Мутації. Мутагенез. Матеріал для учнів 9 класу.

                                             Мутагенез

        Мутагенез (штучне створення мутацій) може використовуватися як ефективний генетичний інструмент. Стимулюванням мутацій визначеним і потім наглядом фенотипу організму можуть бути визначені функції генів і навіть індивідуальних нуклеотидів.

        Експериментальний мутагенез. Сорти рослин і штами мікроорганізмів виводяться під дією фізичних і хімічних мутагенів. Таким методом був виведений високопродуктивний сорт пшениці «Новосибірська-67», і мікроорганізми, що продукують певні ферменти.
        Штучний мутагенез - новий важливе джерело створення вихідного матеріалу в селекції рослин. Застосування іонізуючих випромінювань і хімічних мутагенів значно збільшує кількість мутацій. Однак значення експериментального мутагенезу для селекції рослин було зрозуміле не відразу. А. А. Сапегін і Л. Н. Делоне - перші дослідники, що показали значення штучних мутацій для селекції рослин. В їх дослідах, що проводилися у 1928-1932 рр. в Одесі і Харкові, була отримана ціла серія господарсько корисних мутантних форм у пшениці.

         Незважаючи на це, до застосування експериментального мутагенезу в селекції рослин

тривалий час продовжували ставитися негативно. Лише в кінці 50-х років до експериментального мутагенезу виявили підвищений інтерес. Він був пов'язаний, по-перше, з великими успіхами ядерної фізики і хімії, що давало можливість використовувати для створення мутацій різні джерела іонізуючих випромінювань і високореактівні хімічні речовини, і, по-друге, з отриманням цими методами на різних культурах практично цінних спадкових змін.

        Особливо широко роботи з експериментального мутагенезу в селекції рослин розгорнулися в останні роки. Дуже інтенсивно вони ведуться в СРСР, Швеції, Японії, США, Індії, Чехословаччини, Франції і деяких інших країнах. В Інституті хімічної фізики АН СРСР під керівництвом В. О. Рапопорта створений центр по хімічного мутагенезу, який координує роботу багатьох сільськогосподарських науково-дослідних установ, що використовують індуковані мутації в якості вихідного селекційного матеріалу. Велику цінність представляють мутації, що володіють стійкістю до грибкових та інших захворювань.
        Створення імунних сортів - одне з головних завдань

селекції, і в її успішному вирішенні велику роль повинні зіграти методи радіаційного і хімічного мутагенезу. З допомогою іонізуючих випромінювань і хімічних мутагенів можна ліквідувати окремі недоліки у сортів сільськогосподарських культур і створювати форми з господарсько корисними ознаками: не вилягають, морозостійкі, холодостійкі, скороспілі, з підвищеним вмістом білка та клейковини.
        Можливі два основних шляхи селекційного застосування штучних мутацій: пряме використання мутацій, отриманих у самих кращих районованих сортів, і в процесі гібридизації. У першому випадку ставиться завдання поліпшення існуючих сортів за деякими господарсько-біологічними ознаками, виправлення в них окремих недоліків. Цей метод вважається перспективним в селекції на стійкість до захворювань. Передбачається, що у будь-якого цінного сорту можна швидко отримати мутації стійкості і зберегти при цьому недоторканими інші господарсько-біологічні ознаки. Це дало б можливість селекціонерам швидко реагувати на утворення паразитів. Метод прямого використання мутацій розрахований на швидке створення вихідного матеріалу з потрібними ознаками і властивостями. Однак пряме і швидке використання мутацій при тих високих вимог, які пред'являються до сучасних селекційних сортів, далеко не завжди дає позитивні результати. Отриманий внаслідок мутагенезу вихідний матеріал повинен, як правило, пройти через гібридизацію. Це другий шлях використання штучних мутацій. У Краснодарському НДІСГ мутантний сорт ячменю Темп був включений в гібридизацію з контрастним по ряду ознак сортом західноєвропейської селекції. Це зумовило величезну генетичне різноманіття форм і поява трансгресивних ліній. З цих комбінацій було виділено сорт ярого ячменю Каскад, що перевершує вихідні форми по урожаю і багатьма іншими ознаками.
        Мутації можуть змінювати своє фенотипне вираження в залежності від того, в який генотип вони включаються. Особливо це відноситься до малих фізіологічним мутацій. Тому схрещування якісно змінює вплив окремих мутацій на розвиток багатьох ознак і властивостей.
        Широко застосовуються також поєднання індукованого мутагенезу з гібридизацією, обробка гібридного насіння мутагенами F0, F1 і старших поколінь, схрещування мутантних форм між собою і з кращими місцевими сортами, бек расова гібридизація. Використовується експериментальний мутагенез і спільно з віддаленою гібридизацією. Шляхом штучних мутацій у ряді випадків вдається долати несхрещуваність різних далеких видів рослин, а також проводити пересадку шляхом транслокації окремих локусів хромосом диких видів у хромосомний комплекс культурних рослин.
Так, Е. Сирсу (США) вдалося перенести від егилопса в геном пшениці дуже невеликий шматочок хромосоми, контролюючий стійкість до іржі. В результаті була отримана нормально плодовита форма, нічим не відрізняється від пшениці, але володіє завдяки проведеній транслокації стійкістю до іржі. Аналогічним шляхом Ф. Елліот переніс пирію в геном пшениці локуси стійкості до стеблової іржі. Винятковий інтерес представляє експеримент Р. Штуббе (НДР) по поліпшенню дикого дрібноплідного помідора в процесі мутагенезу. Шляхом багаторазового п'ятиступінчастого опромінення променями рентгена і відбору він довів крупність плодів у цієї форми до нормальних розмірів. Поруч дослідників встановлено, що мутаційність  віддалених гібридів значно вище, ніж внутрішньовидових і лінійних звичайних сортів.
         Численні досліди показали, що частота і характер виникаючих мутацій в рівній мірі залежать як від виду мутагенів, так і від спадковості вихідного сорту. Вибір вихідного сорту для одержання мутацій так само важливий, як підбір батьківських пар при гібридизації. Для створення потрібних мутацій необхідно враховувати здатність сортів до утворення тих чи інших мутацій, а також частоту їх виникнення.
         Виявлено, що чим ближче сорти за своїм походженням і генотипом, тим вони більше схожі на частоту і характер виникаючих мутацій, і, навпаки, чим генетично сорти менш споріднені, тим більше вони розрізняються за мутаційної мінливості. Таким чином, закономірності штучного мутагенезу у різних сортів підкоряються закону гомологічних рядів у спадковій мінливості.
         Для одержання господарсько-цінних мутацій найбільш широко застосовуються гамма-промені, промені рентгена і нейтрони, а з хімічних мутагенів - алкілуючі з'єднання: етиленимін, нітрозоетилмочевина, етилметансульфонат та ін. Концентрація хімічних мутагенів та дози іонізуючих випромінювань не повинні бути дуже високими. Для опромінення насіння гамма-промені і промені рентгена застосовують в дозах від 5 до 10 кР; опромінення швидкими нейтронами проводять при дозах від 100 до 1000 рад. Якщо опроміненню піддається пилок, дозу зменшують у 1,5-2 рази. Хімічні мутагени зазвичай використовують у вигляді водних розчинів 0,05-0,2 %-ний концентрації при тривалості намочування насіння від 12 до 24 год. При цьому забезпечується краще виживання рослин та збереження серед них мутацій з господарсько-корисними ознаками. Не слід допускати великого розриву в часі між обробкою насіння і їх посівом, так як в противному випадку може знизитися схожість і зрости шкідливий ефект. Щоб знизити шкідливу дію мутагенів, оброблене насіння рекомендується промивати в проточній воді. Різні покоління рослин, отриманих з насіння від впливу мутагенами, позначають буквою М з відповідними цифровими індексами: М-1 - перше покоління, М-2 " - друге і т. д. Для одержання господарсько-корисних мутацій у будь-якого сорту рекомендується піддавати мутагенному впливу від 2 до 4 тис. насінин. Відбір мутацій найчастіше проводять у М2. Але

так як в М1 виявляються не всі мутації, його повторюють у М%. Іноді відбір починають і М1. У цьому випадку відбирають домінантні мутації, а також високопродуктивні рослини для подальшого відбору в їх потомстві генних мутацій, не пов'язаних з хромосомними перебудовами. Перше покоління мутантів

вирощують при оптимальних умов живлення і зволоження. Рослини М1 обмолочують окремо або спільно. При роздільному обмолоті у другому поколінні висівають індивідуальні потомства (сім'ї) окремих рослин, що полегшує виділення мутацій з господарсько-корисними ознаками. У другому поколінні відбирають мутанти з добре вираженими цінними ознаками і рослини для отримання малих мутацій в наступному поколінні. Надалі мутації піддаються відбору або використовуються в схрещуваннях між собою або з сортами.
        До теперішнього часу в світі створено багато мутантних сортів сільськогосподарських рослин. Деякі з них мають істотні переваги в порівнянні з вихідними сортами. Цінні мутантні форми пшениці, кукурудзи, сон та інших польових і овочевих культур отримано в останні роки в науково - дослідних установах. У Всесоюзному НДІ олійних культур вперше у світовій селекції методом хімічного мутагенезу створений сорт соняшнику Первісток (оливковий мутант), в маслі якого міститься до 75 % олеїнової кислоти. За якістю воно не поступається маслу, що видобувається з плодів субтропічного вічнозеленого оливкового дерева. Багато мутантні сорту в даний час вивчаються у виробничих умовах і випробовуються на сортодільницях Держкомісії з сортовипробувань сільськогосподарських культур. Особливу увагу селекціонерів приваблює використання мутацій карликовості. З цією проблемою в багатьох країнах пов'язане здійснення селекційних програм зі створення короткостеблових сортів зернових культур інтенсивного типу, здатних при зрошенні і внесенні високих доз мінеральних добрив давати врожай зерна 100 ц/га і вище. Одним з найбільш цінних донорів короткостеблості у пшениці виявився старий японський озимий Norin 10, володіє трьома парами спонтанно виникли рецесивних генів карликовості dw (від англ. dwarf - карлик) з нерівнозначним ефектом (dwx>dw2>засобу). Якщо звичайний сорт має висоту стебла більше 150 см, у напівкарликових сортів з одним геном карликовості висота стебла становить 100-110 см, а у сортів з двома і трьома генами карликовості відповідно 70-90 і 45-50.             Виключно ефективною виявилась робота зі створення короткостеблових сортів пшениці з використанням генів Norin 10 в Мексиканській міжнародному центрі по поліпшенню пшениці і кукурудзи (СИММИТ). У багатьох країнах на основі мексиканських карликових пшениць створені власні пристосовані до місцевих умов короткостеблові сорти інтенсивного типу. Поряд з рецесивними генами карликовості сорти Norin 10 в селекції сортів інтенсивного типу використовують домінантні гени, носіями яких є тибетська пшениця Той Роісе (Пус) і родезійський сорт Olsen Dwarfs. Ці гени знижують висоту стебла у пшениці ще сильніше, ніж рецесивні. Використовуючи їх, можна створювати ультранизькорослі трехгенні карликові сорти з висотою стебла 30-35 див. Передбачається, що отримання таких сортів дозволить підняти урожайний потенціал пшениці в умовах дуже інтенсивного культури землеробства до 150 ц/га і вище. У Краснодарському НДІСГ шляхом хімічного мутагенезу отримано карликові мутанти з сортів озимої пшениці Безоста 1 і Миронівська 808. Карликові мутанти Безостой 1, мають хороші якості зерна і більш високу зимостійкість, широко

використовуються в гібридизації. На основі мутанта Краснодарський карлик за 6 років виведений сорт озимої пшениці інтенсивного типу Полукарликовая 49. Для одержання високопродуктивних сортів озимого жита селекційними установами нашої країни успішно використовується природний мутант EM-I, несучий домінантний ген короткостеблості. З допомогою карликових мутантів рису вдалося створити сорти, стійкі до полеганкю, чуйні на високі дози мінеральних добрив, а також відрізняються завдяки нейтральній фотоперіодичній реакції високою пластичністю. Цінні мутантні сорти ячменю отримані в Австрії, ФРН, НДР, США, Чехословаччини, Швеції. У Краснодарському НДІСГ шляхом хімічного мутагенезу із сорти озимого ячменю Заповіт отримано стійкий до вилягання напівкарлик 55М1. В цьому ж інституті отриманий гігантський широколистий товстостеблий мутант вівса і на його основі створено сорт Зелений, дає дуже високий урожай кормової маси.
        Використовується мутагенез і для отримання карликових гібридів кукурудзи. У таких гібридів передбачається підвищити врожайність і прискорити дозрівання за рахунок зниження витрат

поживних речовин і води на ріст стебла, що одночасно дозволить вирощувати їх при значно більшій густоті стояння рослин і застосовувати в повторних посівах.
        Винятково велике значення біохімічних мутацій. Так, у кукурудзи спонтанні мутації білкового комплексу opaque-2 (тьмяний-2) і floury-2 (борошнистий-2) послужили основою для створення гібридів з високим вмістом незамінних амінокислот. Рецесивний ген збільшує вміст лізину в різних генотипах в 1,5-2 рази. На половину домінантний ген fl2 володіє такою здатністю, меншою мірою, під його контролем значно підвищується вміст метіоніну. При цьому скорочується кількість зерна і збільшується вміст інших білків, більш багатих зазначеними амінокислотами. В нашій країні створені перші високолізиновані гібриди кукурудзи Краснодарський 82ВЛ, Краснодарський 303ВЛ, Геркулес Л. В їх білку міститься приблизно в 1,5 рази більше лізину, ніж у звичайних гібридів. Тварини, яких годують зерном високолізинованих гібридів кукурудзи значно збільшують прирости, а витрати кормів при цьому набагато нижче, ніж при раціонах із звичайною кукурудзою.