Глава шестнадцатая. Селекция и генная инженерия

«Садоводство – дело целого народа, оно является после полеводства одним из самых полезных для здоровья народонаселения занятий и самым продуктивным в смысле доходности, не говоря уже об облагораживающем и смягчающем влиянии его на характер человека», считал знаменитый ученый-садовод Иван Владимирович Мичурин и был тысячу раз прав. Селекция (ведь именно в ней и заключается сущность садоводства), как и любое доброе дело, облагораживает того, кто его творит и смягчает характер. Вместо того, чтобы испытывать негативные эмоции по поводу несовершенства окружающего мира и ожесточаться, селекционеры пытаются немного улучшить этот несовершенный мир при помощи результатов своего труда. Чем ожесточаться, лучше новый сорт орхидей вывести или, скажем, новую породу лошадей.

Кстати, а что еще могут выводить селекционеры, кроме пород животных или сортов растений?

Штаммы микроорганизмов! Селекция микробов в наше время имеет не менее важное значение, чем селекция растений и животных.

«Селекция» переводится с латыни как «отбор». Суть любой селекции заключается в искусственном отборе особей для последующего размножения. В былые времена, до появления генетики, селекцию проводили интуитивно – скрещивали особей, имевших хорошо выраженные полезные качества. Чаще всего отбор проводился в течение длительного времени, во многих поколениях, но иногда людям везло – с животными или растениями происходила какая-то полезная мутация, которую оставалось только закрепить в потомстве. Типичным и часто приводящимся в научной литературе примером использования полезной мутации является выведение породы.

Анконские овцы удостоились внимания самого Чарльз Дарвин в своем труде «Изменчивость животных и растений в одомашненном состоянии» в качестве примера внезапного возникновения новой породы приводит коротконогих анконских овец. Дело было так – в 1791 году на одной из ферме в американском штате Массачусетс родился ягненок с длинным туловищем и очень короткими искривленными ногами. Когда этот ягненок вырос в барана, его хозяин оценил преимущество коротких ног, которые не позволяли перепрыгивать через изгороди пастбищ. Выгода от коротконогости получалась двойной. Во-первых, отпадала необходимость в пастухах и собаках, достаточно было утром отогнать овец на огороженное пастбище, а вечером вернуть в хлев. Во-вторых, не наносился ущерб полям. Надо сказать, что ущерб этот был значительным, поскольку овцы не только поедали всходы, но и вытаптывали их. Фермер скрестил коротконогого барана с его матерью и получил ожидаемое коротконогое потомство. Селекция была простой, так как проводилась по одному-единственному признаку – нужно было закрепить в потомстве всего один ген. Вдобавок у фермера была возможность скрещивания обладателя полезного признака с его матерью. То был уникальный случай выведения новой породы при помощи одного-единственного скрещивания. Обычно на это уходят годы. А вообще-то селекция происходила непрерывно с того самого момента, когда люди начали заниматься обработкой земли и скотоводством. Для посева всегда отбираются лучшие семена, а преимущество в скрещивании имеют те животные, у которых полезные признаки выражены лучше, чем у других.

Давайте познакомимся с основными методами селекции.

Первый метод – это подбор родительских пар, который преимущественно применяется в селекции животных, для которых характерно только половое размножение и немногочисленное, в сравнении с растениями, потомство. Подбор родительских пар – длительный и затратный процесс. Подобрали родителей – скрестили – дождались потомства – вырастили потомство до половозрелого возраста – подобрали новых особей для скрещивания с нужными признаками – снова скрестили… Для того, чтобы достичь нужного результата, скрещивать приходится многократно. Советский генетик Александр Серебровский называл подбор пар «вершиной селекции» и «наиболее творческой ее частью».

Второй метод – это отбор особей для дальнейшего размножения. Обратите внимание на то, что селекционный отбор всегда является искусственным и нередко входит в противоречие с естественным отбором. Взять хотя бы тех же анконских овец. В дикой природе короткие ноги были бы крайне неблагоприятным признаком. Ягненок с короткими ногами практически не имел шансов дожить до половозрелого возраста. Или бы он погиб из-за плохого питания потому что длинноногие собратья успевали бы съедать траву раньше, или бы стал добычей, отбившись от стада. Другим примером противоречия между естественным и искусственным отборами могут служить свиньи элитных пород, которые из-за своего огромного веса с трудом передвигаются и нуждаются в постоянной опеке. Ну а бесшерстные породы кошек – это просто надругательство над высокими идеалами естественного отбора.

Селекционный отбор бывает массовым и индивидуальным. Разница между двумя типами отбора огромная, можно сказать – принципиальная.

При массовом отборе особи, не обладающие нужными признаками или обладающие нежелательными признаками, отстраняются от размножения (стерилизуются, изолируются или уничтожаются). Таким образом происходит улучшение генофонда популяции.

Массовый отбор – это отбор «навылет». Неугодные устраняются, а все остальные могут размножаться.

Массовый отбор бывает эффективным в том случае, когда отбираются качественные, просто наследуемые и легко определяемые признаки. Массовый отбор обычно проводят по фенотипу и главный его недостаток заключается в том, что далеко не всегда по фенотипу можно определить лучший генотип. Как говорится: «и лицом бел, и телом статен, а дурак дураком».

Массовый отбор широко применяется в растениеводстве среди перекрестноопыляемых растений, у которых проще убрать из популяции ненужные организмы, нежели обеспечить скрещивание двух конкретных организмов поскольку пыльца переносится «неуправляемыми силами» – ветром и насекомыми.

При индивидуальном отборе для скрещивания выбираются отдельные особи, обладающие нужными признаками. Индивидуальный отбор эффективен при отборе особей по количественным, плохо выраженным и сложно наследуемым признакам. Этот метод позволяет точно оценить генотип по анализу наследования признаков у потомства (вспомните монаха, который выращивал горох). Его обычно применяют по отношению к самоопыляемым растениям, таким, например, как пшеница, ячмень, горох, а также к животным.

Третий метод – это гибридизация, процесс получения гибридов, объединяющих генетический материал своих родителей.

В селекции животных различают два основных способа скрещивания: инбридинг и аутбридинг.

Инбридингом называют скрещивание близкородственных форм. В качестве исходных участников при инбридинге используются братья и сестры или же родители и потомство. Делается это с целью разложения исходной формы на ряд чистых линий путем получения гомозиготных организмов, то есть тех, которые содержат одинаковые пары генов и не дают расщепления признаков в потомстве.

Непонятно? Многие признаки кодируются рецессивными генами и не проявляются в паре с доминантным геном. Но если скрестить двух животных с рецессивными генами, то в их потомстве будет высокой частота рецессивных пар. Если повторить инбридинг в течение нескольких поколений, то нужная рецессивная характеристика закрепится, став гомозиготной. В растениеводстве инбридингу соответствует самоопыление растений.

Инбридинг позволяет с высокой вероятностью получать особей с конкретными признаками и характеристиками.

Главным недостатком инбридинга является пониженная жизнеспособность потомства. Скрещивание близкородственное, следовательно, велика частота проявления схожих мутаций. Кроме того, при инбридинге возрастает частота наследственных заболеваний, обусловленных рецессивными генами. Поэтому, в большинстве случаев, инбридинг является только начальным этапом селекции. Добившись определенного результата с помощью инбридинга, селекционеры приступают к скрещиванию разных межлинейных гибридов для того, чтобы снизить вредные последствия близкородственного скрещивания путем перевода нежелательных рецессивных аллелей в гетерозиготное состояние. Чистота породы при этом немного снижается, но зато вырастает ее жизнеспособность. Такое неродственное скрещивание между особями одной породы или разных пород животных в пределах одного вида называется аутбридингом.

«В пределах одного вида», обратите внимание. Скрещивание волка с собакой – это аутобридинг, а скрещивание осла с лошадью – это отдаленная гибридизация, поскольку скрещиваются животные, относящиеся к разным биологическим видам.

Аутбридинг обычно представляет собой более масштабный процесс, нежели инбридинг, то есть – в скрещивании участвует бо́льшее количество особей. Аутбридинг применяется для поддержания полезных качеств и усиления их выраженности у следующих поколений. Различают также – получение межвидовых и межродовых гибридов, которая гораздо чаще применяется в селекции растений, нежели в селекции животных.

В практическом животноводстве аутбридинг называют разведением по племенной книге.

Доводилось ли вам слышать о племенных книгах? Герои некоторых литературных произведений сильно переживали из-за того, что их лошади не были занесены в племенные книги, а другие герои пускались на всякие ухищрения, от подкупа до мошенничества ради того, чтобы их лошадь попала в такую книгу.

Если вы занимаетесь «неродственным» скрещиванием, то вам нужно быть уверенным в том, что избранные вами для скрещивания особи соответствуют стандарту породы и имеют «чистое» происхождение. Для упорядочения и облегчения селекционной работы существуют реестры породы, называемые «племенными книгами». В эти книги вносят животных, которые считаются годными для разведения.

Племенные книги бывают закрытыми и открытыми. В закрытые племенные книги записывают только чистопородных животных, предки которых значатся в племенных книгах. Закрытая племенная книга позволяет сохранять чистоту породы, но ограничивает ее способность к улучшению, а также ограничивает генофонд породы. В открытые племенные книги записывают как чистопородных животных, так и высококровных помесей (гибридов, имеющих более половины кровности по чистокровной породе).

Племенные книги существуют с конца XVIII века. Изначально в племенные книги записывалось только происхождение животных. Позднее, кроме происхождения, стали записывать основные показатели развития, экстерьера, продуктивности и племенной деятельности животных.

Межвидовые и межродовые гибриды животных и растений чаще всего бывают бесплодными по причине нарушения образования половых клеток вследствие несовпадения количества отцовских и материнских хромосом. Но если половые клетки у гибридов образуются нормально, то они могут давать начало новым биологическим видам, объединяющим в себе качества (полезные качества) обоих предков.

Так, например, гибрид белуги и стерляди бестер сочетает быстрый рост белуги и раннее созревание стерляди, сравнительно легко привыкает к искусственным кормам и не требователен к теплу (диапазон температур роста варьирует от 1 до 30 С°). Взрослые особи достигают в длину до 1,8 метров, а масса их может превышать 30 килограмм. Самки бестера откладывают по 2-3 килограмма черной икры.

Бестер

Белуга и стерлядь принадлежат к разным родам осетровых рыб, но число хромосом у них одинаковое, и потому бестер хорошо размножается.

Гибрид хорька и европейской норки, называемый хонориком, произошел от скрещивания гибридного хорька-самца, родителями которого были черный и светлый хорьки и самки европейской норки. Хонорик – «трехвидовой» гибрид. Мех у хонорика такой же, что и у норки, но размеры тела больше, чем у хорька или норки. В этом и заключается его преимущество, как пушного зверя – шкурка больше, чем у норки при практически том же качестве меха. Впрочем, некоторые знатоки утверждают, что хонорик по качеству и красоте меха значительно превосходит норку. Хонорики примечательны тем, что встречаются и в дикой природе, в местах совместного обитания норок и хорьков. Также в природе встречаются и другие гибриды, например, зебры и лошади (зеброид), бизона и зубра (зубробизон), соболя и лесной куницы (кидус).

Хонорик

Гибрид горных баранов архаров и овец-мериносов, называемый архаромериносом, способен пастись высоко в горах, куда обычные овцы добраться не могут, но при этом дает такую же высококачественную шерсть, что и мериносы. Но главным преимуществом архаромериносов являются их размеры, которые значительно превосходят размеры архара и барана. Вес самцов может доходить до 150 килограмм, а вес у самок – до 90!

Архаромеринос

Гибриды, а в особенности гибриды первого поколения, отличаются повышенной жизнеспособностью (а также повышенной плодовитостью и бо́льшими размерами), нежели их родители. Увеличение жизнеспособности гибридов называется гетерозисом. С гетерозисом пока еще не все ясно, но принято объяснять его гетерозиготностью гибридов – у потомков родителей, принадлежащих к разным биологическим видам, а то и родам, большинство аллельных пар переходит в гетерозиготное состояние. При этом рецессивные «вредные» гены, снижающие жизнеспособность, не проявляются. Проще говоря, при сильно различающихся генотипах отца и матери меньше вероятность проявления у потомства нежелательных вредных признаков.

Со второго поколения гетерозисный эффект начинает угасать. Это можно объяснить повышением доли гомозиготных организмов, ведь второе поколение получается в результате близкородственного скрещивания. Потому для выращивания гетерозисных гибридов необходимо постоянное производство чистых линий. Скрестили чистые линии – получили гибрид – засеяли им поля – получили урожай – засеяли поля новым гибридом…

Феномен гетерозиса широко используют в растениеводстве и животноводстве. Бройлерные цыплята, отличающиеся очень быстрым ростом – это гибриды первого поколения (или же первых поколений). Широко используются суперплодовитые гибридные сорта сельскохозяйственных культур, в первую очередь кукурузы и пшеницы. В целом урожайность гетерозисных гибридов на 10-30 % выше, чем у обычных сортов, а гибриды кукурузы стандартно «держат планку» на уровне 30 %. Повышенная жизнеспособность гибридов первого поколения проявляется не только в бо́льшей урожайности, но и в устойчивости к температурным колебаниям, засухе и болезням.

Интересная деталь – в скотоводстве гибриды первого поколения отличаются более крупными размерами, говоря официальным языком – имеют повышенную мясную продуктивность, а вот повышенной молочной продуктивности у них не наблюдается. Молочную продуктивность можно повышать только при помощи отбора.

Селекция микроорганизмов имеет не менее важное значение, чем селекция растений и селекция животных. Микроорганизмы создают вещества, используемые в различных отраслях промышленности – фармацевтической, химической, пищевой, металлургической… Да, представьте, и в металлургической тоже – в частности микроорганизмы применяются для выщелачивания металлов из бедных медных и урановых руд. Такие отрасли пищевой промышленности, как хлебопечение, производство спирта и некоторых органических кислот, а также виноделие основаны на деятельности микроорганизмов. Микроорганизмы производят антибиотики, гормоны, витамины и ряд других лекарственных средств.

Традиционная, «исконная» селекция микроорганизмов использовала два метода – отбор и искусственный мутагенез. Вызывать мутации у микроорганизмов, размножающихся бесполым путем, очень удобно. Во-первых, любые мутации проявляются уже в первом поколении, потому что у однополых существ, размножающимся делением, нет генных пар. Парам просто неоткуда взяться, ведь в размножении участвует только один родитель. Во-вторых, микроорганизмы очень интенсивно размножаются, что дает возможность быстро находить полезные мутации по нужному гену.

Оценить эффективность «микробной» селекции можно хотя бы на примере грибов, вырабатывающих антибиотик пенициллин. Селекционерам удалось повысить продуктивность грибов более чем в 1000 раз! Животноводам и растениеводам такие увеличения продуктивности-урожайности неведомы.

Наш век – это век генной инженерии.

Как, по-вашему – чем генная инженерия отличается от селекции?

Дело в разных способах воздействия на генотип. Селекция воздействует на генотип косвенно и опосредованно, через многочисленные скрещивания. А генная инженерия непосредственно изменяет генетические коды, «переписывая» их так, как нужно.

Возможности генной инженерии несравненно шире возможностей селекции. Можно сказать, что генная инженерия всемогуща. Если ее могущество чем-то и ограничивается, так это уровнем развития науки. А теоретически, комбинируя гены, можно творить с живыми организмами буквально все, что вздумается. Звучит пугающе, но практически любое знание можно обратить как во благо, так и во зло.

Начало генной инженерии было положено в семидесятые годы прошлого века, когда ученые открыли рестриктазы (ферменты, «разрезающие» нуклеиновые кислоты) и поняли, что с их помощью можно нарезать молекулы ДНК на фрагменты и собирать из этих фрагментов новые молекулы. Главное для любого мастера – это хороший, надежный инструмент. Был бы инструмент, а все остальное приложится.

Рестриктазы ценны тем, что каждый конкретный фермент дает свой тип «нарезки» цепочек нуклеиновых кислот на фрагменты. Зная индивидуальные особенности рестриктаз, генетики могут подбирать ферменты так, чтобы получить нужные фрагменты.

Затем фрагменты вставляют в так называемые векторы – относительно небольшие молекулы ДНК вирусов или бактерий – и внедряют векторы в клетки, генотип которых нужно изменить. Проще всего внедрять ДНК в бактерии – если лишить бактерии их собственной ДНК, то они охотно «впитают» чужую, достаточно только поместить бактерии и ДНК в одну пробирку.

К сожалению, сознательность у вирусов пока еще хромает, причем сильно. В клетки они внедряются беспрекословно, но вот дальше ведут себя по-разному. Могут вставить в молекулу ДНК принесенные гены, а могут и не вставить. А еще могут вставить не туда, куда следовало, спутав похожие участки на молекуле ДНК. Поэтому, «натравив» вирусы на клетки, ученые затем «отделяют зерна от плевел» – отбирают для дальнейшей работы те клетки, в которых вирусы сделали все так, как было нужно.

После того, как желаемый результат получен, его «тиражируют» – размножают генетически модифицированные организмы. Кстати говоря, распространенное название «генетически модифицированные организмы» является не совсем точным определением для организмов, полученных в результате генной инженерии, потому что организмы, получаемые в результате обычной селекции, тоже являются генетически модифицированными, содержащими измененный генотип. Слово «модификация» означает преобразование или изменение в широком смысле, а вот приставка «транс-» четко указывает на перенос из одного места в другое, так что правильно называть ген, добавленный извне в геном, трансгеном, а организм, полученный в результате такой манипуляции – трансгенным организмом.

Генные инженеры говорят, что их возможности ограничены только лишь их воображением. Это совсем и нисколько не шутка, а истинная правда. С точки зрения технологии абсолютно не имеет значения, чей ген кому пересаживать. Да хоть от ископаемого мамонта дождевому червю! Важна только практическая целесообразность. Откуда и куда пересаживать не имеет значения. Важно только одно – зачем?

Другим преимуществом генной инженерии, не менее важным, чем неограниченные возможности, является скорость. Селекционеры могут годами, а то и десятилетиями решать поставленную задачу. И не факт еще, что им удастся ее решить… А генные инженеры добиваются своего практически сразу. Сроки исполнения задач в генной инженерии обычно исчисляются днями или неделями, а дальше уже происходит рост и размножение трансгенного организма, причем результат неизменно соответствует ожиданиям, без поправок на «авось» и «небось», распространенных среди селекционеров.

Для получения организмов с желаемыми свойствами генные инженеры не только пересаживают гены, но и «ампутируют» их, удаляя фрагменты из молекул ДНК. Подобные «ампутации» позволяют, к примеру, повысить устойчивость организмов (преимущественно – растительных) к определенным вирусам.

Каждый вирус запрограммирован природой на внедрение в молекулу клеточной ДНК на определенном участке. Вирус не может прикрепляться «куда угодно» в цепочке нуклеиновой кислоты, у него есть свои «якоря». Если вырезать эти «якоря» из молекул ДНК, то вирус не сможет внедриться в клеточную ДНК и запустить процесс самокопирования. Нет «якорей» – нет и болезни!

От генной инженерии следует отличать инженерию клеточную, представляющую собой набор различных методов гибридизации соматических клеток. Гибридизации, то есть получения гибридных клеток при скрещивании двух разных генетически различающихся организмов, а не целенаправленного изменения генотипа, производимого генными инженерами. Клеточные инженеры работают с клетками, генные – с генами, в том-то и заключается разница.