Эволюционная роль мутаций, значение мутаций для практики сельского хозяйства и биотехнологии

Содержание реферата

Введение
1. Мутационная теория де Фриза
2. Классификация мутаций, искусственный мутагенез, их роль в эволюции
3. Значение мутаций для практики сельского хозяйства и биотехнологии
Заключение
Литература

Введение

История одомашнивания растений и животных и их улучшения на протяжении столетий - это в основном история использования человеком генных мутаций. Твердо установлено, что мутации происходят и сейчас, и можно ожидать, что они будут служить основой для дальнейшего улучшения культурных растений, животных и микроорганизмов.
Мутации - прерывистые, скачкообразные изменения наследственности, определенным образом влияющие на признаки. Мутации представляют материал для естественного отбора в процессе эволюции.
Отдельные мутации известны науке уже давно, и Ч. Дарвин в своей книге «Изменение животных и растений в домашнем состоянии» описал значительное количество мутаций, которые он называл «единичными изменениями», или «спорными». Среди описанных Дарвином мутаций были крупные и хорошо заметные: «анконские» овцы с длинной, гладкой, прямой и шелковистой шерстью; и очень малые мутации, которые можно заметить и выделить только при самом тщательном наблюдении.
И. В. Мичурин вывел свой известный сорт Антоновка полуторафунтовая из отклонения, появившегося на одной ветке дерева обычной антоновки.
В 1930 г. в Швеции среди лисиц на ферме появилась одна мутантная особь так называемой платиновой окраски. Эта доминантная мутация была размножена и дала начало ценной коммерческой породе.
В настоящее время создано большое количество сортов культурных растений с помощью мутационной селекции, использующей химические и радиационные методы получения мутантов.
Индуцированный мутагенез стал одним из действенных методов селекции растений. При непосредственном размножении лучших индуцированных мутантов и использовании их в скрещиваниях с формами, полученными другими методами селекции, в мировом сельскохозяйственном производстве реализовано большое количество новых сортов. Мутантные сорта также получены у декоративных и вегетативно размножаемых растений.
Использование индуцированных мутаций оказалось исключительно полезным в работе с микроорганизмами (бактериями, грибами и др.).
Широко используется мутагенез и в таком важном новом направлении биологии, как биотехнологии.
Хотя современные формы культурных растений и домашних животных создавались в результате использования очень большого числа разнообразных мутаций и их сочетаний, достигнутых при скрещивании, тем не менее новые мутации и сейчас имеют очень большое значение в селекции растений, животных и микроорганизмов.

1. Мутационная теория Де Фриза

Систематическое и широкое изучение мутаций началось только с исследований голландского ученого Гуго де Фриза, которые относятся к 1880 г.
Свои исследования де Фриз проводил с растениями из семейства онагриновых (ослинник Ламарка), происходящими из Америки, но одичавшим и широко распространившимся в Голландии. В зарослях одичавшей энотеры де Фриз и собрал исходный материал для своих исследований. Ежегодно он выращивал несколько тысяч растений энотеры, тщательно изучал их, выделял уклоняющиеся растения, собирал с них семена, а затем проверял, в какой мере свойственные этим растениям уклонения передавались потомству.
В 1901 г. на съезде немецких естествоиспытателей и врачей в Гамбурге де Фриз изложил результаты своих исследований в докладе, называвшемся «Теория мутаций. Мутации и мутационные периоды в происхождении видов». Де Фриз сообщил, что при многолетнем изучении потомства немногих исходных растений энотеры он ежегодно обнаруживал ряд резко уклоняющихся растений, которые полностью передавали все своеобразные особенности семенному потомству. Де Фриз назвал такие уклоняющиеся растения мутациями и привел их описание. Так, растения отличались по форме и размеру листьев, крупности цветков и семян, окраске листьев. Де Фриз считал, что изученные им мутации энотеры в большинстве случаев отличаются от своей исходной формы так же сильно, как отличаются друг от друга различные виды энотеры, и высказал предположение, что мутации в ряде случаев могут давать начало новым видам.
Де Фриз произвел тщательные поиски других видов, у которых мутации возникали бы так же часто, как у энотеры, но эти поиски не имели успеха. В связи с этим он высказал предположение, что в истории видов происходит чередование очень длительных межмутационных периодов, в течение которых мутации возникают крайне редко, и коротких мутационных периодов, во время которых мутации происходят очень часто, и что энотера находится именно в таком кратковременном мутационном периоде.
Исходя из этих представлений, де Фриз выдвинул мутационную «теорию» эволюции, согласно которой прогресс в мире живых существ происходит толчками. В течение тысячелетий, во время межмутационных периодов, виды находятся в состоянии покоя, но при наступлении мутационного периода у вида в течение короткого времени появляется большое количество самых разнообразных мутаций, резко отличающихся от исходной формы. Мутации с пониженной жизнеспособностью погибают, а мутации с нормальной жизнеспособностью занимают специфические экологические ниши в качестве самостоятельных видов. Таким образом де Фриз связывал прогрессивную эволюцию и возникновение новых видов с мутационными периодами, в течение которых возникает большое количество мутаций, дающих начало новым видам.
Последующие исследования доставляли науке богатый фактический материал об основных особенностях мутаций и о значении мутаций для эволюции и внесли очень существенные коррективы в представления де Фриза.

2. Классификация мутаций, искусственный мутагенез, их роль в эволюции

Установлено, что в природе возникают как большие мутации, подобные тем, которые были описаны де Фризом, так и малые, отличающиеся от исходных форм только мало заметными признаками, и что малые мутации встречаются во много раз чаще, чем большие. Выяснилось, что в жизни видов отсутствуют резко различные мутационные и межмутационные периоды и что мутации возникают с примерно равной частотой во все периоды жизни вида.
Наконец, оказалось, что большие мутации почти никогда не дают начала новым видам, т. к. такие мутанты бывают недостаточно хорошо приспособленными к внешним условиям и не могут успешно выдержать конкуренцию с исходными формами. Напротив, сочетания малых мутаций, создаваемых и закрепляемых естественным отбором, дают начало новым формам, очень хорошо приспособленным к окружающей среде и постепенно превращающимся в новые виды.
Итак, установленные экспериментальной генетикой основные свойства спонтанных мутаций не дают никаких оснований сомневаться в решающем значении естественного отбора для возникновения новых видов и, вместе с тем, очень хорошо объясняют пути и способы возникновения тех небольших наследственных вариаций, с которыми имеет дело естественный отбор.
В настоящее время спонтанные мутации обнаружены у многих растений, животных и микроорганизмов, известно очень большое количество самых разнообразных спонтанных мутаций. Все мутации по действию на жизнеспособность и плодовитость можно разделить на четыре группы:
В первую группу входят мутации, вызывающие гибель организма, известные под названием летальных. Примером таких мутаций у растений могут служить:

1) мутации, вызывающие гибель зародышей;
2) мутации, обусловливающие неспособность к образованию корневой системы;
3) мутации, связанные с потерей способности к образованию хлорофилла.

У животных - это мутации, вызывающие гибель эмбрионов или отсутствие жизненно важных органов, без которых невозможно существование взрослых форм.
Ко второй группе относятся мутации, резко понижающие жизнеспособность, и называемые полулетальными, или сублетальными. Для них характерно, что мутанты живут в течение некоторого времени, но затем гибнут из-за наследственного дефекта. Примером таких мутаций могут служить полулетальные карлики, известные у ряда растений, цыплята, лишенные оперения и др.
Третью группу составляют мутации, существенно не изменяющие жизнеспособности, но резко уменьшающие фертильность и известные под названием стерильных мутаций.
Четвертую группу образуют мутации, не изменяющие жизнеспособности и плодовитости или даже существенно повышающие жизнеспособность или плодовитость мутантов.
Большинство спонтанных мутаций относятся к одной из первых трех групп. Это зависит, по-видимому, от того, что возникновение мутаций нарушает внутренний баланс в процессах обмена веществ и индивидуального развития организма, и это нарушение приводит к появлению ряда аномалий, понижающих жизнеспособность и фертильность мутантов. И сравнительно редко такое нарушение баланса не влияет на жизнеспособность и фертильность мутантов или даже повышает их благодаря созданию нового баланса, на более высоком уровне, взамен разрушенного равновесия.
Существуют и некоторые другие классификации мутаций.
Термин «мутация» охватывает все скачкообразные наследственные изменения, но уже давно выяснено, что мутации явно неоднородны и заключают две резко различные категории - хромосомные и точковые мутации.
Хромосомные мутации возникают в результате различных изменений числа и строения хромосом: краткого увеличения основного набора хромосом; добавления или утери одной из хромосом; добавления или утери отдельных участков хромосом; переноса отдельных участков хромосом с одной хромосомы на другую (транслокации); поворота одного из внутренних участков хромосомы на 180 град. (инверсия участка хромосомы) и т. д.
Точковые мутации вызываются не изменением числа или строения хромосом, а изменением строения генов. В ряде случаев бывает очень трудно отличить точковые мутации, вызванные изменением строения гена, от хромосомных мутаций, вызываемых выпадением участков или маленькими дефектами. Но в достаточно полно изученных случаях разделить эти две группы наследственных изменений все же вполне можно. Одним из наиболее надежных способов является получение так называемых возвратных мутаций.
Дело в том, что при точковой мутации может произойти новое изменение гена, которое приведет к восстановлению его прежнего строения и его исходной способности обусловливать образование определенного фенотипа. Для многих точковых мутаций такие возвратные (обратные) мутации действительно были получены. Для хромосомных мутаций, вызываемых выпадением небольших участков хромосом, такой возврат к исходному состоянию путем обратной мутации невозможен. Поэтому наличие возвратных мутаций может служить убедительным аргументом в пользу того, что это точковая, а не хромосомная мутация.
Большая часть точковых мутаций полностью рецессивна, меньшая же часть их частично проявляется в гетерозиготном состоянии, и очень редко встречаются доминантные мутации.
Частота возникновения спонтанных мутаций очень низка и желательно многократное ее повышение. Кроме того, для теории эволюции и решения ряда важных общебиологических проблем очень большое значение имеет выяснение вопроса, в какой мере возникновение мутаций зависит от воздействия на организм внешних условий и нет ли таких факторов внешней среды, которые оказывают на возникновение мутаций особенно сильное и строго специфическое влияние.
Попытки видоизменить растения с помощью искусственных мутагенов - рентгеновских или ультрафиолетовых лучей - впервые предприняли в 1922 г. Когда в 1927 г. Меллер сообщил, что рентгеновские лучи заметно повышают частоту мутаций у дрозофилы, а через год подтвердили это в отношении ячменя и кукурузы, возник повышенный интерес к возможности использования индуцированных мутаций для улучшения сортов многих культур.
Настойчивое и тщательное изучение действия рентгеновских лучей, проводившиеся Густафссоном и его коллегами в Швеции, вновь пробудило интерес к радиационной генетике и мутационной селекции во всем мире. Густафссон начал эти исследования в 1928 г. и сосредоточил свое внимание главным образом на ячмене. Большое количество мутационных агентов в виде ионизирующих излучений и химических веществ стали доступны для селекционеров после Второй мировой войны. В некоторых случаях, как в Швеции, так и в других странах, применение мутагенов привело к успеху, и несколько сортов, полученных в результате программ мутационной селекции, вошли в сельскохозяйственную практику.
Несколько позднее было установлено, что способностью резко повышать частоту появления мутаций обладают не только Х-лучи, но и другие физические факторы и химические вещества: гамма-лучи, нейроны, ультрафиолетовые лучи, акрит, этиленамин, формальдегид, фенол и многие другие химические мутагены.
В 1931 г. Г. А. Левитский и М. С. Новошеин установили, что облучение семян Х-лучами вызывают различные формы разрушения и перестройки хромосом. Растения, выросшие из облученных семян, оказались сложными хромосомными химерами.
В результате исследований выяснилось, что все мутационные факторы можно разделить на две большие группы:

1) вызывающие точковые мутации и хромосомные мутации с примерно одинаковой частотой;
2) вызывающие преимущественно или исключительно точковые мутации.

В первую группу входят различные формы ионизирующей радиации и из числа химических мутагенов иприт (горчичный газ) и др., а во вторую группу - ультрафиолетовые лучи и большинство химических мутагенов.
Ионизирующие излучения и химические мутагены усиливают мутирование в тысячи раз, что облегчает возможности изучения закономерностей изменчивости и эволюции форм в природе и культуре. Правомерностью использования метода индуцированного мутагенеза для решения проблем эволюции служит общее совпадение естественных и индуцированных спектров мутаций, что наблюдается как на уровне организма, так и на клеточном уровне.
Существуют три основных фактора: мутация, отбор и комбинация, участвующие в образовании новых форм.
Необходимо отметить, что при использовании как физических, так и химических мутагенов, большое внимание уделяется разработке методики. Источником ионизирующего излучения служат рентгеновские аппараты. Радиоактивные изотопы, источники гамма- и бета-излучения не так удобны, но они лучше обеспечивают глубокое проникновение радиации в ткань. Радиоизотопы иногда вводят внутрь растения; чаще всего используют фосфор (Р32), серу (S35), углерод (С14). Ионизирующее излучение может вызвать генные и хромосомные мутации; изменения в числе хромосом; подавление клеточного деления; гибель ядра или клеток; частичную или полную стерильность; замедление или стимуляцию роста; ненормальный рост. Применение ионизирующих излучений требует максимальной осторожности.
Применение ультрафиолетового излучения приводит к появлению большего количества генных мутаций и меньшего хромосомных. У растительных объектов ультрафиолетовыми лучами отрабатывают только пыльцевые зерна.
Существует много химических мутагенов: иприт и его аналоги, этиленимины, уретан, алкалоиды, перекиси, формальдегид, производные нуклеиновой и азотистой кислот. Хромосомные перестройки и генные мутации были получены даже с помощью растительных масел.
Действие химических мутагенов сходно с действием ионизирующих излучений, но соотношение хромосомных и генных мутаций значительно колеблется, в зависимости от применяемого вещества. Химические мутагены вызывают больше генных и меньше хромосомных изменений, чем ионизирующее излучение.
При использовании мутагенов у растений обрабатывают определенную часть растения. Так, облучают обычно семена. Для большинства культурных растений дозы установлены.
Дозы рентгеновского облучения для обработки семян некоторых культур, (в рентген):

- горох 5000 - 15000 ;
- ячмень 10000 - 15000 ;
- пшеница 15000 - 20000 ;
- лен 40000 - 50000 ;
- горчица 100000.

Наиболее широко индуцированный мутагенез использовался для изучения эволюции пшеницы.
Среди многих радиационных мутантов у пшениц к наиболее перспективным относят неполегающие формы с хорошим зерном, крупноколосые и устойчивые к грибным заболеваниям. Во многих научных учреждениях нашей страны и за рубежом получены мутагенные сорта озимой пшеницы, отличающиеся неполегаемостью даже при самых неблагоприятных погодных условиях, превышающие исходные сорта по урожаю на 36-58 %.
Действие искусственных мутагенов изучалось также на ячмене, рисе, кукурузе, сорго, арахисе, нуте, картофеля, горчице, винограде и других культурах.
Интересные изменения под воздействием рентгеновских лучей и гибберелловой кислоты наблюдались у декоративных растений.
Так, у цитрусовых и древесных растений мутации привели к большому разнообразию формы и окраски листьев и цветков.
Использование мутагенов открывает большие возможности для получения совершенно новых форм растений, характеризующихся новыми морфологическими и физиолого-биохимическими особенностями. Особое значение это имеет для установления путей эволюции культурных растений от дикорастущих видов.

3. Значение мутаций для практики сельского хозяйства и биотехнологии

Задачи сельскохозяйственного производства включают всемирное увеличение продукции зерновых, технических, овощных и плодовых культур.
Решение этих задач возможно при наличии новых перспективных, интенсивных сортов различных культур. Получение новых сортов интенсивного типа возможно, в частности, с помощью химических мутагенов.
Воздействие мутагенными факторами на исходные формы увеличивает частоту мутаций и позволяет создать богатейший селекционный материал, обладающий комплексом ценных хозяйственных признаков и свойств.
Так, во многих научных учреждениях нашей страны и за рубежом были получены новые сорта в результате использования физических и химических мутагенов. Это сорта яровой и озимой пшеницы, отличающиеся повышенной урожайностью, устойчивостью ко многим болезням и другими полезными свойствами. Получены также сорта томатов, отличающиеся высокой продуктивностью, высокими вкусовыми и технологическими качествами, пригодные для механизированной уборки.
В последнее время также ведутся интенсивные исследования по индуцированному мутагенезу на объектах промышленного рыбоводства - карпе, толстолобике, радужной форели. Цель таких исследований - определение эффективности и особенности действия различных химических мутагенов с последующим отбором мутантов для дальнейшей селекции.
Ведутся также исследования по изучению мутагенов в микробиологии. Были получены мутантные штаммы микроорганизмов, обладающие способностью разрушать вредные вещества, содержащиеся в сточных водах производства каучука.
Вполне вероятно, что мощь новых методов с особой силой проявлялась в селекции тех организмов, у которых для получения мутаций и отбора можно использовать много особей, дающих быструю смену поколений. Такие условия в наилучшей форме соблюдены у микроорганизмов. Многие бактерии, грибы, антиномицеты и другие формы представляют большой практический интерес для сельского хозяйства и медицины. Перед микробиологической промышленностью, дающей аминокислоты, витамины, антибиотики, жиры и другие вещества, открыты громадные возможности.
Мутационная селекция оказалась незаменимым звеном в новой области интенсивного использования важнейших микроорганизмов на службе у человека. Влияние радиации или химических мутагенов на молекулярные структуры и вызывает новые формы протекания биохимических процессов в клетке.
Так, можно получить радиационные и химические мутанты микроорганизмов со свойствами «сверхсинтеза» по нужному веществу. Именно таким путем радиационная и химическая селекция пенициллов, актиномицетов, дрожжей и других низших грибов и бактерий показала возможность создания форм, получение которых раньше было практически невозможно.
Основные работы в этом направлении были выполнены в нашей стране еще в 40-50-х гг.
В настоящее время вся мировая промышленность антибиотиков основана на использовании радиационных и химических мутагенов. Обращаясь к истории получения антибиотиков, можно сказать, что если бы не было новых методов, рожденных в лабораториях экспериментальной генетики, то нам были бы недоступны пенициллин, стрептомицин и другие мощные антибиотические препараты. В свое время в Институте антибиотиков в Москве при помощи этиленимина и ультрафиолетовых лучей был получен продуцент пенициллина, повышающий в 12 раз выход продуктов по сравнению с первым штаммом. Этот штамм обеспечил производительную работу заводов России, Болгарии, Румынии, Китая, Венгрии, Германии. В том же институте при помощи этиленимина, ультрафиолетовых лучей и лучей Рентгена был выведен продуцент биомицина, продуктивность которого увеличилась на 60 %, и продуцент тетрамицина, продуктивность которого превысила исходный штамм на 800 %. На 800-1000 % была повышена продуктивность штаммов продуцентов эритромицина и олеандомицина.
Широко используются антибиотики, аминокислоты и витамины в животноводстве, что опять-таки достигается получением штаммов микроорганизмов со сверхсинтезами этих веществ. Так, добавка аминокислоты лизина в корм поросятам и цыплятам увеличивает их привес на 25 %.
Еще в 1964 г. в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова С. И. Алиханян с сотрудниками получил штамм бактерий, выделяющий в 500 раз больше лизина, чем исходный штамм.
Стремительное развитие событий - характерная черта ХХ в. В полной мере это относится и к темпам научного прогресса. В короткий срок были созданы две совершенно новые технологии, радикально изменившие мир, - ядерная технология и электроника. С поразительной скоростью входит в нашу жизнь третья технология ХХ в. - биотехнология.
Необходимость внедрения в сельское хозяйство нетрадиционных технологий, которые позволили бы поднять на новый уровень производство необходимых для человека продуктов питания, в последние годы ощущается все с большей остротой. Для селекционного процесса технологии клеточной и генной инженерии растений имеют огромные перспективы. Одно из важных направлений в биотехнологии растений занимает клеточная селекция, при которой отбор клеточных линий и растений с новыми наследственными признаками производится на уровне культивируемых in vitro клеток. Получение растений из отобранных в селективных условиях мутантных клеток возможно благодаря уникальности растительной клетки.
Приемы культивирования растительных клеток и регенерации из них растений, разработанные для многих сельскохозяйственных культур, уже сейчас позволяют экспериментально реализовать возможности клеточной селекции, т. е. применять ее для создания новых сортов растений. Перечень мутантов с важными сельскохозяйственными признаками, селекция которых осуществима на клеточном уровне, довольно большой. К ним относятся мутанты устойчивости к стрессовым факторам, гербицидам, различным заболеваниям, сверхпродуценты незаменимых аминокислот.
Направления исследований, которые решаются с помощью клеточной селекции, не ограничиваются созданием ценного исходного материала. Методы клеточной селекции лежат в основе ряда технологий промышленного выращивания клеточных культур, продуцентов экономически значимых веществ. Эти направления исследований важны также для развития фундаментальных вопросов мутагенеза, генетики, молекулярной биологии, физиологии и биохимии растений. Благодаря новой технологии селекции получены многочисленные клеточные линии и растения, которые широко используются в качестве исходного материала для теоретических исследований. С их применением были выделены мутанты, ранее не известные у растений, а также первые мутанты, устойчивые к антибиотикам.
Применение достижений генетической инженерии в сельском хозяйстве очень широко. Это производство пищевого и кормового белка, утилизация веществ, вредных для окружающей среды, создание технологий безотходного производства, получение биогаза, выведение высокопродуктивных пород животных, новых сортов растений, устойчивых к болезням, гербицидам, насекомым, стрессовым воздействиям.

Заключение

Мутации являются первичными изменениями, на которых строятся эволюция и селекция. Естественное проявление мутаций - это процесс, постоянно идущий у всех организмов. В его основе лежат изменения в химии генов, различные структурные преобразования в хромосомах, изменения в числе хромосом.
Мутационная изменчивость лежит в основе всякого исходного материала для селекции, ибо исходное, первичное наследственное разнообразие возникает только на основе мутаций. Возможность управления процессом мутаций приводит к самым серьезным изменениям во всей проблеме исходного материала для селекции.
Управление процессом мутаций может осуществляться разными путями. С одной стороны, резкое усиление общих процессов изменчивости приводит к получению в большом количестве максимального разнообразия генов и хромосом. С другой стороны, важнейшее значение имеет использование таких факторов, которые обладают способностью вызывать специфическое мутирование. В этом случае возникает возможность дифференцированно управлять процессом мутаций, вызывая ограниченный круг нужных мутаций, а в конце концов получать только нужные мутации.
Естественный мутационный процесс зависит от внешних факторов. Факторы внешней среды составляют основу появления естественных мутаций. Частота мутаций в естественной среде может увеличиваться под воздействием температуры, ультрафиолетового света, ионизирующих измерений, химических мутагенов.
Теперь существует возможность, используя факторы внешней среды, вмешиваться в химическую структуру генов, вызывая в любом нужном количестве мутации генов и хромосом. Этим по-новому решается проблема исходного материала для селекции. Методы индуцированного мутагенеза коренным образом дополняют все остальные разделы учения об исходном материале. Лишь пройдя строгую селекцию, а в ряде случаев и скрещивание, мутации могут положить начало новым сортам. Сама же селекция идет классическими генетическими методами, т. к. мутации - это только сырой материал для создания сорта.
Естественный мутационный процесс является основой эволюционных преобразований видов, и в течение всей прошлой селекции был основой отбора при создании сортов растений. В результате действия естественного и искусственного отбора наследственные изменения - мутации, в зависимости от их адаптивной или хозяйственной ценности, закрепляются при половом или вегетативном размножении или не подвергаются под влиянием изменений внешней среды мутациям, генетическим изменениям.
Велика роль естественных и индуцированных мутаций в селекции растений и животных, микробиологии, биотехнологии, что является основой успешного развития сельскохозяйственного производства.

Список литературы

1. Петров Д. Ф. Генетика с основами селекции. М.: Высшая школа, 1976.
2. Химический мутагенез и задачи сельскохозяйственного производства. М.: Наука, 1993.
3. Сельскохозяйственная биотехнология. М.: Высшая школа, 1998.
4. Щербаков В. К. Мутации в эволюции и селекции растений. М.: Колос, 1992.
5. Майо О. Теоретические основы селекции растений. М.: Колос, 1984.
6. Сидоров В. А. Биотехнология растений. Киев: Наукова думка, 1990.