Znaczenie genetyki w rolnictwie i hodowli
Hodowla zwierząt jest nauka, której zadaniem jest stale ulepszanie zwierząt przez człowieka,
oraz tworzenie nowych lepszych form lub osobników z określona, wybrana cecha Współczesna
hodowla dla osiągnięcia postępu musi korzystać ze zdobyczy takich nauk jak genetyka,
cytologia, fizjologia zwierząt, biochemia, zoopatologia, fizyka, chemia, matematyka i inne.
Najdawniejsza stosowana przez człowieka forma jest udomowianie zwierząt dzikich, które były
hodowane w określonych celach. Rozwój każdej cechy i ostateczna jej forma zależy od
określonych założeń genetycznych, ale również od warunków środowiskowych.
Zmienność i różnorodność fenotypowa osobników w populacji wywołana jest czynnikami
genetycznymi i środowiskowymi, a przede wszystkim ich współdziałaniem. Środowiskiem można
określić zespól zewnętrznych czynników działających na organizm, (czynniki troficzne-
odżywcze, klimatyczno-glebowe, pielegnacyjno-hodowlane, chorobotwórcze i inne). Z
powyższych czynników najważniejsza role w hodowli odgrywa żywienie, tak jak i inne są
ukształtowane przez człowieka. Cała działalność ludzka musi zmierzać w kierunku stworzenia
zwierzętom jak najkorzystniejszych warunków bytowania, co z kolei zapewnia ich dobrą
produkcyjność. Działalność ludzka polega wiec na zmodyfikowaniu i ukształtowaniu w
odpowiedni sposób środowiska. W hodowli genotyp jest programem a poprzez zamierzone
oddziaływanie środowiskowe człowiek może kształtować fenotyp w pożądanym kierunku.
W granicach określonych przez genotyp, należy pamiętać, że zwierzęta o różnych genotypach
mogą reagować w odmienny sposób na to samo środowisko.
Oddziaływanie środowiska na zwierzęta jest przyczyna powiększania się zmienności, która
nazywamy modyfikacyjna. Jest to jednak uproszczenie, ponieważ jak wiadomo, każda cecha
organizmu powstaje jako wynik współdziałania czynników dziedzicznych i środowiskowych.
Osiągnięte przez człowieka zmiany modyfikacyjne dotyczą fenotypu i nie są przekazywane
potomstwu.
Od najdawniejszych czasów człowiek starał się hodować potomstwo pochodzące od
najlepszych zwierząt. Wybór najlepiej odpowiadających człowiekowi osobników do dalszego
rozmnażania osobników o określonych cechach nazywa się selekcja sztuczna lub doborem -
sztucznym.
Człowiek świadomie przekształca populacje (w hodowli populacja odnosi się do zwierząt 1 rasy
w określonym rejonie).
Populacja, która z pokolenia na pokolenie nie zmienia swej struktury genetycznej jest w stanie
równowagi genetycznej. Mechanizmem utrzymującym te równowagę jest losowe kojarzenie
osobników, w którym występują różne typy kojarzenia. Częstotliwość rożnych typów kojarzeń
zależy od częstotliwości poszczególnych genotypów w populacji. Wybór zwierząt z
przeznaczeniem ich na rodziców przyszłego pokolenia nazywa się selekcja. Selekcja prowadzi
wiec do zmiany struktury genetycznej populacji w kierunku wybranym przez hodowcę, poprzez
eliminacje z rozpłodu zwierząt o niepożądanych cechach, hodowca usuwa ze stada
niepożądane geny. Zmiany w strukturze genetycznej stada będą zgodne z kierunkiem
prowadzonej selekcji.
Skuteczność selekcji wyraża się wzrostem częstości pożądanych genotypów a spadkiem
genotypów niekorzystnych w potomnej populacji. Oddziaływanie środowiska może w bardzo
poważnym stopniu przesuwać wartość cechy w kierunku dodatnim lub ujemnym.
Zwierzęta wybrane na rodziców tworzą wiec tzw. stado selekcyjne tzn. wyselekcjonowane
osobniki tego stada są fenotypowo lepsze w porównaniu z pozostałymi zwierzętami.
Miara statystyczna zgodności fenotypu z genotypem jest współczynnik oddziedziczalności h2.
Oddziedziczalność to populacyjna a nie osobnicza zmiana genetycznego uwarunkowania cechy
- h2 jest wartością stałą dla danej cechy i może przybierać różne wartości, które zależą od
stopnia zmienności genetycznej i środowiskowej zwierząt w stadzie. Im bardziej są podobne
genetycznie zwierzęta tym niższy będzie współczynnik h2.
W pracach hodowlanych stosuje się różnego rodzaju selekcje, rodzaj podyktowany jest
potrzebami rynku i ekonomiką produkcji.
Zmienność jest podstawowym warunkiem prowadzenia selekcji. W stadzie musi następować
tzw. odnowa, czyli "remont stada", który polega na wprowadzeniu lepszych zwierząt i eliminacji
wybrakowanych. W kazdej hodowli większe znacznie odgrywają samce niż samice, wprawdzie
potomstwo dziedziczy w równym stopniu po obu rodzicach, ale na skutek stosowanej w hodowli
zwierząt poligamii jest rola samców większa. y
le wybrana samica nie powoduje większych
szkód, ponieważ pozostawia po sobie niewiele potomstwa, natomiast samiec szybko
rozpowszechnia swoje geny w stadzie i jeżeli został z
le wybrany powoduje straty w hodowli.
Selekcja może być prowadzona na podstawie wartości użytkowej "masowa" lub hodowlanej. W
hodowlach samce są selekcjonowane na podstawie wartości hodowlanej a samice na podstawie
wartości użytkowej.
METODY SELEKCJI
- następcza - czyli cecha po cesze lub najpierw na jedna potem na następne cechy; selekcja
taka jest skuteczna, ale wydłuża czas z ogólnego doskonalenia użytkowego stada
- selekcja prowadzona niezależnie - na kilka najważniejszych cech równocześnie ważną role
odgrywa tutaj dobieranie cech, które będą stanowić kryterium wyboru do stada
- selekcja wskaz
nikowa - lub indeks selekcyjny; indeks osiąga się przez dodawanie oceny
zwierzęcia dotyczącej własności x do oceny właściwej y następnie z itd. Zwierzęta o najniższej
sumarycznej ocenie są eliminowane. Jest to metoda skuteczna, ponieważ, pozwala na
wyrównywanie braków poprzez wyjątkowa doskonałość 1 właściwości w stosunku do innych
Efekty tej metody są dosyć powolne, ale powodują harmonijne ulepszanie kompleksu cech
użytkowych przy utrzymaniu dobrej konstrukcji.
Metoda na jądro stada - jest kombinacją selekcji na poszczególne cechy z indeksem
selekcyjnym. W hodowli stosuje się, oprócz selekcji indywidualnej, rodzinową tzn. prowadzi się
ewidencje użytkowności rodzin, tzn. potomków po tych samych rodzicach. Należy pamiętać, ze
zawsze dobór par do kojarzeń potęguje efekty selekcji. Selekcja na jest celem sama w sobie,
lecz środkiem doboru właściwych kojarzeń. Stosuje się następujące kojarzenia:
- podobny z podobnym i niepodobny z niepodobnym, przy czym kojarzenia te dają rożne efekty
Podobny z podobnym, czyli kojarzenia krewniacze. Kojarzy się osobniki blisko spokrewnione -
nazywa się chowem wsobnym - INBRED. Kojarzenie takie zapewnia przekazywanie i utrwalanie
korzystnych indywidualnych cech poszczególne cennych osobników.
W hodowli według linii chodzi o jak najbliższe pokrewieństwo z cennym osobnikiem użytym jako
reproduktor. Role w selekcji odgrywa pokrewieństwo, czyli podobieństwo osobników mających w
swoich genotypach pewna cześć indywidualnych genów.
Pokrewieństwo w linii prostej łączy potomka z przodkiem. Współczynnik pokrewieństwa R
wskazuje procentowy udział identycznych genów u porównywalnych osobników. INBRED niesie
za sobą określone genetycznie skutki - gamety spokrewnionych osobników wnoszą do zygoty
cześć identycznych genów. Pokrewieństwo gamet zależy od stopnia pokrewieństwa
genetycznego stad wniosek, że im bardziej są spokrewnione ze sobą rodzice tym bardziej
homozygotyczne będzie potomstwo. Skutkiem INBREDU jest wiec wzrost homozygotyczności
zwierząt w stadzie.
Nie zawsze inbredowanie jest korzystne, ponieważ może prowadzić do pewnych deformacji,
zwyrodnień i ułomności.
Zasadnicza przyczyna pojawienia się depresji inbredowej są geny letalne i subletalne o
charakterze recesywnym - inbred zwiększa prawdopodobieństwo spotkania się tych genów,
które a heterozygot są nieszkodliwe, a u homozygot są przyczyna ujawnienia się anomalii.
U ludzi ze względu na to nie zawiera się związków małżeńskich miedzy blisko spokrewnionymi
osobnikami. Pomimo występowania szkodliwych skutków inbredu stosuje się tę metodę w
hodowli, które prowadzi do podobieństwa genetycznego dalszych pokoleń z wybitnym
przodkiem, który był użyty jako reproduktor. W przypadku kojarzenia "córki" z cennym
genetycznie "ojcem" inbred prowadzi do koncentracji genów wybitnego przodka w genotypach
jego potomstwa. Inbred pozwala również na sprawdzenie rozpłodników na nosicielstwo
niekorzystnych genów - inbred testowy. W przypadku tzw. hodowli na linię celem jest nie
dopuszczenie do rozproszenia genów cennego przodka i tworzy się spokrewnione grupy
zwierząt względem 1 wybitnego przodka, gdyż chodzi o zachowanie podobieństwa członków linii
do protoplasty.
Inne znaczenie ma linia wsobna - czyli grupa zwierząt pochodzących z kojarzeń krewniaczych
prowadzonych od kilku pokoleń. Celem takiego inbredu jest uzyskanie
wysokohomozygotycznych zwierząt.
Linie wsobne są wykorzystane do kojarzenia z innymi liniami w celu uzyskania
heterozygotycznych mieszańców.
Kojarzenie krewniacze prowadzi się również w celu zmniejszenia stopnia zmienności stada, co
określa się konsolidacją stada - stosuje się wtedy, gdy u mieszańców występują dwie
zmienności fenotypowe i hodowca chce wyodrębnić najodpowiedniejsze typy użytkowe.
Inbred stosuje się również wtedy, gdy celem jest wyhodowanie nowych grup rasowych lub ras,
ponieważ potęguje zdolność przekazywania przez zwierzęta nowych cennych zalet potomstwa i
zalety są utrwalane przez dziedziczenie. Chcąc uniknąć ujemnych skutków hodowli krewniaczej
o których była mowa, trzeba tak dobierać zwierzęta, aby miały tylko 1 wspólnego przodka.
Inbred ma znaczenie w małych hodowlach.
Innym rodzajem kojarzenia jest tzw. wolne, czyli niekrewniacze. Za wolne uważa się takie, które
nie miały wspólnego przodka już w VII-IX szeregu pokoleń. Kojarzenie uszlachetniające polega
na krzyżowaniu pewnej grupy samic ze szlachetnymi samcami innej rasy, od których hodowca
chce przyjąć określoną cechę.
Eliminowanie osobników prymitywnych odbywa się przez krzyżowanie wypierające tzn. osobnika
prymitywnego zastępuje się o obcej rasy, stosuje sę przez kilks pokoleń co prowadzi do
stopniowego wypierania genów.
Krzyżowanie rasotwórcze ma na celu utworzenie nowej rasy lepiej dostosowanej do warunków.
Efekt można osiągnąć przez uprzednio przedstawione krzyżowanie lub przez krzyżowanie kilku
ras.
Jest to proces długotrwały ponieważ zmieszańcowane stado wykazuje bardzo dużą zmienność
wskutek rozczepienia się cech. Za rasę uznaje się odpowiednio liczebną grupę zwierząt, która
wykazuje duże ujednolicenie w typie budowy i w celach użytkowych, a w potomstwie nie
występuje większa zmienność niż w stadzie rodzicielskim.
Np. w Polsce prowadzi się prace nad wyhodowaniem nowej rasy długowełnistej owcy.
Krzyżowanie użytkowe stosuje się wykorzystując zjawisko heterozji. Do krzyżowania wybiera się
zwierzęta 2 ras o dobrze wyrażonych cechach - celem jest uzyskanie u mieszańców
harmonijnego połączenia cech obu ras.
Obecnie oprócz krzyżówek w obrębie ras i gatunku uzyskano krzyżówki międzygatunkowe -
główną przeszkodą w takim krzyżowaniu są różnice w liczbie chromosomów oraz właściwości
fizjologiczne. Uzyskano obecnie z krzyżówek międzygatunkowych muła lub krzyżówkę żubra z
bydłem domowym lub yaka z bydłem.
PODSUMOWANIE: Przedstawione metody mają na celu zwiększenie wydajności hodowli
zwierząt, co pozwala hodowcom na oszczędność stosowanych materiałów oraz oszczędność
pracy ludzkiej.
ZNACZENIE GENETYKI W HODOWLI ROŚLIN
- zwiększenie plonów przez poprawę warunków środowiska, - krzyżowanie wyselekcjonowanych
odmian
- zastosowanie mutagenów - wykorzystanie mutacji, - krzyżowanie czystych odmian
- klonowanie - heterozja
Zadaniem hodowli roślin jest ulepszanie roślin uprawnych i tworzenie nowych odmian, podobnie
jak w hodowli zwierząt wykorzystano wiele nauk a przede wszystkim genetykę.
Zaniechanie pracy nad ulepszaniem istniejących odmian (hodowli zachowawczej) prowadzi do
szybkiego pogorszenia się materiału siewnego i spadku plonów. Natomiast tworzenie nowych
odmian - (hodowla twórcza) należy uznać za najszybszy i najbardziej istotny czynnik
zwiększenia plonów u roślin.
Podobnie jak w hodowli zwierząt można osiągnąć lepsze wyniki w uprawie roślin poprzez
polepszenie warunków środowiskowych, wpływających na fenotyp. Czynnikiem wpływającym
głównie na uprawę jest gleba a przede wszystkim zawartość w niej niezbędnych do życia makro
i mikroskładników. Wieloletnim efektem zabiegów uprawnianych jest zmiana 3 zasadniczych
elementów składowych gleby fazy stałej, płynnej i gazowej. Wynikiem tego są zmiany
stosunków powietrznych, wodnych i termicznych w roli a także biotycznych.
Pielęgnowanie roślin uprawnych polega na zabiegach, które eliminują niekorzystne warunki lub
je ograniczają.
Pozbawione pielęgnacji rośliny nie dają wysokich plonów, mogą także całkowicie wyginąć.
Wadliwe zmianowanie obniża plony, jak również prowadzi do powstawania chorób
płodozmianowych. Ułożenie racjonalnego zmianowania zapewni dooślinom najlepsze
warunkbójc wzrostu i rozwoju i uzyskania z nich wysokich plonów. Zmianowanie składa się z
kilku członów (2-4) w skład, których wchodzą roślina niezbożowa a poniżej kłosowa np.:
1) ziemniak - owies 2) łubin - żyto
Oddziaływanie środowiska może w bardzo poważnym stopniu przesunąć wartość cechy w
kierunku dodatnim lub ujemnym.
Przekonujące doświadczenie na wpływ czynników dziedzicznych i środowiskowych na skutek
selekcji przeprowadził na początku XX w. genetyk Johansen.
Prowadził on selekcję na masę i ciężar nasion fasoli. Badany materiał wykazywał dużą
zmienność pod względem masy (nasiona duże, średnie, małe). Wybrał nasiona duże i małe,
które wysiano osobno i okazało się, że nasiona pochodzące z roślin otrzymanych z nasion
dużych są większe niż nasiona otrzymane fasoli małej.
Doświadczenie wykazało, że cecha ciężaru jest dziedziczna, a selekcja prowadzona na tę cechę
skuteczna. W następnym doświadczeniu Johansen wybrał nasiona duże i małe pochodzące od
tej samej rośliny, po czym wysiał oddzielnie. Po zebraniu okazało się, że średnia masa nasion
fasoli pochodzącej z nasion dużych i małych nie różni się od siebie, czyli wniosek-selekcja nie
była skuteczna w tym wypadku.
Wyjaśniło się to w ten sposób, że fasola jest rośliną samopylną, czyli rośliny potomne pochodzą
od jednej i tej samej rośliny rodzicielskiej. Samozapłodnienie u osobników symopylnch powoduje
homozygotyczność osobników w populacji. Brak zróżnicowania genetycznego w potomstwie
rośliny samopylnej nie jest skutkiem samozapłodnienia, lecz homozygotycznośći rośliny
macierzystej. Homozygotyczność jest następstwem stosowanego przez kilka pokoleń
samozapłodnienia. Potomstwo rośliny samopylnej tworzy tzw. linię czystą, w obrębie której
wszystkie osobniki są genetycznie jednakowe.
Spadek heterozygotyczności występuje, więc na skutek samozapłodnienia. Rozważanie na
temat skutków samozapłodnienia są niezbędne dla zrozumienia doświadczenia Johansena.
W I przypadku wybierał z próby nasiona małe i duże, czyli miał do czynienia ze zróżnicowaną
genetycznie populacją tzn. nasiona duże różniły się od małych genetycznie i przekazywały te
cechy potomstwu.
W przypadku drugim nasiona pochodziły z jednej rośliny, czyli genetycznie były jednakowe, a
różnice wielkości wynikały wyłącznie z przyczyn środowiskowych.
WNIOSEK: z doświadczenia Johansena - Selekcja w obrębie czystej linii jest nie skuteczna, a
modyfikacje w tym przypadku pochodzą od warunków środowiskowych i zmiany te nie są
dziedziczne.
Krzyżowanie polega na kojarzeniu 2 genetycznie różnych osobników prowadzących do
powstania mieszańców, które mają inne kombinacje cech niż rodzice i stanowią materiał
wyjściowy do wyhodowania nowych odmian.
Wybrane rośliny do krzyżowania mogą być blisko spokrewnione (np.: należą do 1 odmiany)
mogą też pochodzić z różnych odmian populacji lub gatunków, a nawet rodzajów. Na podstawie
stopnia pokrewieństwa wyróżnia się:
II) Krzyżowanie wewnątrzodmianowe - stosuje się u roślin obcopylnych daje efekty w przypadku
krzyżowania form wyraz
nie zróżnicowanych rzadko stosowane u roślin samopylnych.
Krzyżowanie gatunkowe i międzygatunkowe może być stosowane tylko u niektórych roślin np.
pszenica, żyto.
WNIOSEK: Celem krzyżowania jest uzyskanie form, które łączyłyby cechy roślin rodzicielskich i
mogłyby się stać materiałem hodowlanym. Również dzięki krzyżowaniu można uzyskać
zjawisko heterozji.
Efekty krzyżowania
a) - większa zmienność roślin przystosowanych do nowych środowisk, b) - nowe kombinacje
cech,
c) - transgresja, d) - epistaza,
e) - nowe sprzężenie genów,
f) jeżeli określona cecha roślin jest "jednogenowa" to w niewielkim stopniu uległa wpływom
środowiska. Jest to ważne dla hodowców, bo dziedziczy się na podstawie praw Mendla - cechy
wielogenowe powodują dużą różnorodność mieszańców, ale utrudniają hodowlę,
g) Zjawisko transgresjii można przedstawić
P AA bb x aa BB
F1 Aa Bb
F2 AA BB ......... aa bb
A więc wykształcenie się jakiejś cechy powyżej zakresu zmienności form rodzicielskich
następuje na skutek sumowania efektów genów dominujących i odwrotnie, pogorszenie przez
sumowanie genów recesywnych
Epistaza jest formą współdziałania genów, polegająca na oddziaływaniu jednego genu na
fenotypowe przejawianie się innego genu lub genów nie allelicznych w taki sposób, że fenotyp
jest uwarunkowany tylko przez pierwszy gen.
Zjawisko to umożliwia powstanie zupełnie nowych kombinacji.
Sprzężenie genów (patrz t. Morgana), czyli łączenie przekazywanych genów zlokalizowanych w
1 chromosomie
W hodowli może mieć skutek dodatni lub ujemny np. występuje sprzężenie genów
warunkujących odporność na rdzę z
dz
błową pszenicy z genami warunkującymi póz
ne
dojrzewanie pewnych linii pszenic. W hodowli wyróżnia się różne formy krzyżowania w
zależności od celu prowadzonej hodowli:
a) krzyżowanie proste,
b) krzyżowanie wielokrotne, c) krzyżowanie zwrotne,
d) krzyżowanie wsteczne
AD. a) Polega na jednorazowym skrzyżowaniu dwóch wybranych form rodzicielskich.
AA x BB lub AA x bb
AD. b) Pochodzące ze skrzyżowania prostego mieszańce należy ponownie krzyżować z jakąś
inną odmianą o znanych i pożądanych cechach i wreszcie uzyskanego nowego mieszańca
jeszcze raz skrzyżować z jeszcze inną cenną odmianą [AA x BB x CC] x DD.
ad c) krzyżowanie zwrotne AA x BB i BB x AA stosuje się wtedy gdy przypuszczamy, że istnieje
wpływ plazmy na dziedziczenie danych cech.
ad d) krzyżowanie według schematu (AA x BB) x AA
Przez krzyżowanie wsteczne roślin pokolenie F1 (A x B) z jedną z form rodzicielskich np. AA
zwiększa się liczbę genów odmiany AA w potomstwie, przytłumiając wpływ genów drugiego
rodzica (BB). Krzyżowanie to umożliwia ulepszanie odmian plennych i dobrych, ale
przejawiających pewne wady.
Przy krzyżowaniu ważne jest ustalenie czy dany gatunek jest obcopylny czy samopylny, czy jest
formą pośrednią.
Zjawisko heterozji i wykorzystanie go w hodowli
Skrzyżowanie różnych form, odmian lub linii daje często mieszańca oznaczającego się
bujnością wzrostu, plennością. Jest to heterozja bujność mieszańców
Heterozja występuje silniej u form homozygotycznych, (które powstają w wyniku wielokrotnego
samozapylenia)
Rośliny takie jak np. żyto, lucerna po pewnym czasie mogą być samopylne. Po umieszczeniu
ich pod izolatorem wydają nasiona powstałe przez samozapylenie. Rośliny, które z nich wyrosną
są słabe a następne pokolenie będzie jeszcze mniej żywotne.
Zjawisko nazywa się depresją wywołaną chowem wsobnym.
Chów wsobny - zwiększa homozygotyczność, dzieli populację na różniące się linie, zmniejsza
żywotność roślin, eliminuje osobniki o czynnikach letalnych. Prowadzenie chowu wsobnego
prowadzi do uzyskania tzw. linii wsobnych np. u żyta, kukurydzy, które są wykorzystane w
hodowli heterozyjnej. Heterozję tłumaczy się gromadzeniem u uzyskanych ze skrzyżowania
mieszańców większej liczby cech dominujących. Wykształcenie jakiejś cechy zależy nie tylko od
działania poszczególnych genów, ale od wzajemnego współdziałania kilku genów. Dlatego też
efekt heterozji przypisuje się korzystnej kombinacji wzajemnie współdziałających genów.
Cechą heterozji jest nietrwałość, tzn. pełny efekt heterozji występuje tylko w F1 po czym w
dalszych pokoleniach przy samozapyleniu dość szybko maleje: Efekty heterozji czyli bujności
mieszańców mogą dotyczyć wszystkich znanych cech użytkowych roślin np. zwiększenie nasion
co powoduje ich szybszy wzrost i rozwój dotyczy również właściwości fizjologicznych roślin.
Poliploidalność polega na zwielokrotnieniu garnituru chromosomalnego powstałe formy to
poliploidy w odróżnieniu od zwierząt mają znaczenie pozytywne w rolnictwie.
Mutacje poliploidalne można wywołać stosując kolchicynę. W 1938 r, odkryto poliploidyzacyjne
działanie kolchicyny, która jest alkaloidem znajdujących się w nasionach ziemniaka (Colchicum).
Pod wpływem kolchicyny zachodzi zaburzenie przebiegu mitozy, komórka się nie dzieli,
powiększa swoją objętość, a jądro ma dwukrotną liczbę chromosomów. Jeżeli nadal działa się
kolchicyną liczba chromosomów może się zwielokrotnić, dlatego działanie nią należy przerwać.
Innym mutagenem jest accnaffen.
Temperatura działa również jako mutagen tzn. w niskich temperaturach mejoza jest
zahamowana i mogą powstać gamety o nie zredukowanej liczbie chromosomów (2n) i po
połączeniu dają 4n (tetraploid).
Wybór roślin poliploidalnych przeprowadza się w praktyce hodowlanej kilkoma sposobami --
metodą mikroskopową rozdziela się osobniki 2n od poliploidalnych lub stosuje się kontrolę
chromosomów za pomocą analizy cytologicznej barwi się chromosomy i liczy pod mikroskopem.
Poliploidalność prowadzi najczęściej do zwiększenia objętości komórki. Wykazano jednak, że
nie wszystkie organy poliploidów powiększają się jednakowo. Zmiany te określone jako
gigantyzm organów.
Poliploidy mają zwykle mniej szparek oddechowych na powierzchni liścia stąd intensywność
parowania jest mniejsza, dlatego są bardziej odporne na suszę.
Efektem poliploidyzacji jest również zwiększenie owoców, co ma znaczenie w sadownictwie.
Najbardziej korzystne są tetraploidy 4n u form z wyższą liczbą chromosomów zachodzą pewne
nieprawidłowości w wykształceniu organów. Rewolucją w rolnictwie jest hodowla poliploidalnych
buraków cukrowych i pastewnych i jak wykazano buraki 3n.odznaczają się najkorzystniejszymi
cechami.
Obecnie ciągle pracuje się nad tworzeniem nowych odmian w tym celu oprócz indukowania
mutacji oraz wyżej wymienionych metod stosuje się hodowlę z 1 komórki w celu wyhodowania
całego organizmu, tak np. postępuje się z komórkami roślin uprawnych w kulturach
komórkowych poddanych działaniu mutagenów. Metodą stosowaną dość powszechnie w
hodowli roślin jest klonowanie, które polega na powstawaniu osobników potomnych w wyniku
rozmnażania wegetatywnego (rodzaj rozmnażania bezpłciowego) z jednego osobnika
rodzicielskiego. Powstałe osobniki mają ten sam genotyp jak organizm macierzysty - zbiór tych
osobników nazywa się klonem. Klonowanie jest jedną z metod stosowaną również w inżynierii
genetycznej (patrz inżynieria genetyczna). Klonowanie ma ogromne znaczenie w konstruowaniu
bakterii i grzybów o nowych właściwościach. W przypadku roślin prowadzi się próby
przeniesienia do genomów roślin uprawnych tych wszystkich genów, których produkty - białka
enzymatyczne uczestniczą w wiązaniu azotu atmosferycznego.
Drogi te prowadzą do otrzymania roślin np. zbożowych zdolnych do symbiozy z bakteriami
Rhizobium lub innymi bakteriami wiążącymi azot atmosferyczny. Otrzymanie takich roślin
miałoby ogromne znaczenie w rolnictwie.
INŻYNIERIA GENETYCZNA - CZYLI TWORZENIE PRZEZ CZA
OWIEKA
NOWYCH UKA
ADÓW GENETYCZNYCH
Człowiek od dawna ingerował w układy genetyczne zwłaszcza zwierząt hodowlanych i roślin
uprawnych (patrz zastosowanie genetyki).
W ciągu ostatnich lat zaczęto do celów praktycznych wykorzystywać wiadomości zebrane przez
genetykę molekularną.
Najlepszym przykładem wykorzystania genetyki molekularnej jest inżynieria genetyczna.
Technika inżynierii genetycznej polega na wycinaniu z jednego genomu określonego genu i
wstawianiu go do innego organizmu, i badaniu zachowania tego genu - tzn. czy ulega replikacji i
ekspresji.
Dla zrozumienia zabiegów inżynierii genetycznej niezbędne jest zapoznanie się z mechanizmem
działania wektorów budową plazmidów, bakteriofagów oraz znajomość genetyki bakterii oraz
zapoznanie się ze specjalnymi enzymami tnącymi DNA na małe odcinki - restryktazami.
Wektorami są plazmidy i wirusy.
Wirusy- są na pograniczu materii ożywionej i nieożywionej. Zbudowane są z otoczki białkowej -
Kapsyd, który zbudowany jest z mniejszych jednostek - kapsomerów. Rdzeń wirusa stanowi
DNA lub, RNA co jest podstawą klasyfikacji wirusów. Wirusy poza komórką są inertne
(występują w postaci krystalicznej) cechy życia wykazują tylko jak pasożytują tzn. w komórkach
gospodarza. Odkryte w 1892 przez Iwanowskiego - (wirus mozaiki tytoniowej) i uzyskany w
postaci krystalicznej w 1935 r przez W.M. Stanleya. Do tej pory otrzymano wiele wirusów w
formie krystalicznej.
Krystaliczne wirusy, wprowadzone ponownie do komórek gospodarza namnażały się i
wywoływały objawy chorobowe.
Dalsze badania polegały na rozdzieleniu części wirusa na część białkową i kwas nukleinowy, a
następnie łączeniu ich ponownie odtwarzając aktywne cząstki wirusa.
Wprowadzenie samego kwasu nukleinowego wirusa do komórki stanowiło bodziec do
wytwarzania przez nie zarówno specyficznego dla danego wirusa kwasu nukleinowego, jak i
specyficznego białka kapsydu, a więc do odtwarzania kompletnych cząstek wirusowych.
Mechanizm działania wirusa polega więc na tym, że wprowadzony kwas nukleinowy wirusa
powoduje w komórkach gospodarza wytwarzanie białka, o którym informacja jest zakodowana w
kwasie nukleinowym wirusa. - Na tym polega, więc istota pasożytnictwa wirusów. W komórkach
gospodarza poza tym szybko mnożą się (replikacja DNA lub odwrotna transkrypcja w przypadku
wirusów
z RNA)
Mechanizm pasożytnictwa wirusów wykorzystany jest w metodach inżynierii genetycznej.
Wirusy danego typu porażają specyficzne dla nich części organizmu gospodarza, mogą się
bowiem rozmnażać wyłącznie w określonych komórkach np. wirusy ospy, odry, brodawek
atakują skórę, wirusy paraliżu dziecięcego Heinego Medina, wścieklizny atakują mózg i rdzeń
kręgowy a wirusy żółtej febry - wątrobę.
Zwalczanie wirusów polega na stosowaniu szczepionek. Organizm (komórka) zwalcza wirus
poprzez tworzenie się interferonu jako następst wo dostania się wirusa do komórki.
Interferon jest białkiem podobnym do hemoglobiny zwalczającym wirusy, które dostały się do
komórki.
Wykazano, że interferon działa skuteczniej niż przeciwciała. Interferon jest stosowany obecnie
do zwalczania i leczenia wielu chorób nowotworowych np. stosowany jest przy leczeniu
białaczki.
Wirusy odegrały również rolę w hipotezach dotyczących biogenezy według jednej, pierwszymi
organizmami na ziemi były "prawirusy" według innej wirusy powstały z plazmidów, czyli jako
patologiczne fragmenty komórek bakteryjnych i na drodze np. rekombinacji wytworzyły białkowy
kapsyd. Mechanizm pasożytnictwa wirusów wykorzystany jest w inżynierii genetycznej.
Bakteriofagi - czyli fagi to wirusy pasożytujące na bakteriach na określonym szczepie, jednak nie
udało się ich wykorzystać w zwalczaniu chorób bakteryjnych. Zbudowane z główki i ogonka.
Działanie bakiariofaga polega na:
- przyczepianiu do komórki bakteryjnej za pomocą białkowego ogonka enzym w ogonku
rozpuszcza ścianę komórkową bakterii
- rdzeń, czyli kwas nukleinowy faga wstrzyknięty jest do komórki gospodarza
- otoczka białkowa główki i ogonka pozostaje na zewnątrz
Do komórki gospodarza wnika, więc tylko DNA faga powodując syntezę białek wirusowych.
Plazmidy niewielkie koliste cząsteczki DNA w komórkach bakteryjnych nazwano plazmidami.
Występują oprócz chromosomu bakteryjnego. W plazmidach jest miejsce do którego może
przyłączyć się plimeraza DNA dlatego mogą się replikować. Plazmidy są wi4c niezależnymi
małymi chromosomami bakteryjnymi, które łatwo jest wyizolować z komórki.
Wektory, wirusy, fagi i plazmidy, które są nośnikami w inżynierii genetycznej tzn. do nich
dołącza się obce geny i w ten sposób wprowadza do komórki gospodarza.
Obecnie znanych jest wiele wektorów, które można używać do wprowadzenia obcego DNA do
komórek bakteryjnych, natomiast mało jest wektorów za pomocą, których wprowadza się obcy
DNA do eukaryota.
Mechanizm włączania obcych genów do wektorów
Obce geny włączone są do wektorów w ściśle określonym miejscu dzięki działaniu restryktaz.
Restryktazy przecinają cząsteczkę DNA w ściśle określonym a nie dowolnym miejscu.
Restryktazy przecinają również cząsteczkę DNA wektora i włączają w to miejsce obcy DNA -
czyli są wykorzystane do wprowadzenia obcych genów.
ZASADA TECHNIKI INŻYNIERII GENETYCZNEJ
a) wbudowanie poszukiwanego genu do plazmidu - plazmid posiada 2 geny oporności na
antybiotyki a i b. W obrębie genu a znajduje się sekwencja nukleotydowa DNA (s)
rozpoznawana i przecinana przez restryktazę. DNA -b- badany, który chcemy zrekombinować z
DNA plazmidu, i na którym znajduje się gen x kodujący interesujące białko X.
1 - DNA plazmidu i DNA - b poddajemy działaniu restryktazy DNA plazmidu zostaje przecięte w
jednym miejscu, w obrębie genu a DNA - b cięte jest na wiele odcinków, z których jeden może
zawierać poszukiwany przez nas gen X.
Przy cięciu DNA przez restryktazę powstają odcinki DNA wyposażone w "lepkie końce".
Następnie mieszamy rozcięte DNA plazmidowe z odcinkami DNA (b).
DNA plazmidowe dzięki "lepkim końcom" może się z powrotem zamknąć w strukturę kolistą, a
odtwarzając pierwotny plazmid. DNA plazmidowe może jednak dzięki tym samym "lepkim
końcom" połączyć się z odcinkiem DNA - b i zamknąć nową strukturę kolistą, składającą się z
DNA plazmidowego i ze wstawionego odcinka DNA b. Powstanie plazmid przekonstruowany.
DNA plazmidowe wprowadzamy do bakterii komórki, do których nie wniknie DNA plazmidowe,
będą wrażliwe na obce antybiotyki a i b. Komórki, które pobiorą oryginalny, pierwotny plazmid,
będą oporne na oba antybiotyki. Komórki, do jakich uda się nam wprowadzić plazmid
przekonstruowany, zawierający DNA-b, będą oporne na antybiotyki b, a wrażliwe na a, gdyż
jeden gen oporności "a" został unieczynniony przez wstawienie odcinka obcego DNA. Wśród
takich bakterii opornych tylko na antybiotyk b, któraś może zawierać odcinek DNA - b z genem X
i produkować białko X.
Tę metodę nazywamy "strzelaniem na ślepo", gdyż o otrzymaniu klonu bakterii zawierającego
gen X decyduje przypadek.
b) izolacja DNA genu X - izolujemy mRNA kodujący białko X, mieszamy je ze zdenaturowanym
DNA - b RNA wiąże się tylko z komplementarnym doń genem X.
Nie złączone z mRNA jednoniciowe DNA rozkładamy za pomocą specjalnego enzymu nukleazy
S, (działa tylko na pojedyncze nici DNA).
Nie rozłożone pozostaje jedynie DNA genu X, chronione przez związane z nim mRNA.
mRNA usuwamy innym enzymem, DNA genu X replikujemy. Wykorzystując jeszcze jeden
enzym doczepiamy do odcinków DNA - b genu X wolne końce zbudowane z samych adenin; z
przeciętego DNA plazmidowego usuwamy "lepkie końce" i doczepiamy dalej za pomocą
enzymu. Mieszany DNA plazmidowe i DNA genu X i dalej postępujemy jak poprzednio.
Stosując metody inżynierii genetycznej można ciąć DNA różnych organizmów, wstawić je do
naturalnych lub sztucznych plazmidów i wraz z nimi wprowadzać je przede wszystkim do
komórek bakteryjnych.
Dążeniem inżynierii genetycznej jest wykorzystanie genów jednego organizmu, w drugim dzięki
przenoszeniu obcego DNA oraz izolacji DNA określonego genu.
Często stosowaną rnetodą jest "strzelanie na ślepo", w metodzie tej izolujemy z interesującego
nas organizmu DIVA, a następnie tniemy go na liczne odcinki za pomocą restryktazy za pomocą
tej samej restryktazy tniemy DNA plazmidu - wektora.
Dobieramy przy tym taki plazmid, by dany enzym ciął DNA plazmidowe tylko w jednym miejscu
w obrębie genu nadającemu bakterii oporność na antybiotyk. DNA plazmidowe normalne
będące kolisto zamkniętą helisą przekształca się w łańcuch otwarty DNA.
Lepkie końce - zakończenia DNA wynikają ze szczególnej symetrii, jaka występuje w obrębie
sekwencji wewnątrz DNA, gdyż działają restryktazy.
Lepkie końce odnajdują się i łączą się dzięki temu, że są komplementarne. Pocięte DNA
interesującego nas organizmu zwierzęcego mieszamy z przekształconymi w otwartą strukturę
DNA plazmidowym.
Odcinki DNA zwierzęcego i rozcięte DNA plazmidowe zaopatrzone są w lepkie końce - dzięki
komplementarności (odcinek DNA zwierzęcego może połączyć się z DNA plazmidu).
W wyniku powstanie pewna liczba jakby nowych cząsteczek DNA plazmidowego, zamkniętych
kolisto i zawierających, poza właściwym DNA plazmidu wstawiamy odcinek DNA zwierzęcego.
Wstawiony odcinek DNA zwierzęcego jest dobierany losowo- inaczej mówiąc może to być
dowolny z wielu wybranych odcinków, na jakie DNA zwierzęce zostało pocięte przez restryktazę.
Na nielicznych spośród tych odcinków może znajdować się poszukiwany przez nas gen.
Takie zrekonstruowane plazmidy wprowadzamy kwas drogą transfromacji do komórek
bakteryjnych.
Jeżeli plazmid stosowany jako wektor jest nosicielem 2 różnych genów nadających bakteriom
oporność na 2 różne antybiotyki, a jeden z tych genów pozostaje nie uszkodzony przy działaniu
restryktazy na DNA plazmidowe możemy się przekonać, czy udało się nam wprowadzić plazmid
do bakterii. Bakterie do których wprowadzony jest plazmid staną się oporne na 1 z 2
antybiotyków. O tym, czy wprowadzony plazmid jest oryginalnym pierwotnym plazmidem, czy
też zrekonstruowanym, zawierającym odcinek DNA zwierzęcego można się przekonać badając
wrażliwość bakterii na drugi antybiotyk. Dobrano taki plazmid, by mniejsze cięcie przez enzym
restrukcyjny znajdowało się w obrębie genu nadającego bakteriom oporność na ten drugi
antybiotyk.
Jeżeli bakteria po wprowadzeniu plazmidu staje się oporna na pierwszy antybiotyk a pozostaje
wrażliwa na drugi, można wnioskować, że wniknął do niej plazmid z wstawionym odcinkiem
obcego DNA.
Plazmid oryginalny nada bakterii oporność na oba antybiotyki. Aby przekonać się czy udało się
wprowadzić ze zrekonstruowanym plazmidem do bakterii interesujący gen należy stwierdzić czy
bakteria wytwarza swoiste białko kodowane przez ów gen.
Należy sprawdzić, czy gen pochodzący z innego organizmu ulega w bakterii ekspresji.
Najprostszym zabiegiem jest przekształcanie odcinków DNA sąsiadujących z samym genem.
Do genu, który koduje białko można doczepić promotor lub operator wycięte z operonu
bakteryjnego. Powstająca w ten sposób struktura zachowuje się jak gen bakteryjny-czyli
zachodzi jego ekspresja jak w przypadku innych genów bakteryjnych.
Drugim warunkiem sprawdzenia, czy bakteria zawiera obcy gen jest "zmuszanie" jej do
wytwarzania dużych ilości produktu tego genu. Można to osiągnąć przez zwiększenie kopii tego
genu, czyli w jednej komórce bakterii jest paręset komórek i danego plazmidu.
Jeżeli będzie to plazmid zrekonstruowany z wstawionym obcym genem obcy gen będzie
występował w komórce bakteyjnej w tak samo dużej ilości kopii.
Ostatnim etapem jest izolowanie z hodowli bakteryjnej białka kodowanego przez obcy gen
zawarty w plazmidzie i z kolei identyfikacje tego białka przez zbadanie jego aktywności
biologicznej i właściwości. (izolowanie genu)
Inne metody polegają na izolowaniu mRNA a następnie mieszanie go z całością
zdenaturowanego jednoczęściowego DNA, czyli dzięki komplementarności tworzy się
połączenie mRNA i DNA następnie pod wpływem specyficznych enzymów rozkłada się DNA
poza tymi odcinkami, które będą połączone z mRNA, a więc poza genami, które nas interesują.
Jednoczęściowy DNA będący poszukiwanym przez nas genem replikuje się i otrzymuje się x
helix DNA pożądanego genu. Można doczepić do niego także "lepkie końce" i postępować tak
jak w metodzie "strzelania na ślepo".
W tym wypadku zrekonstruowany plazmid będzie zawierał poszukiwany przez nas gen.
Inny sposób wykorzystania wyizolowanego swoistego mRNA opiera się na klasyfikacji wirusa
tzn. istnieją oprócz wirusów z DNA wirusy z RNA wytwarzające bardzo swoisty enzym. Jest to
enzym katalizujący odwrotną transkrypcję, czyli enzym replikujący DNA na RNA - enzym
odwrotna transkryptaza. Dysponując czystym wyizolowanym mRNA oraz odwrotną
transkryptazą można na mRNA zreplikować odcinek DNA komplementarny do niego. Będzie on
identyczny z genem, z którego pochodzi mRNA. W rezultacie otrzymujemy pojedynczą nić DNA
poszukiwanego genu. Dalej postępujemy jak poprzednio.
W inżynierii genetycznej wykorzystuje się znajomość struktury DNA i kodu genetycznego.
Wiele odcinków DNA ma określone sekwencje, czyli znana jest sekwencja nukieotydowa genu.
O sekwencji nukleotydów genu można wnioskować na podstawie kolejności ułożenia
aminokwasów w białku.
Obecnie opracowano metody syntezy DNA bez udziału organizmów innych np. otrzymano
insulinę złożoną z 51 aminokwasów, lub niektóre neurohormony zbudowane z kilku
aminokwasów.
Zastosowanie inżynierii genetycznej pozwala na otrzymanie nowych odmian bakterii mających
określone pożądane cechy lub dzięki inżynierii genetycznej istniejów zżliwość wprowadzenia
gen?ńc
wierzęcych do bakterii w celu otrzymania odmian bakterii tworzących białka zwierzęce, co
ma zastosowanie w szybszej i tańszej produkcji białek.
Głównym obiektem badań inżynierii genetycznej są bakterie. Wprowadzanie obcego DNA do
komórek organizmów wyższych jest bowiem trudne. Można obecnie wyizolować z organizmu i
hodować komórki i tkanki zwierzęce, do których następnie wprowadza się obcy DNA. Badania
dotyczą transformowania zygot lub gamet zwierzęcych np. myszy. ten sposób wprowadzono do
organizmu myszy nowe geny. (np. geny królika)
Transformacja komórek roślinnych jest trudniejsza ze względu na ścianę celulozową.
Zabiegi polegające na całych komórkach lub jądrach komórkowych nazwano inżynierią
komórkową np. połączono komórki pochodzące z różnych gatunków zwierząt - technika
komórek mieszańcowych pozwoliła na uzyskanie jednorodnych przeciwciał - zwanych
monoklonowymi. Technika ta ma duże znaczenie praktyczne, gdyż otrzymując przeciwciała w
sposób zwykły z krwi zwierzęcia uodpornionego uzyskuje się mieszaninę różnych przeciwciał,
natomiast komórki mieszańcowe tworzą wyłącznie 1 rodzaj przeciwciał.
Ostatnią techniką szeroko obecnie stosowaną jest klonowanie. Klonem nazywamy potomstwo
jednego osobnika mnożącego się bezpłciowo, a zatem genetycznie identycznego w stosunku do
siebie jak i do organizmu macierzystego.
Klonowanie oznacza metodę otrzymywania klonów, a więc zbioru osobników identycznych
genetycznie i z organizmów rozmnażających się wyłącznie płciowo. Np. z zapłodnionego jaja
żaby usunięto jądro zygoty na jego miejsce wprowadzono jądro pobrane z komórki nabłonka
jelitowego innej żaby. Okazało się, że "zmienione jajo" rozwijało się normalnie powstała dorosła
żaba. Jajo, z którego ta żaba wyrosła miało jądro diploidalne zawierające geny identyczne z
genami żaby, z tkanki, której pobrano jądro. Otrzymano żabę pod względem genetycznym
identyczną z żabą, od której pochodziło jądro wprowadzone sztucznie do jaja. W ten sposób
można otrzymać klony zupełnie identycznych osobników stąd pochodzi termin klonowanie.
Nie udało się do tej pory klonować ssaków, jednak otrzymano np.: homozygotyczne myszy tzn.
mające na homologicznych chromosomach identyczne geny ułożone identycznie.
Obecnie można otrzymać z hodowli tkankowej komórek roślinnych homozygotyczne rośliny.
A
ącząc komórki roślinne można otrzymać komórki mieszańcowe.
Z hodowli takich komórek można otrzymać całą nową roślinę, czyli z hodowli komórek
mieszańcowych można otrzymać całe mieszańce roślinne, co ma znaczenie praktyczne.
W ostatnim czasie opracowano metodę otrzymywania tzw. fenokopii mutacji.
Fenokopiami mutacji nazywamy osobniki, w których ujawniają się cechy charakterystyczne dla
danej mutacji, jednak bez zmodyfikowania materiału genetycznego. Prawdziwe fenokopie
otrzymane zostały przez Jacoba przez zablokowanie translacji określonego genu, otrzymane
fenokopie były raczej przypadkowe. Badania inżynierii genetycznej pozwoliły również na lepsze
poznanie problemu nowotworów.