиса уже не в беккроссных, а в нормальных поколениях. В этом заключительном опыте исходный гибрид вначале подвергался четырем беккроссам с гомозигонтыми самцами. В результате частота гетерозигот по леталям и полулеталям снизилась до 6,2% со 100% в исходном материале. Далее беккроссные поколения размножали инбридингом. Каждое инбредное поколение получали посредствам скрещивания брата с сестрой в пределах каждой отдельно взятой семьи. В результате частота вредных генов, погашенных нормальными аллелями, снизилась в первом инбредном поколении до 4,7, а во втором и третьем - до 3,5 и 2,6% соответственно. Инбредное размножение исключительно пагубно влияет на все хозяйственные показатели нормального инбредного потомства. Но в нашем опыте оно не только не оказало угнетающего действия на инбредное потомство, а, наоборот, привело к повышению у него средней массы одного кокона и жизнеспособности по сравнению с исходным, контрольным гибридом (фиг. 4). Следовательно, проблема закрепления гетерозиса у гибридов последующих поколений кардинально решена. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ 1. Инге-Вечтомов С. И. 1989. Генетика с основами селекции. М. "Высшая школа", на стр. 557. 2. Хатт Ф. 1969. Генетика животных. Пер. с англ. под ред. д-ра биол. наук Я.Л. Глембоцкого. М., "Колос", на стр. 322. 3. Струнников В. А. 1998. Клонирование животных: теория и практика. - Природа, N 7, с.3 -9. 4. Струнников В.А. 1987. Генетические методы селекции и регуляции пола тутового шелкопряда. М. ВО "Агропромиздат", на стр. 35. 5. Струнников В.А. 1994. Природа гетерозиса и новые методы его повышения. - М. Наука, 108 с.
Формула изобретения
1. Способ закрепления гетерозиса гибрида в последующих поколениях, включающий использование возвратных скрещиваний с абсолютно гомозиготными самцами, отличающийся тем, что для сохранения в генотипе гибрида благоприятных генов, определяющих гетерозис, и одновременно для удаления леталей и полулеталей применяют возвратные скрещивания гибридов с полученными от них методом односпермичного андрогенеза андрогенетическими абсолютно гомозиготными самцами и затем после нескольких беккроссов переключают беккроссные поколения на обычное массовое бисексуальное размножение посредством внутригибридных скрещиваний. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что абсолютно гомозиготных самцов тутового шелкопряда получают методом односпермичного андрогенеза, выполняемого путем облучения яиц в теле самки - лучами в дозе 80 кр., последующего спаривания с самцами исходных индивидуальных гибридов и прогрева облученных осемененных яиц в возрасте 60 - 80 мин в воде, нагретой до 38 o C, в течение 210 мин. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью резкого повышения гетерозиса гибридов промышленного назначения, закрепляют гетерозис только у возникших от двух родителей индивидуальных гибридов, проявивших максимальный гетерозис по сравнению с другими одновременно испытуемыми гибридами. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что способ закрепления гетерозиса применяют на гибридах сельскохозяйственных растений, у которых возможно получение андрогенетических абсолютно гомозиготных индивидуумов известными для каждого вида варьирующими методами стимулирования пыльцы к эмбриональному развитию и превращения развивающихся из нее зародышевых клеток в диплоидные абсолютно гомозиготные клетки, развивающиеся в фертильные растения.
В селекции животных и растений особое место занимает явление гибридной мощности, или гетерозиса , которое заключается в следующем.
При скрещивании разных рас, пород животных и сортов растений, а также инбредных линий гибриды F 1 по ряду признаков и свойств часто превосходят исходные родительские организмы. Скрещивание гибридов между собой ведет к затуханию этого эффекта в следующих поколениях. В настоящее время гетерозис установлен для всех изученных видов.
Хотя эффект гетерозиса известен с древнейших времен, его природа до сих пор остается мало изученной. Первое толкование биологического значения гетерозиса в эволюции животных и растений и попытка объяснить механизм этого явления принадлежали Ч. Дарвину. Он систематизировал большое количество фактов и сам ставил опыты по изучению гетерозиса. По мнению Ч. Дарвина, гетерозис служит одной из причин биологической полезности скрещивания в эволюции видов. Перекрестное оплодотворение поддерживается естественным отбором именно потому, что оно служит механизмом сохранения наибольшей гетерозисности,
Глубокий научный анализ явления гетерозиса стал возможен только с начала XX в. после открытия основных генетических закономерностей. При рассмотрении гетерозиса мы будем касаться возникновения его при скрещивании преимущественно инбредированных линий одного вида, поскольку в этом случае легче выяснить его генетический механизм.
С начала нашего столетия на кукурузе стали проводить систематическое исследование скрещиваний между инбредными линиями. При этом Г. Шеллом было показано, что скрещивание некоторых линий дает гибридные растения, более урожайные по зерну и вегетативной массе, чем исходные линии и сорта. Приведены опытные данные, показывающие низкую урожайность инбредных линий, значительное повышение урожайности в F 1 и снижение в F 2 при самоопылении растений F 1 .
За последние 30 лет в ряде стран, в том числе и в нашей, посев гибридными семенами стал основным приемом производства кукурузы как на зерно, так и для силоса. Для получения гибридных семян сначала создают инбредные линии из лучших сортов, отвечающих требованиям данного климатического района (инбредная линия создается в течение 5-6 лет путем самоопыления). При отборе линий оценивают их качества и свойства, которые необходимо получить у будущего гибридного организма. Инбридинг в линиях не может быть эффективным, если он не сопровождается отбором.
Создав большое число инбредных линий, приступают к скрещиванию между ними. Межлинейные гибриды первого поколения оценивают по эффекту гетерозиса ; исходя из этого показателя отбирают линии с лучшей комбинационной ценностью и затем размножают их в больших масштабах для производства гибридных семян. Работа по созданию инбредных линий и оценке их комбинационной ценности постоянно ведется в селекционных учреждениях. Чем больше создано ценных линий, тем вернее й скорее можно отыскать лучшие гибридные комбинации с необходимым сочетанием свойств.
При получении гибридных семян для производственных целей исходные линии, дающие при скрещивании наибольший эффект гетерозиса, высевают рядами, чередуя материнские и отцовские формы. Чтобы обеспечить опыление между ними, с материнских растений удаляют мужские соцветия (метелки). Теперь разработана новая схема производства гибридных семян с использованием цитоплазматической мужской стерильности, что позволило значительно сократить труд на удаление метелок у растений материнской линии. Таким путем получают простые межлинейные гибриды кукурузы. Этот метод в принципе является общим для семеноводства гибридов различных перекрестноопыляющихся растений.
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.
По данным М. И. Хаджинова и Г. С. Галеева, результаты оценки продуктивности разных гибридов - межсортовых, сортолинейных и двойных межлинейных - показывают, что наиболее продуктивны двойные межлинейные гибриды.
Подбор простых гибридов для получения наиболее продуктивных двойных гибридов является важным этапом их селекции. Лучшие результаты дает скрещивание линий, происходящих из различных сортов. Так, например, если один простой гибрид получен от скрещивания инбредных линий двух сортов А X В, а другой - от скрещивания линий других сортов С х D, то двойной гибрид (А X В) х (С X D) дает гетерозис чаще, чем если бы двойной гибрид был получен от скрещивания простых гибридов, происходящих от линий одного сорта: (А х А 1 х (А 2 х А 3) или (В х B 1) х (В 2 х В 3).
Для успешного развития гибридного семеноводства необходимо исследовать, во-первых, как долго следует вести инбридинг, чтобы получить гомозиготные линии, и, во-вторых, разработать методы более быстрой оценки их комбинационной ценности.
Все, что было сказано в отношении кукурузы, по-видимому, является общим для получения гибридов у других высших перекрестноопыляющихся растений, а также у животных. В настоящее время в птицеводстве и в свиноводстве ряда стран широко используется скрещивание инбредных линий, происходящих из одной или разных пород. Следует особо подчеркнуть, что широкое использование гибридов в животноводстве возможно только при высоком уровне племенной работы и наличии ценных пород, то совершенно ясно, что в большинстве случаев инбредные линии в среднем будут иметь всегда более низкие показатели, чем сорта. О наличии гетерозиса следует говорить лишь в том случае, когда межлинейный гибрид превосходит не только родителей (линии), но и сорта, или породы, от которых произошли эти линии.
Как мы знаем, гены детерминируют свойства организма на всех стадиях онтогенеза начиная с момента оплодотворения. Гены ядра ооцита способны детерминировать свойства цитоплазмы яйцеклетки еще до оплодотворения. Характер реализации генотипа изменяется в зависимости от свойств цитоплазмы зиготы. Таким образом, проявление гетерозиса у гибрида зависит также и от свойств цитоплазмы. Роль цитоплазмы в определении гетерозиса доказывается следующим образом. При реципрокном скрещивании двух линий А X В и В х А гетерозис по одним и тем же свойствам нередко проявляется у гибридов только одного из скрещиваний и не проявляется у гибридов другого.
Проявление гетерозиса обусловлено индивидуальным развитием гибрида. В онтогенезе он реализуется неравномерно. На одних стадиях онтогенеза проявляется гетерозис по одним признакам, а на других - по другим или только по некоторым. 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 проявляться позднее.
Сильное влияние на проявление гетерозиса оказывают также факторы среды, в которых развивается гибридный организм. Есть основание считать, что гетерозис по жизнеспособности и устойчивости к заболеваниям лучше выявляется при неблагоприятных для развития условиях среды. Еще Ч. Дарвином было высказано предположение, что гетерозис у гибридов обусловлен более широкой нормой приспособительных реакций. Исследования последних лет показали, что гибриды F 1 в сравнении с инбредными линиями характеризуются большим разнообразием процессов обмена, участием большего числа различных метаболитов, ростовых веществ и энзимов. Гетерозис проявляется не только в целом организме, но и на клеточном уровне.
Выяснение генетических механизмов гетерозиса остается нерешенной проблемой. В настоящее время имеются три гипотезы, пытающиеся объяснить возникновение гетерозиса:
- гетерозиготное состояние по многим генам,
- взаимодействие доминантных благоприятных генов,
- сверхдоминирование - гетерозигота превосходит гомозиготы.
Как мы уже говорили, при скрещивании гомозиготных инбридированных линий гибриды первого поколения по многим генам приобретают гетерозиготное состояние. 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 генов в гомозиготном состоянии определяет какую-нибудь недостаточность, которая снижает жизнеспособность инбредной линии. При скрещивании линий ааВВ X ААbb у гибрида объединяются доминантные аллели обоих генов (АаВb). Гибриды F 1 проявят при этом по указанным генам не только гетерозис, но и единообразие. В F 2 число особей с двумя доминантными генами в гетерозиготном состоянии 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. Такова схема одной из генетических гипотез гетерозиса.
Мы привели пример с двумя генами, но физиологические свойства определяются огромным числом генов. Кроме того, неверно считать, что доминантные аллели всегда положительно, а рецессивные отрицательно влияют на жизнеспособность организма и его продуктивность. Доминантные аллели дикого типа чаще оказывают благоприятное действие, чем рецессивные. Это можно объяснить тем, что неблагоприятные доминантные мутации подвергаются более жесткому отбору - они уже в зиготе и на эмбриональных стадиях подвергаются элиминации, и отбором сохраняются лишь благоприятные. И так как само свойство доминирования гена эволюционирует под контролем отбора, то аллели дикого типа и оказываются более благоприятными для организма. Поэтому подбор в гибридной комбинации доминантных аллелей может скорее обеспечить гетерозис. Если бы гетерозис обусловливался простым набором доминантных аллелей, имеющихся в популяции, то этот набор было бы легко составить путем ряда скрещиваний и получить гетерозисные сочетания. Весьма возможно, что часть пород и сортов выводилась именно путем скрещивания и комбинаций линий, имеющих набор благоприятных доминантных аллелей. Но до сих пор не удавалось закрепить гетерозис в гибридной комбинации F 1 , т. е. получить не расщепляющиеся в F 2 формы.
Д. Джонсом еще в 1917 г. было предложено дополнение к изложенной гипотезе. Согласно Д. Джонсу, разные гены, дающие в сочетании гетерозис, находятся в пределах одной группы сцеплений: например, AbcdE - в одной, а соответственно aBCDe - другой гомологичной хромосоме. Именно это обстоятельство, с точки зрения Д. Джонса, затрудняет отбор в F 2 полностью гомозиготных форм по благоприятным доминантным генам, дающим сочетании гетерозис. Для осуществления такого сочетания доминантных аллелей необходимо, чтобы в этой паре хромосом AbcdE//aBCDe произошел минимум двойной кроссинговер, который привел бы к возникновению хромосомы с одними доминантными аллелями ABCDE. Малая вероятность одновременного осуществления такого события в нескольких хромосомах и является, по мнению Д. Джонса, причиной, затрудняющей закрепление гетерозиса. Гибрид же F 1 содержит все эти доминантные аллели, и поэтому у него наблюдается гетерозис.
Такова схема объяснения гетерозиса согласно второй гипотезе - гипотезе взаимодействия доминантных благоприятных генов, которую называют иногда также гипотезой набора кумулятивных доминантных аллелей, а сам гетерозис при этом - мутационным. Эта гипотеза в целом исходит из представления о простом суммировании эффекта доминантных аллелей с комплементарным действием.
Третья гипотеза исходит из того, что гетерозиготное состояние аллелей имеет превосходство над гомозиготным (АА < Aa > аа). Здесь можно допустить благоприятное трансположение аллелей дикого типа и мутантных аллелей, которое каким-то образом усиливает эффект действия генов. Указанное объяснение гетерозиса называют гипотезой сверхдоминирования.
Ни одна из трех гипотез не может считаться единственно правильной. Сейчас преждевременно отдавать предпочтение той или другой. Вероятно, они все окажутся правильными, но для разных случаев. Наверное, каждый из механизмов, предусматриваемых этими гипотезами, играет роль в определении гибридной мощности. Гетерозис является сложным явлением как по механизму возникновения, так и по проявлению его в онтогенезе.
Очевидно, окончательный вывод о генетических механизмах гетерозиса можно будет сделать лишь после того, как раскроется картина взаимодействия генов в генетической системе на биохимическом и молекулярном уровнях. Как мы уже знаем, подавление проявления мутаций с помощью супрессоров позволяет исправлять нарушения в действии гена и его аллелей. Возможно, что явление гетерозиса есть суммарный результат работы не основных генов, определяющих развитие признаков организма, а набора супрессирующих генов в генотипе. Важным моментом изучения гетерозиса становится исследование плазменных отношений.
Основной задачей использования гетерозиса в селекции является закрепление его, т. е. сохранение эффекта гетерозиса в процессе воспроизведения гибрида. Решение этой задачи мыслится в нескольких аспектах: во-первых, закрепление гетерозиса путем перевода гибридного организма с полового размножения на апомиктическое, что, по-видимому, возможно для некоторых растений; во-вторых, закрепление гетерозиса путем перевода диплоидного гибрида, проявляющего гетерозис, в полиплоидное состояние. В этом случае гетерозиготная комбинация генов будет сохраняться дольше.
У вегетативно размножающихся растений поддержание ценных гибридных комбинаций, полученных половым путем, осуществляется вегетативным размножением (черенками, прививками, клубнями и т. д.).
Существует ряд других путей поддержания гетерозиса в ряду поколений, однако все они еще недостаточно разработаны и проверена.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
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.
Явление гетерозиса и его цитологические основы
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.
Значение гетерозиса
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.