Гетерозис. Гетерозис Гетерозис в последующих поколениях обычно не сохраняется

ГЕТЕРОЗИС

(от греч. heteroiosis - изменение, превращение), «гибридная мощность», превосходство гибридов по ряду признаков и свойств над родительскими формами. Термин «Г.» предложен Дж. Шеллом в 1914. Как правило, Г. характерен для гибридов первого поколения, полученных при скрещивании неродственных форм: разл. линий, пород (сортов) и даже видов. В дальнейших поколениях (скрещивание гибридов между собой) его эффект ослабляется и исчезает. Гипотеза «сверхдоминирования», или моногенного Г., предполагает, что гетерозиготы по определ. гену превосходят по своим характеристикам соответствующие гомозиготы. К явлению, иллюстрирующему эту гипотезу, можно отнести межаллельную комплементацию. В основе ряла др. гипотез лежит предположение о наличии у гибрида большего числа доминантных аллелей разных генов по сравнению с родительскими формами и о взаимодействии между этими аллелями. Гипотезы синтетического характера основаны как на внутригенных, так и на межгенных взаимодействиях. О значении гетерозиготности как основы Г. свидетельствует и тот факт, что в природных популяциях особи гетерозиготны по большому числу генов. Более того, в гетерозиготном состоянии сохраняется мн. аллелей, проявляющих в гомозиготном состоянии неблагоприятные эффекты на жизненно важные признаки. Г. имеет важное значение в с.-х. практике (у с.-х. животных и растений Г. нередко приводит к значит, повышению продуктивности и урожайности: получение простых и двойных межлинейных гибридов кукурузы позволило повысить на 20-30% валовые сборы зерна), однако его использование часто недостаточно эффективно, т. к. до сих пор не решена проблема закрепления Г. в ряду поколений. В качестве подходов к решению этой проблемы рассматривается вегетативное размножение гетерозисных форм, полиплоидия и разл. нерегулярные формы полового размножения (апомиксис, партеногенез и др.).

Источник: «Биологический энциклопедический словарь.» Гл. ред. М. С. Гиляров; Редкол.: А. А. Бабаев, Г. Г. Винберг, Г. А. Заварзин и др. - 2-е изд., исправл. - М.: Сов. Энциклопедия, 1986.)

гетеро́зис

(гибридная мощность, гибридная сила), превосходство гибридов первого поколения над родительскими формами по жизнеспособности, урожайности, плодовитости и ряду других признаков. Для получения эффекта гибридной мощности важно в качестве родителей выбирать неродственные формы, представляющие различные линии, породы, даже виды. На практике наилучшие родительские пары, дающие наиболее ценные гибриды, отбираются в результате многочисленных скрещиваний, позволяющих выявить наиболее удачную сочетаемость различных линий. При скрещивании между собой следующих поколений гетерозис ослабевает и затухает.
В основе гетерозиса лежит резкое повышение гетерозиготности у гибридов первого поколения и превосходство гетерозигот по определённым генам над соответствующими гомозиготами . Таким образом, явление гибридной мощности противоположно результату близкородственного скрещивания – инбридинга , имеющему для потомства неблагоприятные последствия. Генетический механизм гетерозиса (он до конца не выяснен) связывают также с наличием у гибрида по сравнению с родителями большего числа доминантных генов, взаимодействующих между собой в благоприятном направлении.
Гетерозис широко используется в практике сельского хозяйства для повышения урожайности с.-х. культур и продуктивности с.-х. животных. В 1930-е гг. селекционеры США резко повысили урожайность кукурузы, применяя гибридные семена. Одна из важных задач селекции – поиски путей «закрепления» гетерозиса, т.е. сохранения его в ряду поколений.

Гетерозис

Понятие гетерозис.

Родственное спаривание сопровождается инбредной депрессией, повышением гомозиготности инбредного потомства и увеличением генетического сходства потомка с предком. Противоположными биологическими и генетическими свойствами обладает гетерозис.

Под гетерозисом понимают превосходство потомства первого поколения над родительскими формами по жизнеспособности, выносливости, продуктивности, возникающее при скрещивании разных рас, пород животных, зональных типов.

Явление гетерозиса, или «гибридной силы», было замечено в практике животноводства в давние времена, в частности при получении мулов скрещиванием осла с кобылой, Ч. Дарвин впервые дал научное объяснение «гибридной силы», которая возникает у потомства при скрещивании неродственных организмов. Он объяснял этот эффект биологическим несходством мужских, и женских гамет, которое вызывается влиянием различий окружающей среды, в которой обитают родители.

Генетические теории гетерозиса

Термин "гетерозис " был введен Г. Шеллом (1914), к объяснял наличие «гибридной силы» состоянием гетерозиготности в генотипе организма, формирующейся в результате скрещивания. Гипотеза гетерозиса, сформулированная Г. Шеллом, Е. Истом и X. Хейсом, объясняет явление гетерозиса наличием гетерозиготности различных локусов и проявляющимся при этом сверхдоминированием, то есть когда действие гетеро зиготы Аа на проявление фенотипа оказывается сильнее, чем гомозиготного доминантного генотипа АА (то есть эффект действия Аа больше действия АА) , Значение гетерозиготности было подтверждено работами Н. П. Дубинина, М. Лернера и других ученых,

Другое объяснение гетерозиса, сформулированное Кийблом и Пеллью (1910), основано на том, что при скрещивании организмов, несущих в генотипе разные гомозиготные гены, напри мер АА bb ) и ааВВ, у помесного потомства рецессивные аллели переходят в гетерозиготную форму генотипа АаВЬ, при которой устраняется вредное действие рецессивных генов. Влияние, доминантных генов на проявление гетерозиса может быть объяснено простым суммарным действием большого количества доминантных генов, то есть имеет место аддитивный эффект.

К. Давенпорт (1908) и Д. Джонс (1917) предложили объяснять гетерозис исходя из гипотезы взаимодействия неаллельных доминантных генов обоих родителей, что дает суммарный эффект, вызывающий гетерозис.

Выявлен экологический тип гетерозиса (Меркурьева и 1980), который вызывается процессом акклиматизации и про является у животных первой экологической генерации. Этот тип гетерозиса проявился в повышенной молочности потомства, родившегося в Рязанской области от айрширских коров, завезенных из Финляндии. В последующих поколениях удои снижались до уровня, соответствующего генетическому потенциалу завезенной группы коров.

Современные представления о причинах появления гетерозиса основаны на том, что гетерозис является результатом взаимодействия многих генов. Их множественное действие и при/ водит к гетерозисному эффекту, Такое объяснение получило название балансового гетерозиса (Добжанский, 1952). В дальнейшем Лернер (1954), Н. В. Турбин (1961-1968) продолжили разработку этого положения, Согласно их утверждениям геге-розис обусловлен действием многих генов, взаимно сбалансированных в геноме в процессе эволюции, которая определяет.оптимальное развитие и приспособленность организма к условиям среды.

Если при скрещивании происходит объединение оптимальных геномов обоих родителей, то у потомков первого поколения возникает наиболее благоприятная ситуация в комбинации геномов, что и приводит к проявлению гетерозиса, Следовательно, гетерозиготность, сопутствующая скрещиванию, претерпевает давление различных факторов и тем самым создается сбалансированное взаимодействие генов в геноме,

В практике животноводства иногда наблюдается так называемый отрицательный гетерозис, когда у потомства уровень признака ниже среднего показателя родителей, но несколько выше уровня признака того из родителей, у которого он развит слабее. Чем выше различия в уровне признака родительских форм, тем больше приближается средний уровень признака потомков к уровню признака худшего родителя. Эта особенность в наследовании описана Я Л, Глембоцким в отношении настрига шерсти у помесей, полученных от скрещивания коз ангорской породы с грубошерстными козами. Настриг шерсти у помесей первого поколения был несколько большим, чем у грубошерстных, но значительно меньше, чем у ангорских коз, у которых он был в 4-5 раз больше по сравнению с грубошерстными и помесными козами.

Исследования по выяснению биологических основ гетерозиса проводились в Институте экспериментальной биологии АН Казахской ССР с 1962 г. под руководством академика Ф. М.. Мухаметгалиева. Результаты исследований обобщены в монографии А. С. Сареенова (1982), которая может служить дополнительным материалом для понимания гетерозиса и эффекта скрещивания. В процессе работы определено количество ДНК, РНК, белков и активность ряда ферментов в тканях и в субклеточных структурах клеток (ядра, хромосом) чистопородных и помесных овец. Были выявлены особенности обменных процессов и гетерозис у животных, различающихся по происхождению. Оказалось, что гетерозисный эффект не связан с изменением количества наследственного вещества в отдельно взятой клетке, ядре или хромосомах. Скрещивание не вызывает у помесей активацию ранее неактивных генов, полученных через хромосомы родителей, и не приводит к коренной перестройке обменных процессов. Вместо этого наблюдается лишь стимуляция уровня напряженности метаболических процессов. В процессе онтогенеза это напряжение снижается и уменьшается эффект гетерозиса у помесей.

Биохимический эффект гетерозиса у помесей проявился в стимуляции активности тканевых ферментов (ДНК-азы, РНК-азы и др.), которые влияют на синтез нуклеиновых кислот. Активность ферментов у помесей протекает в более широком диапазоне рН среды, что повышает экологическую пластичность помесных организмов и приспособленность к условиям среды. Следовательно, скрещивание влияет на механизм регуляции активности ферментов.

Синтез РНК в клеточном ядре и трансляция направляемого РНК синтеза молекул белка в цитоплазме протекают у помесей на более высоком уровне. Этому способствует обогащение ядер клеток негистоновыми белками хроматина, который является специфическим стимулятором активности генома. Следовательно, скрещивание стимулировало синтез рибосомальной РНК, то есть усилило процесс транскрипции. Высказывается гипотеза, что с помощью биологически активных веществ (гормонов, метаболитов), которые могут влиять на активность генетического аппарата, можно продлить действие гетерозиса в течение более продолжительного отрезка онтогенеза.

Существуют и другие биохимические объяснения гетерозиса. Считается, что главной причиной гибридной мощности служит формирование на хромосомах чувствительных копий структурных генов, которые образуют избыток информации в клетках и определяют высокую сочетаемость процессов метаболизма (Северин, 1967).

Объяснения гетерозисному эффекту можно найти в суждениях, что у помесей присутствуют полиморфные типы белков (изоферменты), которые различаются некоторыми свойствами.

У родительских форм отсутствует полиморфизм ферментов, а при их скрещивании у помесей формируется полиморфизм и число полиморфных локусов у. них поэтому больше, чем у родителей. Это, по мнению некоторых ученых (Финчем, 1968; Кирпичников, 1974), объясняет эффект сверхдоминирования. Ф. М. Мухаметгалиев (1975) считает, что взаимное стимулирование геномов при оплодотворении равносильно аддитивному эффекту объединенных генетических систем и является основой появления гетерозиса, но не является причиной возникновения новых качеств в генетическом материале, поэтому гетерозис проявляется в количествнных изменениях признаков и имеет полигенный тип наследования.

Новый подход в объяснении гетерозисного эффекта предлагает В. Г. Шахбазов (1968). Он считает, что гетерозис имеет биофизическую основу, так как при оплодотворении происходит обмен электрическими зарядами гомологичных хромосом, что повышает активность хромосом в гибридных зиготах. Это приводит к накоплению кислых белков и РНК, повышает ядрышко-ядерное соотношение и увеличивает скорость митотического деления.

Приведенные объяснения причин гетерозисного эффекта указывают на отсутствие единства в научном объяснении явления гетерозиса, и поэтому проблема остается для дальнейшего изучения и рассмотрения. Несмотря на это, в практике животноводства осуществляют приемы селекции животных на за-крепление и усиление эффекта гетерозиса. Существует несколько приемов для вычисления величины эффекта гетерозиса. Выделяют так называемый истинный тип гетерозиса, который определяется по величине превосходства признака у помесных животных над обоими родительскими формами. Другой тип гетерозиса - гипотетический, когда признаки помесного потомства превосходят среднеарифметический уровень признака обоих родителей.

Если отсутствуют данные по одной из пород, от которых получены помеси, то их показатели сравнивают с материнской породой, а улучшенные показатели помесей называют не гетерозисом, а эффектом скрещивания.

Обобщая современное понимание явлений инбредной депрессии и гетерозиса, можно сделать выводы о необходимости использования обоих явлений в практической племенной работе.

Практическое применение гетерозиса

Для современного животноводства характерно использование скрещивания, сопровождающегося гетерозисным эффектом, особенно для яичного и бройлерного птицеводства. Эта система включает два основных этапа; выведение инбредных линий птицы с применением разных типов инбридинга и скрещивания (кроссирования) линий для получения так называемой гибридной птицы, у которой проявляется гетерозис. Например, в Нидерландах фирма «Еврибрид» работает с двумя кроссами кур яичного направления: «Хайсекс белый» (белая скорлупа, на базе леггорнов) и «Хайсекс коричневый» (при участии род-айланд и нью-гемпшир с коричневой скорлупой). Эти два кросса занимают ведущее положение в мировом яичном птицеводстве.

Работу по созданию гибридной яичной и мясной птицы про водят и в нашей стране. Для осуществления селекции на получение гетерозиса выводят инбредные линии путем спарива ния по типу «брат х сестра» в течение 3-4 поколений и более, сочетая это с жесткой выбраковкой нежелательных особей. Из большого числа заложенных линий к финалу остается около 10-15% линий при коэффициенте инбридинга в среднем на уровне 37,5% (спаривание полных сибсов в течение трех поколений). Далее скрещивают оставшиеся линии между собой для проверки их на сочетаемость, затем оставляют для производственного кроссирования наиболее удачные сочетания и получают 2-, 3-, 4-линейные гибриды,

Использование эффекта гетерозиса находит применение и в работе с другими видами животных, особенно в мясном скотоводстве, овцеводстве, верблюдоводстве, рыбоводстве. Методы получения эффекта гетерозиса разнообразны. Гетерозис проявляется при межвидовом скрещивании животных: получение мулов от скрещивания осла с кобылой, выведение новых гете-розисных пород путем получения гибридов от скрещивания крупного рогатого скота с зебу (санта-гертруда, бифмастер, чарбрей, бридфорд - в США; сан-пауло - в Бразилии; хауп-голштин - на Ямайке). В нашей стране отдаленная гибридизация проведена между тонкорунными овцами и архаром и выведена новая порода - архаромеринос. В Киргизии и на Алтае получены гибриды яка с симментальским скотом.

Отдаленная гибридизация сопровождается проявлением гетерозиса по ряду хозяйственно ценных признаков.

Проблема получения и усиления эффекта гетерозиса до конца не решена. Основным непреодоленным препятствием является утрата гетерозисного эффекта во втором поколении, то есть гетерозис, полученный в первом поколении, не закрепляется, а утрачивается в последующих поколениях при разведении помесей «в себе». Некоторые методы позволяют поддерживать гетерозис в нескольких поколениях. Одним из наиболее доступных и результативных методов служит переменное скрещивание, применяемое в пользовательном (товарном) животноводстве. При этом из помесей первого поколения, полученных от скрещивания маток породы А с производителями породы В, выделяют лучшую часть маток и скрещивают их с производителем породы С, получают помесей второго поколения, с проявлением гетерозиса при сочетании трех пород (А, В, С). Далее помесей второго поколения можно скрещивать с производителем породы D и получать более сложных помесей, в которых представлена наследственность исходной материнской породы А и наследственность отцовских пород В, С и В. Иных методов, позволяющих сохранить эффект гетерозиса, в животноводстве не разработано.

В практике современного животноводства доказано, что эффект гетерозиса многообразен и выражается в улучшении ценных хозяйственных признаков. Основными показателями гетерозиса являются повышение эмбриональной и постэмбриональной жизнеспособности; снижение затрат корма на единицу продукции; повышение скороспелости, плодовитости, продуктивности; проявление более широких возможностей приспособления к смене условий и новым элементам технологии. Широкий диапазон гетерозисного эффекта, проявляющийся в многообразии реагирующих признаков, является отражением физиологических и биохимических процессов, обусловленных особенностями генетического аппарата гетерозисных животных.

ИспользованиеГетерозиса в растениеводстве - важный приём повышения продуктивности растений. Урожай гетерозисных гибридов на 10-30% выше, чем у обычных сортов. Для использования Г. в производстве разработаны экономически рентабельные способы получения гибридных семя н кукурузы, томатов, баклажанов, перца, лука, огурцов, арбузов, тыквы, сахарной свёклы, сорго, ржи, люцерны и др. с.-х. растений. Особое положение занимает группа вегетативно размножаемых растений, у которых возможно закрепление Г. в потомстве, например сорта картофеля и плодово-ягодных культур, выведенные из гибридных семян. Для использования Г. с практической целью применяются межсортовые скрещивания гомозиготных сортов самоопыляющихся растений, межсортовые (межпопуляционные) скрещивания самоопылённых линий перекрёстноопыляющихся растений (парные, трёхлинейные, двойные - четырёхлинейные, множественные) и сортолинейные скрещивания. Преимущество определённых типов скрещивания для каждой с.-х. культуры устанавливается на основе экономической оценки. Устранению трудностей В получении гибридных семян может способствовать использование цитоплазматической мужской стерильности (ЦМС), свойства несовместимости у некоторых перекрестноопыляющихся растений и других наследственных особенностей в структуре цветка и соцветия, исключающих большие затраты на кастрацию. При выборе родительских форм для получения гетерозисных гибридов оценивают их комбинационную способность. Первоначально селекция в этом направлении сводилась к выделению лучших по комбинационной ценности генотипов из популяций свободноопыляющихся сортов на основе инбридинга в форме принудительного самоопыления. Разработаны методы оценки и повышения комбинационной способности линий и др. групп растений, используемых для скрещиваний.

Наибольший эффект в использовании Г. достигнут на кукурузе. Создание и внедрение в производство гибридов кукурузы позволило повысить на 20-30% валовые сборы зерна на огромных площадях, занимаемых этой культурой в разных странах мира. Созданы гибриды кукурузы, совмещающие в себе высокую урожайность с хорошим качеством семян, засухоустойчивостью и иммунитетом к различным болезням. Районированы гетерозисные гибриды сорго (Гибрид Ранний 1, Гибрид Восход), гетерозисные межсортовые гибриды сахарной свёклы, из которых наибольшее распространение получил Ялтушковский гибрид. Для получения гетерозисных форм все шире используются линии сахарной свеклы со стерильной пыльцой. Явления Г. установлены также у многих овощных и масличных культур. Получены первые результаты в изучении Г. у гибридов пшеницы первого поколения, созданы стерильные аналоги и восстановители фертильности (плодовитости), выявлены источники ЦМС у пшеницы.

В селекции животных и растений особое место занимает явление гибридной мощности, или гетерозиса , которое заключается в следующем.

При скрещивании разных рас, пород животных и сортов растений, а также инбредных линий гибриды F 1 по ряду признаков и свойств часто превосходят исходные родительские организмы. Скрещивание гибридов между собой ведет к затуханию этого эффекта в следующих поколениях. В настоящее время гетерозис установлен для всех изученных видов.

Хотя эффект гетерозиса известен с древнейших времен, его природа до сих пор остается мало изученной. Первое толкование биологического значения гетерозиса в эволюции животных и растений и попытка объяснить механизм этого явления принадлежали Ч. Дарвину. Он систематизировал большое количество фактов и сам ставил опыты по изучению гетерозиса. По мнению Ч. Дарвина, гетерозис служит одной из причин биологической полезности скрещивания в эволюции видов. Перекрестное оплодотворение поддерживается естественным отбором именно потому, что оно служит механизмом сохранения наибольшей гетерозисности,

Глубокий научный анализ явления гетерозиса стал возможен только с начала XX в. после открытия основных генетических закономерностей. При рассмотрении гетерозиса мы будем касаться возникновения его при скрещивании преимущественно инбредированных линий одного вида, поскольку в этом случае легче выяснить его генетический механизм.

С начала нашего столетия на кукурузе стали проводить систематическое исследование скрещиваний между инбредными линиями. При этом Г. Шеллом было показано, что скрещивание некоторых линий дает гибридные растения, более урожайные по зерну и вегетативной массе, чем исходные линии и сорта. Приведены опытные данные, показывающие низкую урожайность инбредных линий, значительное повышение урожайности в F 1 и снижение в F 2 при самоопылении растений F 1 .

За последние 30 лет в ряде стран, в том числе и в нашей, посев гибридными семенами стал основным приемом производства кукурузы как на зерно, так и для силоса. Для получения гибридных семян сначала создают инбредные линии из лучших сортов, отвечающих требованиям данного климатического района (инбредная линия создается в течение 5-6 лет путем самоопыления). При отборе линий оценивают их качества и свойства, которые необходимо получить у будущего гибридного организма. Инбридинг в линиях не может быть эффективным, если он не сопровождается отбором.

Создав большое число инбредных линий, приступают к скрещиванию между ними. Межлинейные гибриды первого поколения оценивают по эффекту гетерозиса ; исходя из этого показателя отбирают линии с лучшей комбинационной ценностью и затем размножают их в больших масштабах для производства гибридных семян. Работа по созданию инбредных линий и оценке их комбинационной ценности постоянно ведется в селекционных учреждениях. Чем больше создано ценных линий, тем вернее й скорее можно отыскать лучшие гибридные комбинации с необходимым сочетанием свойств.

При получении гибридных семян для производственных целей исходные линии, дающие при скрещивании наибольший эффект гетерозиса, высевают рядами, чередуя материнские и отцовские формы. Чтобы обеспечить опыление между ними, с материнских растений удаляют мужские соцветия (метелки). Теперь разработана новая схема производства гибридных семян с использованием цитоплазматической мужской стерильности, что позволило значительно сократить труд на удаление метелок у растений материнской линии. Таким путем получают простые межлинейные гибриды кукурузы. Этот метод в принципе является общим для семеноводства гибридов различных перекрестноопыляющихся растений.

В настоящее время в практике сельского хозяйства простые межлинейные гибриды кукурузы не используются, так как затраты на получение таких семян не окупаются. Теперь широко внедряется в практику посев семян двойных межлинейных гибридов. Последние получают путем скрещивания двух простых гибридов, проявляющих гетерозис.

По данным М. И. Хаджинова и Г. С. Галеева, результаты оценки продуктивности разных гибридов - межсортовых, сортолинейных и двойных межлинейных - показывают, что наиболее продуктивны двойные межлинейные гибриды.

Подбор простых гибридов для получения наиболее продуктивных двойных гибридов является важным этапом их селекции. Лучшие результаты дает скрещивание линий, происходящих из различных сортов. Так, например, если один простой гибрид получен от скрещивания инбредных линий двух сортов А X В, а другой - от скрещивания линий других сортов С х D, то двойной гибрид (А X В) х (С X D) дает гетерозис чаще, чем если бы двойной гибрид был получен от скрещивания простых гибридов, происходящих от линий одного сорта: (А х А 1 х (А 2 х А 3) или (В х B 1) х (В 2 х В 3).

Для успешного развития гибридного семеноводства необходимо исследовать, во-первых, как долго следует вести инбридинг, чтобы получить гомозиготные линии, и, во-вторых, разработать методы более быстрой оценки их комбинационной ценности.

Все, что было сказано в отношении кукурузы, по-видимому, является общим для получения гибридов у других высших перекрестноопыляющихся растений, а также у животных. В настоящее время в птицеводстве и в свиноводстве ряда стран широко используется скрещивание инбредных линий, происходящих из одной или разных пород. Следует особо подчеркнуть, что широкое использование гибридов в животноводстве возможно только при высоком уровне племенной работы и наличии ценных пород, то совершенно ясно, что в большинстве случаев инбредные линии в среднем будут иметь всегда более низкие показатели, чем сорта. О наличии гетерозиса следует говорить лишь в том случае, когда межлинейный гибрид превосходит не только родителей (линии), но и сорта, или породы, от которых произошли эти линии.

Как мы знаем, гены детерминируют свойства организма на всех стадиях онтогенеза начиная с момента оплодотворения. Гены ядра ооцита способны детерминировать свойства цитоплазмы яйцеклетки еще до оплодотворения. Характер реализации генотипа изменяется в зависимости от свойств цитоплазмы зиготы. Таким образом, проявление гетерозиса у гибрида зависит также и от свойств цитоплазмы. Роль цитоплазмы в определении гетерозиса доказывается следующим образом. При реципрокном скрещивании двух линий А X В и В х А гетерозис по одним и тем же свойствам нередко проявляется у гибридов только одного из скрещиваний и не проявляется у гибридов другого.

Проявление гетерозиса обусловлено индивидуальным развитием гибрида. В онтогенезе он реализуется неравномерно. На одних стадиях онтогенеза проявляется гетерозис по одним признакам, а на других - по другим или только по некоторым. Так, в раннем возрасте у одного и того же гибрида может наблюдаться гетерозис в отношении скорости роста отдельных частей организма и повышенной устойчивости к заболеваниям, но его может не быть, например, в отношении устойчивости к неблагоприятной температуре. Гетерозис по этому свойству может проявляться позднее.

Сильное влияние на проявление гетерозиса оказывают также факторы среды, в которых развивается гибридный организм. Есть основание считать, что гетерозис по жизнеспособности и устойчивости к заболеваниям лучше выявляется при неблагоприятных для развития условиях среды. Еще Ч. Дарвином было высказано предположение, что гетерозис у гибридов обусловлен более широкой нормой приспособительных реакций. Исследования последних лет показали, что гибриды F 1 в сравнении с инбредными линиями характеризуются большим разнообразием процессов обмена, участием большего числа различных метаболитов, ростовых веществ и энзимов. Гетерозис проявляется не только в целом организме, но и на клеточном уровне.

Выяснение генетических механизмов гетерозиса остается нерешенной проблемой. В настоящее время имеются три гипотезы, пытающиеся объяснить возникновение гетерозиса:

гетерозиготное состояние по многим генам,
взаимодействие доминантных благоприятных генов,
сверхдоминирование - гетерозигота превосходит гомозиготы.

Как мы уже говорили, при скрещивании гомозиготных инбридированных линий гибриды первого поколения по многим генам приобретают гетерозиготное состояние. При этом действие вредных рецессивных мутантных аллелей подавляется доминантными аллелями обоих родителей. Схематически это можно представить так: одна инбредная линия в гомозиготном состоянии имеет рецессивную аллель одного гена ааВВ, а вторая - другого гена ААbb. Каждая из этих рецессивных аллелей генов в гомозиготном состоянии определяет какую-нибудь недостаточность, которая снижает жизнеспособность инбредной линии. При скрещивании линий ааВВ X ААbb у гибрида объединяются доминантные аллели обоих генов (АаВb). Гибриды F 1 проявят при этом по указанным генам не только гетерозис, но и единообразие. В F 2 число особей с двумя доминантными генами в гетерозиготном состоянии будет лишь 4/16, поэтому гетерозисными оказываются не все особи. В дальнейших поколениях число гетерозигот сокращается, а число гомозигот увеличивается. В силу этих причин гетерозис в последующих поколениях затухает. Такова схема одной из генетических гипотез гетерозиса.

Мы привели пример с двумя генами, но физиологические свойства определяются огромным числом генов. Кроме того, неверно считать, что доминантные аллели всегда положительно, а рецессивные отрицательно влияют на жизнеспособность организма и его продуктивность. Доминантные аллели дикого типа чаще оказывают благоприятное действие, чем рецессивные. Это можно объяснить тем, что неблагоприятные доминантные мутации подвергаются более жесткому отбору - они уже в зиготе и на эмбриональных стадиях подвергаются элиминации, и отбором сохраняются лишь благоприятные. И так как само свойство доминирования гена эволюционирует под контролем отбора, то аллели дикого типа и оказываются более благоприятными для организма. Поэтому подбор в гибридной комбинации доминантных аллелей может скорее обеспечить гетерозис. Если бы гетерозис обусловливался простым набором доминантных аллелей, имеющихся в популяции, то этот набор было бы легко составить путем ряда скрещиваний и получить гетерозисные сочетания. Весьма возможно, что часть пород и сортов выводилась именно путем скрещивания и комбинаций линий, имеющих набор благоприятных доминантных аллелей. Но до сих пор не удавалось закрепить гетерозис в гибридной комбинации F 1 , т. е. получить не расщепляющиеся в F 2 формы.

Д. Джонсом еще в 1917 г. было предложено дополнение к изложенной гипотезе. Согласно Д. Джонсу, разные гены, дающие в сочетании гетерозис, находятся в пределах одной группы сцеплений: например, AbcdE - в одной, а соответственно aBCDe - другой гомологичной хромосоме. Именно это обстоятельство, с точки зрения Д. Джонса, затрудняет отбор в F 2 полностью гомозиготных форм по благоприятным доминантным генам, дающим сочетании гетерозис. Для осуществления такого сочетания доминантных аллелей необходимо, чтобы в этой паре хромосом AbcdE//aBCDe произошел минимум двойной кроссинговер, который привел бы к возникновению хромосомы с одними доминантными аллелями ABCDE. Малая вероятность одновременного осуществления такого события в нескольких хромосомах и является, по мнению Д. Джонса, причиной, затрудняющей закрепление гетерозиса. Гибрид же F 1 содержит все эти доминантные аллели, и поэтому у него наблюдается гетерозис.

Такова схема объяснения гетерозиса согласно второй гипотезе - гипотезе взаимодействия доминантных благоприятных генов, которую называют иногда также гипотезой набора кумулятивных доминантных аллелей, а сам гетерозис при этом - мутационным. Эта гипотеза в целом исходит из представления о простом суммировании эффекта доминантных аллелей с комплементарным действием.

Третья гипотеза исходит из того, что гетерозиготное состояние аллелей имеет превосходство над гомозиготным (АА < Aa > аа). Здесь можно допустить благоприятное трансположение аллелей дикого типа и мутантных аллелей, которое каким-то образом усиливает эффект действия генов. Указанное объяснение гетерозиса называют гипотезой сверхдоминирования.

Ни одна из трех гипотез не может считаться единственно правильной. Сейчас преждевременно отдавать предпочтение той или другой. Вероятно, они все окажутся правильными, но для разных случаев. Наверное, каждый из механизмов, предусматриваемых этими гипотезами, играет роль в определении гибридной мощности. Гетерозис является сложным явлением как по механизму возникновения, так и по проявлению его в онтогенезе.

Очевидно, окончательный вывод о генетических механизмах гетерозиса можно будет сделать лишь после того, как раскроется картина взаимодействия генов в генетической системе на биохимическом и молекулярном уровнях. Как мы уже знаем, подавление проявления мутаций с помощью супрессоров позволяет исправлять нарушения в действии гена и его аллелей. Возможно, что явление гетерозиса есть суммарный результат работы не основных генов, определяющих развитие признаков организма, а набора супрессирующих генов в генотипе. Важным моментом изучения гетерозиса становится исследование плазменных отношений.

Основной задачей использования гетерозиса в селекции является закрепление его, т. е. сохранение эффекта гетерозиса в процессе воспроизведения гибрида. Решение этой задачи мыслится в нескольких аспектах: во-первых, закрепление гетерозиса путем перевода гибридного организма с полового размножения на апомиктическое, что, по-видимому, возможно для некоторых растений; во-вторых, закрепление гетерозиса путем перевода диплоидного гибрида, проявляющего гетерозис, в полиплоидное состояние. В этом случае гетерозиготная комбинация генов будет сохраняться дольше.

У вегетативно размножающихся растений поддержание ценных гибридных комбинаций, полученных половым путем, осуществляется вегетативным размножением (черенками, прививками, клубнями и т. д.).

Существует ряд других путей поддержания гетерозиса в ряду поколений, однако все они еще недостаточно разработаны и проверена.

ГЕТЕРОЗИС ГЕТЕРОЗИС

.(Источник: «Биологический энциклопедический словарь.» Гл. ред. М. С. Гиляров; Редкол.: А. А. Бабаев, Г. Г. Винберг, Г. А. Заварзин и др. - 2-е изд., исправл. - М.: Сов. Энциклопедия, 1986.)

гетеро́зис

.(Источник: «Биология. Современная иллюстрированная энциклопедия.» Гл. ред. А. П. Горкин; М.: Росмэн, 2006.)

Синонимы :

Смотреть что такое "ГЕТЕРОЗИС" в других словарях:

Ускорение роста, увеличение размеров, повышение жизнестойкости и плодовитости гибридов первого поколения по сравнению с родительскими формами растений или животных. Обычно во втором и последующих поколениях гетерозис затухает. Гетерозис широко… … Финансовый словарь

Гетерозис (в переводе с греческого языка изменение, превращение) увеличение жизнеспособности гибридов вследствие унаследования определённого набора аллелей различных генов от своих разнородных родителей. Это явление противоположно инбредной … Википедия

- (от греческого heteroiosis изменение, превращение), свойство гибридов первого поколения превосходить по жизнестойкости, плодовитости и другим признакам лучшую из родительских форм. Во втором и последующих поколениях гетерозис обычно затухает.… … Современная энциклопедия

Способ предназначен для использования в сельском хозяйстве. Цель - значительное повышение эффективности гибридизации сельскохозяйственных культур. Гетерозис гибридов проявляется только в первом поколении. Установлено, что затухание гетерозиса в последующих поколениях гибрида в основном происходит из-за перехода рецессивных леталей, полулеталей и субвиталей в гомозиготное состояние и нарушения комплекса благоприятных скоординировано действующих генов. Устранение этих явлений приводит к закреплению гетерозиса в последующих поколениях. Оно выполняется посредством возвратных скрещиваний гибрида с искусственно полученными от него абсолютно гомозиготными андрогенетическими сыновьями, после чего генетически трансформируемый гибрид практически полностью очищается от вредных генов и одновременно сохраняет в целости комплекс благоприятных генов, определяющих гетерозис. Это позволяет полностью сохранить гетерозис в последующих уже промышленных поколениях, полученных в результате несложных внутригибридных скрещиваний, что доказано экспериментами на тутовом шелкопряде. Способ также предназначен для сельскохозяйственных растений, у которых возможно получение андрогенетических абсолютно гомозиготных особей. 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к способам, используемым в сельском хозяйстве. Общеизвестен естественный способ сохранения гетерозиса в ряду последующих поколений посредством вегетативного размножения у растений, дополнительно обладающих половым размножением. Многочисленные исследования в этой области на других растениях, не способных к вегетативному размножению, и животных не увенчались полным успехом (1), потому что природа гетерозиса все еще оставалась большой загадкой генетики (2). В литературе не было высказано даже сколько-нибудь реальных теоретических подходов к кардинальному решению этой важной проблемы. У некоторых животных гетерозис можно закрепить клонированием. Однако этим способом пока получают единицы идентичных матери потомков. У тутового шелкопряда клонирование разработано более успешно, но для практического использования в плане сохранения гетерозиса оно не приемлемо по двум причинам: из-за большой трудоемкости массового получения партеногенетического потомства и меньшей, по сравнению с самцами, продуктивности женского пола, из которого состоят клоны (3). Перспективные результаты получены авторами после того, как они разработали метод мейотического партеногенеза и получили от партеногенетических клонов абсолютно гомозиготных самцов тутового шелкопряда (4). Их возвратное скрещивание с партеногенетическим клоном гибридного происхождения позволило закреплять гетерозис в беккроссных поколениях (5). Но это было открытием лишь принципиальной возможности закрепления гетерозиса. Практического же значения этот метод не имел и, следовательно, не мог быть запатентован в качестве способа. Это объяснялось тем, что гомозиготных самцов могли получать только от высокожизнеспособных женских партеноклонов с высокой склонностью к партеногенезу. У коммерческих пород и гибридов абсолютных гомозиготов практически получать не удавалось, поэтому мейотический партеногенез был использован только для рекогносцировочных опытов, направленных на выяснение возможности решения проблемы. Изобретение способа закрепления гетерозиса у тутового шелкопряда, пригодного для производства, стало возможным после открытия авторами односпермичного андрогенеза (1998, неопубликовано). Сущность изобретения. Гетерозис проявляется только в первом поколении гибрида. В последующих поколениях, начиная со второго, он резко затухает. Поэтому, чтобы вырастить гетерозисный гибрид приходится каждый раз вновь повторять межсортовую или межпородную гибридизацию. Этот процесс технически сложный и весьма трудоемкий, а применительно ко многим растительным культурам он просто невыполним, хотя их гибриды, если бы они были получены, дали бы удивительно высокие урожаи по сравнению с родительскими формами. Примером этого служат многие сельскохозяйственные растения. Эти проблемы были бы кардинально решены, если бы удалось разработать эффективный способ закрепления гетерозиса в последующих поколениях. Такой способ одновременно открыл бы совершенно новый подход к созданию еще более выдающихся по гетерозису гибридов. Известно, что любой промышленный гибрид получают посредством скрещивания огромной массы индивидуумов двух родительских форм. А эти индивидуумы весьма дифференцированы по комбинационной способности. Поэтому производство довольствуется средним гетерозисом по всем вместе взятым индивидуальным гибридам, каждый из которых происходит от половых клеток двух родителей. В то время как редкие индивидуальные гибриды обладают поистине фантастическим гетерозисом, в следующем поколении он безвозвратно теряется. Предлагаемый способ позволит закреплять этот мощный гетерозис в последующих поколениях гибрида и размножать его в неограниченных количествах. Одной из причин гетерозиса считали благоприятное действие на развитие и жизнедеятельность организма гетерозиготности вообще всех генов, независимо от их специфичности (гипотеза "сверхдоминирования"). Авторы на тутовом шелкопряде экспериментально доказали, что гетерозис возникает в результате двух главных причин. Первая - интеграция в генотипе гибридов большого количества скоординированных в своем действии благоприятных генов, контролирующих жизнеспособность. Вторая - переход в гетерозиготное состояние не всех генов генотипа, а только рецессивных деталей, полулеталей и субвиталей (4). На фиг. 1 приведены доказательства этого. Следовательно, снижение гетерозиса в последующих поколениях гибридов в основном объясняется неизбежным при скрещивании гибрида в его пределах переходом части рецессивных деталей и полулеталей в гомозиготное состояние и нарушением в процессе мейоза комплекса благоприятных генов, повышающих жизнеспособность. Поэтому авторы пришли к выводу, что закрепить гетерозис в последующих поколениях можно, если в генотипе гибрида полностью сохранить или даже улучшить комплекс всех благоприятных генов и практически полностью удалить из генотипа рецессивные летали и полулетали. Эта задача решена авторами следующим способом. В качестве исходного материала выбирают генетически отдаленные две породы, от скрещивания которых возникают наиболее высокогетерозисные гибриды. От этих двух пород получают серию индивидуальных гибридов, каждый из которых происходит только от двух родителей. Путем сравнительных испытаний выбирают 10 лучших по гетерозису индивидуальных гибридов. От каждого гибрида получают абсолютно гомозиготных потомков методом односпермического андрогенеза, выполнение которого доступно селекционерам. Для этого неосемененных самок любой породы облучают - лучами в дозе 80 кр. Затем самки спариваются с самцами индивидуальных гибридов. Отложенные яйца в возрасте 60-80 минут после откладки при температуре 25 o C прогревают 210 минут в воде, нагретой до 38 o C. Абсолютные гомозиготы в подавляющем большинстве погибают на разных стадиях развития из-за того, что в гаплоидном генотипе, доставшимся им от отца, содержится много летальных, полулетальных и субвитальных генов. При диплоидизации ядра пронуклеуса они переходят в гомозиготное состояние, чаще всего несовместимое с нормальным развитием организма. Выживают только те гомозиготы, которым в ходе мейоза не досталось или досталось, но очень мало, вредных генов, в основном слабого действия (5). Выращенных абсолютно гомозиготных особей возвратно (беккросс) скрещивают с исходным гибридом, получая, таким образом, первое беккроссное поколение (фиг. 2). Созревание исходного гибрида и абсолютных гомозиготов должно быть синхронизировано путем задержки начала выращивания первого на время, равное продолжительности цикла развития взятого объекта. Простые расчеты показывают, что в беккроссном потомстве новые гомозиготы сильных по вредности генов не могут появиться, а гомозиготы субвитальных генов, если они не были элиминированны у выживших гомозиготных андрогенов, подавляются комплексом благоприятных генов, доставшихся от исходного гибрида. Вот поэтому гетерозис сохраняется во всех беккроссных поколениях (фиг. 3). С первыми и последующими беккроссными поколениями поступают точно так же, как и с исходным гибридом (фиг. 2). Дальнейшие беккроссы приводят, во-первых, к почти полному удалению деталей и полулеталей из генотипа гибрида и, во-вторых, к сохранению той численно преобладающей части генов, которые обеспечили гетерозис в исходном гибриде. После 5 или 6 беккроссов очищенный от вредных генов гибрид массово размножают путем внутригибридного скрещивания. У потомства, полученного в результате такого размножения, гетерозис не только сохраняется на уровне исходного гибрида, но и даже несколько усиливается (фиг. 4), что свидетельствует о полном решении проблемы закрепления гетерозиса у тутового шелкопряда. Полная общность генетических основ гетерозиса и его затухания у животных и растений позволяет данное изобретение рекомендовать для закрепления гетерозиса у сельскохозяйственных растений, у которых возможно получение от гибридов абсолютно гомозиготных особей андрогенного происхождения. Их получают путем стимулирования эмбрионального развития гаплоидной пыльцы с последующим превращением ее зародышевых клеток в диплоидные, развивающиеся в жизнеспособные фертильные растения. Методика варьирует в зависимости от биологических особенностей культуры. Графические материалы. Фиг. 1 А. Показана прямая зависимость между урожаем коконов тутового шелкопряда - основной показатель гетерозиса (1) и уровнями гетерозиготности (2) генетических вариантов гибрида неочищенных от леталей и полулеталей. Показатели урожая и гетерозиготности исходного гибрида первого варианта (1) приняты за 100%. Б. Показано полное отсутствие зависимости между урожаем коконов (1) и уровнями гетерозиготности (2) у генетических вариантов, очищенных от леталей и полулеталей. Это доказывает несостоятельность гипотезы гетерозиса "сверхдоминирования" и возможность сохранения гетерозиса в беккроссных поколениях. Фиг. 2. Схема очищения гибридов тутового шелкопряда от рецессивных леталей и полулеталей посредством возвратных скрещиваний гибридов с полученными от них абсолютно гомозиготными самцами А и Б породы. F 1 , F 2 - гибрид первого и второго поколения. F b1 , F b2 - первое и второе беккроссное поколение. Фиг. 3. Жизнеспособность исходного гибрида (1) и беккросных поколений (II), полученных по схеме, представленной на фиг. 2. Фиг. 4. Демонстрирует показатели частоты вредных генов в гетерозиготном состоянии (1), массы кокона (2), жизнеспособности (3) у исходного гибрида (I) и трансформируемого гибрида после четырех последовательных возвратных скрещиваний с гомозиготными самцами (II), а также у трех последовательных инбредных поколений (III-V). Выкормка каждого генетического варианта проводилась одновременно с контрольным партеногенетическим гибридом, показатели которого принимались за 100%. Во всех генетических вариантах гетерозис выше, чем у исходного гибрида, что свидетельствует о кардинальном решении проблемы закрепления гетерозиса. Стабильное сохранение гетерозиса во всех беккроссных поколениях уже свидетельствовало о принципиальной эффективности разрабатываемого способа. Но беккроссные поколения не применимы в практике из-за сложности их получения. Поэтому в заключительном эксперименте на тутовом шелкопряде изучали возможность закрепления гетерозиса уже не в беккроссных, а в нормальных поколениях. В этом заключительном опыте исходный гибрид вначале подвергался четырем беккроссам с гомозигонтыми самцами. В результате частота гетерозигот по леталям и полулеталям снизилась до 6,2% со 100% в исходном материале. Далее беккроссные поколения размножали инбридингом. Каждое инбредное поколение получали посредствам скрещивания брата с сестрой в пределах каждой отдельно взятой семьи. В результате частота вредных генов, погашенных нормальными аллелями, снизилась в первом инбредном поколении до 4,7, а во втором и третьем - до 3,5 и 2,6% соответственно. Инбредное размножение исключительно пагубно влияет на все хозяйственные показатели нормального инбредного потомства. Но в нашем опыте оно не только не оказало угнетающего действия на инбредное потомство, а, наоборот, привело к повышению у него средней массы одного кокона и жизнеспособности по сравнению с исходным, контрольным гибридом (фиг. 4). Следовательно, проблема закрепления гетерозиса у гибридов последующих поколений кардинально решена. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

1. Инге-Вечтомов С. И. 1989. Генетика с основами селекции. М. "Высшая школа", на стр. 557. 2. Хатт Ф. 1969. Генетика животных. Пер. с англ. под ред. д-ра биол. наук Я.Л. Глембоцкого. М., "Колос", на стр. 322. 3. Струнников В. А. 1998. Клонирование животных: теория и практика. - Природа, N 7, с.3 -9. 4. Струнников В.А. 1987. Генетические методы селекции и регуляции пола тутового шелкопряда. М. ВО "Агропромиздат", на стр. 35. 5. Струнников В.А. 1994. Природа гетерозиса и новые методы его повышения. - М. Наука, 108 с.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ закрепления гетерозиса гибрида в последующих поколениях, включающий использование возвратных скрещиваний с абсолютно гомозиготными самцами, отличающийся тем, что для сохранения в генотипе гибрида благоприятных генов, определяющих гетерозис, и одновременно для удаления леталей и полулеталей применяют возвратные скрещивания гибридов с полученными от них методом односпермичного андрогенеза андрогенетическими абсолютно гомозиготными самцами и затем после нескольких беккроссов переключают беккроссные поколения на обычное массовое бисексуальное размножение посредством внутригибридных скрещиваний. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что абсолютно гомозиготных самцов тутового шелкопряда получают методом односпермичного андрогенеза, выполняемого путем облучения яиц в теле самки - лучами в дозе 80 кр., последующего спаривания с самцами исходных индивидуальных гибридов и прогрева облученных осемененных яиц в возрасте 60 - 80 мин в воде, нагретой до 38 o C, в течение 210 мин. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью резкого повышения гетерозиса гибридов промышленного назначения, закрепляют гетерозис только у возникших от двух родителей индивидуальных гибридов, проявивших максимальный гетерозис по сравнению с другими одновременно испытуемыми гибридами. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что способ закрепления гетерозиса применяют на гибридах сельскохозяйственных растений, у которых возможно получение андрогенетических абсолютно гомозиготных индивидуумов известными для каждого вида варьирующими методами стимулирования пыльцы к эмбриональному развитию и превращения развивающихся из нее зародышевых клеток в диплоидные абсолютно гомозиготные клетки, развивающиеся в фертильные растения.