Znaczenie genetyki w rolnictwie i hodowli

Hodowla zwierząt jest nauka, której zadaniem jest stale ulepszanie zwierząt przez człowieka, oraz tworzenie nowych lepszych form lub osobników z określona, wybrana cecha Współczesna hodowla dla osiągnięcia postępu musi korzystać ze zdobyczy takich nauk jak genetyka, cytologia, fizjologia zwierząt, biochemia, zoopatologia, fizyka, chemia, matematyka i inne.
Najdawniejsza stosowana przez człowieka forma jest udomowianie zwierząt dzikich, które były hodowane w określonych celach. Rozwój każdej cechy i ostateczna jej forma zależy od określonych założeń genetycznych, ale również od warunków środowiskowych.
Zmienność i różnorodność fenotypowa osobników w populacji wywołana jest czynnikami genetycznymi i środowiskowymi, a przede wszystkim ich współdziałaniem. Środowiskiem można określić zespól zewnętrznych czynników działających na organizm, (czynniki troficzne-odżywcze, klimatyczno-glebowe, pielegnacyjno-hodowlane, chorobotwórcze i inne). Z powyższych czynników najważniejsza role w hodowli odgrywa żywienie, tak jak i inne są ukształtowane przez człowieka. Cała działalność ludzka musi zmierzać w kierunku stworzenia zwierzętom jak najkorzystniejszych warunków bytowania, co z kolei zapewnia ich dobrą produkcyjność. Działalność ludzka polega wiec na zmodyfikowaniu i ukształtowaniu w odpowiedni sposób środowiska. W hodowli genotyp jest programem a poprzez zamierzone oddziaływanie środowiskowe człowiek może kształtować fenotyp w pożądanym kierunku.
W granicach określonych przez genotyp, należy pamiętać, że zwierzęta o różnych genotypach mogą reagować w odmienny sposób na to samo środowisko.
Oddziaływanie środowiska na zwierzęta jest przyczyna powiększania się zmienności, która nazywamy modyfikacyjna. Jest to jednak uproszczenie, ponieważ jak wiadomo, każda cecha organizmu powstaje jako wynik współdziałania czynników dziedzicznych i środowiskowych. Osiągnięte przez człowieka zmiany modyfikacyjne dotyczą fenotypu i nie są przekazywane potomstwu.
Od najdawniejszych czasów człowiek starał się hodować potomstwo pochodzące od najlepszych zwierząt. Wybór najlepiej odpowiadających człowiekowi osobników do dalszego rozmnażania osobników o określonych cechach nazywa się selekcja sztuczna lub doborem - sztucznym.
Człowiek świadomie przekształca populacje (w hodowli populacja odnosi się do zwierząt 1 rasy w określonym rejonie).
Populacja, która z pokolenia na pokolenie nie zmienia swej struktury genetycznej jest w stanie równowagi genetycznej. Mechanizmem utrzymującym te równowagę jest losowe kojarzenie osobników, w którym występują różne typy kojarzenia. Częstotliwość rożnych typów kojarzeń zależy od częstotliwości poszczególnych genotypów w populacji. Wybór zwierząt z przeznaczeniem ich na rodziców przyszłego pokolenia nazywa się selekcja. Selekcja prowadzi wiec do zmiany struktury genetycznej populacji w kierunku wybranym przez hodowcę, poprzez eliminacje z rozpłodu zwierząt o niepożądanych cechach, hodowca usuwa ze stada niepożądane geny. Zmiany w strukturze genetycznej stada będą zgodne z kierunkiem prowadzonej selekcji.
Skuteczność selekcji wyraża się wzrostem częstości pożądanych genotypów a spadkiem genotypów niekorzystnych w potomnej populacji. Oddziaływanie środowiska może w bardzo poważnym stopniu przesuwać wartość cechy w kierunku dodatnim lub ujemnym.
Zwierzęta wybrane na rodziców tworzą wiec tzw. stado selekcyjne tzn. wyselekcjonowane osobniki tego stada są fenotypowo lepsze w porównaniu z pozostałymi zwierzętami.
Miara statystyczna zgodności fenotypu z genotypem jest współczynnik oddziedziczalności h2. Oddziedziczalność to populacyjna a nie osobnicza zmiana genetycznego uwarunkowania cechy - h2 jest wartością stałą dla danej cechy i może przybierać różne wartości, które zależą od stopnia zmienności genetycznej i środowiskowej zwierząt w stadzie. Im bardziej są podobne genetycznie zwierzęta tym niższy będzie współczynnik h2.
W pracach hodowlanych stosuje się różnego rodzaju selekcje, rodzaj podyktowany jest potrzebami rynku i ekonomiką produkcji.
Zmienność jest podstawowym warunkiem prowadzenia selekcji. W stadzie musi następować tzw. odnowa, czyli "remont stada", który polega na wprowadzeniu lepszych zwierząt i eliminacji wybrakowanych. W kazdej hodowli większe znacznie odgrywają samce niż samice, wprawdzie potomstwo dziedziczy w równym stopniu po obu rodzicach, ale na skutek stosowanej w hodowli zwierząt poligamii jest rola samców większa. Źle wybrana samica nie powoduje większych szkód, ponieważ pozostawia po sobie niewiele potomstwa, natomiast samiec szybko rozpowszechnia swoje geny w stadzie i jeżeli został źle wybrany powoduje straty w hodowli.
Selekcja może być prowadzona na podstawie wartości użytkowej "masowa" lub hodowlanej. W hodowlach samce są selekcjonowane na podstawie wartości hodowlanej a samice na podstawie wartości użytkowej.

METODY SELEKCJI
- następcza - czyli cecha po cesze lub najpierw na jedna potem na następne cechy; selekcja taka jest skuteczna, ale wydłuża czas z ogólnego doskonalenia użytkowego stada
- selekcja prowadzona niezależnie - na kilka najważniejszych cech równocześnie ważną role odgrywa tutaj dobieranie cech, które będą stanowić kryterium wyboru do stada
- selekcja wskaźnikowa - lub indeks selekcyjny; indeks osiąga się przez dodawanie oceny zwierzęcia dotyczącej własności x do oceny właściwej y następnie z itd. Zwierzęta o najniższej sumarycznej ocenie są eliminowane. Jest to metoda skuteczna, ponieważ, pozwala na wyrównywanie braków poprzez wyjątkowa doskonałość 1 właściwości w stosunku do innych

Efekty tej metody są dosyć powolne, ale powodują harmonijne ulepszanie kompleksu cech użytkowych przy utrzymaniu dobrej konstrukcji.

Metoda na jądro stada - jest kombinacją selekcji na poszczególne cechy z indeksem selekcyjnym. W hodowli stosuje się, oprócz selekcji indywidualnej, rodzinową tzn. prowadzi się ewidencje użytkowności rodzin, tzn. potomków po tych samych rodzicach. Należy pamiętać, ze zawsze dobór par do kojarzeń potęguje efekty selekcji. Selekcja na jest celem sama w sobie, lecz środkiem doboru właściwych kojarzeń. Stosuje się następujące kojarzenia:

- podobny z podobnym i niepodobny z niepodobnym, przy czym kojarzenia te dają rożne efekty

Podobny z podobnym, czyli kojarzenia krewniacze. Kojarzy się osobniki blisko spokrewnione - nazywa się chowem wsobnym - INBRED. Kojarzenie takie zapewnia przekazywanie i utrwalanie korzystnych indywidualnych cech poszczególne cennych osobników.
W hodowli według linii chodzi o jak najbliższe pokrewieństwo z cennym osobnikiem użytym jako reproduktor. Role w selekcji odgrywa pokrewieństwo, czyli podobieństwo osobników mających w swoich genotypach pewna cześć indywidualnych genów.
Pokrewieństwo w linii prostej łączy potomka z przodkiem. Współczynnik pokrewieństwa R wskazuje procentowy udział identycznych genów u porównywalnych osobników. INBRED niesie za sobą określone genetycznie skutki - gamety spokrewnionych osobników wnoszą do zygoty cześć identycznych genów. Pokrewieństwo gamet zależy od stopnia pokrewieństwa genetycznego stad wniosek, że im bardziej są spokrewnione ze sobą rodzice tym bardziej homozygotyczne będzie potomstwo. Skutkiem INBREDU jest wiec wzrost homozygotyczności zwierząt w stadzie.
Nie zawsze inbredowanie jest korzystne, ponieważ może prowadzić do pewnych deformacji, zwyrodnień i ułomności.
Zasadnicza przyczyna pojawienia się depresji inbredowej są geny letalne i subletalne o charakterze recesywnym - inbred zwiększa prawdopodobieństwo spotkania się tych genów, które a heterozygot są nieszkodliwe, a u homozygot są przyczyna ujawnienia się anomalii.
U ludzi ze względu na to nie zawiera się związków małżeńskich miedzy blisko spokrewnionymi osobnikami. Pomimo występowania szkodliwych skutków inbredu stosuje się tę metodę w hodowli, które prowadzi do podobieństwa genetycznego dalszych pokoleń z wybitnym przodkiem, który był użyty jako reproduktor. W przypadku kojarzenia "córki" z cennym genetycznie "ojcem" inbred prowadzi do koncentracji genów wybitnego przodka w genotypach jego potomstwa. Inbred pozwala również na sprawdzenie rozpłodników na nosicielstwo niekorzystnych genów - inbred testowy. W przypadku tzw. hodowli na linię celem jest nie dopuszczenie do rozproszenia genów cennego przodka i tworzy się spokrewnione grupy zwierząt względem 1 wybitnego przodka, gdyż chodzi o zachowanie podobieństwa członków linii do protoplasty.
Inne znaczenie ma linia wsobna - czyli grupa zwierząt pochodzących z kojarzeń krewniaczych prowadzonych od kilku pokoleń. Celem takiego inbredu jest uzyskanie wysokohomozygotycznych zwierząt.
Linie wsobne są wykorzystane do kojarzenia z innymi liniami w celu uzyskania heterozygotycznych mieszańców.
Kojarzenie krewniacze prowadzi się również w celu zmniejszenia stopnia zmienności stada, co określa się konsolidacją stada - stosuje się wtedy, gdy u mieszańców występują dwie zmienności fenotypowe i hodowca chce wyodrębnić najodpowiedniejsze typy użytkowe.
Inbred stosuje się również wtedy, gdy celem jest wyhodowanie nowych grup rasowych lub ras, ponieważ potęguje zdolność przekazywania przez zwierzęta nowych cennych zalet potomstwa i zalety są utrwalane przez dziedziczenie. Chcąc uniknąć ujemnych skutków hodowli krewniaczej o których była mowa, trzeba tak dobierać zwierzęta, aby miały tylko 1 wspólnego przodka.
Inbred ma znaczenie w małych hodowlach.
Innym rodzajem kojarzenia jest tzw. wolne, czyli niekrewniacze. Za wolne uważa się takie, które nie miały wspólnego przodka już w VII-IX szeregu pokoleń. Kojarzenie uszlachetniające polega na krzyżowaniu pewnej grupy samic ze szlachetnymi samcami innej rasy, od których hodowca chce przyjąć określoną cechę.
Eliminowanie osobników prymitywnych odbywa się przez krzyżowanie wypierające tzn. osobnika prymitywnego zastępuje się o obcej rasy, stosuje sę przez kilks pokoleń co prowadzi do stopniowego wypierania genów.
Krzyżowanie rasotwórcze ma na celu utworzenie nowej rasy lepiej dostosowanej do warunków. Efekt można osiągnąć przez uprzednio przedstawione krzyżowanie lub przez krzyżowanie kilku ras.
Jest to proces długotrwały ponieważ zmieszańcowane stado wykazuje bardzo dużą zmienność wskutek rozczepienia się cech. Za rasę uznaje się odpowiednio liczebną grupę zwierząt, która wykazuje duże ujednolicenie w typie budowy i w celach użytkowych, a w potomstwie nie występuje większa zmienność niż w stadzie rodzicielskim.
Np. w Polsce prowadzi się prace nad wyhodowaniem nowej rasy długowełnistej owcy. Krzyżowanie użytkowe stosuje się wykorzystując zjawisko heterozji. Do krzyżowania wybiera się zwierzęta 2 ras o dobrze wyrażonych cechach - celem jest uzyskanie u mieszańców harmonijnego połączenia cech obu ras.
Obecnie oprócz krzyżówek w obrębie ras i gatunku uzyskano krzyżówki międzygatunkowe - główną przeszkodą w takim krzyżowaniu są różnice w liczbie chromosomów oraz właściwości fizjologiczne. Uzyskano obecnie z krzyżówek międzygatunkowych muła lub krzyżówkę żubra z bydłem domowym lub yaka z bydłem.

PODSUMOWANIE: Przedstawione metody mają na celu zwiększenie wydajności hodowli zwierząt, co pozwala hodowcom na oszczędność stosowanych materiałów oraz oszczędność pracy ludzkiej.


ZNACZENIE GENETYKI W HODOWLI ROŚLIN
- zwiększenie plonów przez poprawę warunków środowiska, - krzyżowanie wyselekcjonowanych odmian
- zastosowanie mutagenów - wykorzystanie mutacji, - krzyżowanie czystych odmian
- klonowanie - heterozja

Zadaniem hodowli roślin jest ulepszanie roślin uprawnych i tworzenie nowych odmian, podobnie jak w hodowli zwierząt wykorzystano wiele nauk a przede wszystkim genetykę.
Zaniechanie pracy nad ulepszaniem istniejących odmian (hodowli zachowawczej) prowadzi do szybkiego pogorszenia się materiału siewnego i spadku plonów. Natomiast tworzenie nowych odmian - (hodowla twórcza) należy uznać za najszybszy i najbardziej istotny czynnik zwiększenia plonów u roślin.
Podobnie jak w hodowli zwierząt można osiągnąć lepsze wyniki w uprawie roślin poprzez polepszenie warunków środowiskowych, wpływających na fenotyp. Czynnikiem wpływającym głównie na uprawę jest gleba a przede wszystkim zawartość w niej niezbędnych do życia makro i mikroskładników. Wieloletnim efektem zabiegów uprawnianych jest zmiana 3 zasadniczych elementów składowych gleby fazy stałej, płynnej i gazowej. Wynikiem tego są zmiany stosunków powietrznych, wodnych i termicznych w roli a także biotycznych.

Pielęgnowanie roślin uprawnych polega na zabiegach, które eliminują niekorzystne warunki lub je ograniczają.
Pozbawione pielęgnacji rośliny nie dają wysokich plonów, mogą także całkowicie wyginąć. Wadliwe zmianowanie obniża plony, jak również prowadzi do powstawania chorób płodozmianowych. Ułożenie racjonalnego zmianowania zapewni dooślinom najlepsze warunkbójc wzrostu i rozwoju i uzyskania z nich wysokich plonów. Zmianowanie składa się z kilku członów (2-4) w skład, których wchodzą roślina niezbożowa a poniżej kłosowa np.:

1) ziemniak – owies 2) łubin – żyto

Oddziaływanie środowiska może w bardzo poważnym stopniu przesunąć wartość cechy w kierunku dodatnim lub ujemnym.
Przekonujące doświadczenie na wpływ czynników dziedzicznych i środowiskowych na skutek selekcji przeprowadził na początku XX w. genetyk Johansen.
Prowadził on selekcję na masę i ciężar nasion fasoli. Badany materiał wykazywał dużą zmienność pod względem masy (nasiona duże, średnie, małe). Wybrał nasiona duże i małe, które wysiano osobno i okazało się, że nasiona pochodzące z roślin otrzymanych z nasion dużych są większe niż nasiona otrzymane fasoli małej.
Doświadczenie wykazało, że cecha ciężaru jest dziedziczna, a selekcja prowadzona na tę cechę skuteczna. W następnym doświadczeniu Johansen wybrał nasiona duże i małe pochodzące od tej samej rośliny, po czym wysiał oddzielnie. Po zebraniu okazało się, że średnia masa nasion fasoli pochodzącej z nasion dużych i małych nie różni się od siebie, czyli wniosek-selekcja nie była skuteczna w tym wypadku.
Wyjaśniło się to w ten sposób, że fasola jest rośliną samopylną, czyli rośliny potomne pochodzą od jednej i tej samej rośliny rodzicielskiej. Samozapłodnienie u osobników symopylnch powoduje homozygotyczność osobników w populacji. Brak zróżnicowania genetycznego w potomstwie rośliny samopylnej nie jest skutkiem samozapłodnienia, lecz homozygotycznośći rośliny macierzystej. Homozygotyczność jest następstwem stosowanego przez kilka pokoleń samozapłodnienia. Potomstwo rośliny samopylnej tworzy tzw. linię czystą, w obrębie której wszystkie osobniki są genetycznie jednakowe.
Spadek heterozygotyczności występuje, więc na skutek samozapłodnienia. Rozważanie na temat skutków samozapłodnienia są niezbędne dla zrozumienia doświadczenia Johansena.
W I przypadku wybierał z próby nasiona małe i duże, czyli miał do czynienia ze zróżnicowaną genetycznie populacją tzn. nasiona duże różniły się od małych genetycznie i przekazywały te cechy potomstwu.
W przypadku drugim nasiona pochodziły z jednej rośliny, czyli genetycznie były jednakowe, a różnice wielkości wynikały wyłącznie z przyczyn środowiskowych.

WNIOSEK: z doświadczenia Johansena - Selekcja w obrębie czystej linii jest nie skuteczna, a modyfikacje w tym przypadku pochodzą od warunków środowiskowych i zmiany te nie są dziedziczne.

Krzyżowanie polega na kojarzeniu 2 genetycznie różnych osobników prowadzących do powstania mieszańców, które mają inne kombinacje cech niż rodzice i stanowią materiał wyjściowy do wyhodowania nowych odmian.
Wybrane rośliny do krzyżowania mogą być blisko spokrewnione (np.: należą do 1 odmiany) mogą też pochodzić z różnych odmian populacji lub gatunków, a nawet rodzajów. Na podstawie stopnia pokrewieństwa wyróżnia się:
II) Krzyżowanie wewnątrzodmianowe - stosuje się u roślin obcopylnych daje efekty w przypadku krzyżowania form wyraźnie zróżnicowanych rzadko stosowane u roślin samopylnych.
Krzyżowanie gatunkowe i międzygatunkowe może być stosowane tylko u niektórych roślin np. pszenica, żyto.

WNIOSEK: Celem krzyżowania jest uzyskanie form, które łączyłyby cechy roślin rodzicielskich i mogłyby się stać materiałem hodowlanym. Również dzięki krzyżowaniu można uzyskać zjawisko heterozji.

Efekty krzyżowania
a) - większa zmienność roślin przystosowanych do nowych środowisk, b) - nowe kombinacje cech,
c) - transgresja, d) - epistaza,
e) - nowe sprzężenie genów,
f) jeżeli określona cecha roślin jest "jednogenowa" to w niewielkim stopniu uległa wpływom środowiska. Jest to ważne dla hodowców, bo dziedziczy się na podstawie praw Mendla - cechy wielogenowe powodują dużą różnorodność mieszańców, ale utrudniają hodowlę,
g) Zjawisko transgresjii można przedstawić

P AA bb x aa BB
F1 Aa Bb
F2 AA BB ......... aa bb

A więc wykształcenie się jakiejś cechy powyżej zakresu zmienności form rodzicielskich następuje na skutek sumowania efektów genów dominujących i odwrotnie, pogorszenie przez sumowanie genów recesywnych
Epistaza jest formą współdziałania genów, polegająca na oddziaływaniu jednego genu na fenotypowe przejawianie się innego genu lub genów nie allelicznych w taki sposób, że fenotyp jest uwarunkowany tylko przez pierwszy gen.
Zjawisko to umożliwia powstanie zupełnie nowych kombinacji.
Sprzężenie genów (patrz t. Morgana), czyli łączenie przekazywanych genów zlokalizowanych w 1 chromosomie
W hodowli może mieć skutek dodatni lub ujemny np. występuje sprzężenie genów warunkujących odporność na rdzę źdźbłową pszenicy z genami warunkującymi późne dojrzewanie pewnych linii pszenic. W hodowli wyróżnia się różne formy krzyżowania w zależności od celu prowadzonej hodowli:
a) krzyżowanie proste,
b) krzyżowanie wielokrotne, c) krzyżowanie zwrotne,
d) krzyżowanie wsteczne

AD. a) Polega na jednorazowym skrzyżowaniu dwóch wybranych form rodzicielskich.
AA x BB lub AA x bb
AD. b) Pochodzące ze skrzyżowania prostego mieszańce należy ponownie krzyżować z jakąś inną odmianą o znanych i pożądanych cechach i wreszcie uzyskanego nowego mieszańca jeszcze raz skrzyżować z jeszcze inną cenną odmianą [AA x BB x CC] x DD.


ad c) krzyżowanie zwrotne AA x BB i BB x AA stosuje się wtedy gdy przypuszczamy, że istnieje wpływ plazmy na dziedziczenie danych cech.
ad d) krzyżowanie według schematu (AA x BB) x AA
Przez krzyżowanie wsteczne roślin pokolenie F1 (A x B) z jedną z form rodzicielskich np. AA zwiększa się liczbę genów odmiany AA w potomstwie, przytłumiając wpływ genów drugiego rodzica (BB). Krzyżowanie to umożliwia ulepszanie odmian plennych i dobrych, ale przejawiających pewne wady.
Przy krzyżowaniu ważne jest ustalenie czy dany gatunek jest obcopylny czy samopylny, czy jest formą pośrednią.
Zjawisko heterozji i wykorzystanie go w hodowli
Skrzyżowanie różnych form, odmian lub linii daje często mieszańca oznaczającego się bujnością wzrostu, plennością. Jest to heterozja bujność mieszańców
Heterozja występuje silniej u form homozygotycznych, (które powstają w wyniku wielokrotnego samozapylenia)
Rośliny takie jak np. żyto, lucerna po pewnym czasie mogą być samopylne. Po umieszczeniu ich pod izolatorem wydają nasiona powstałe przez samozapylenie. Rośliny, które z nich wyrosną są słabe a następne pokolenie będzie jeszcze mniej żywotne.
Zjawisko nazywa się depresją wywołaną chowem wsobnym.
Chów wsobny - zwiększa homozygotyczność, dzieli populację na różniące się linie, zmniejsza żywotność roślin, eliminuje osobniki o czynnikach letalnych. Prowadzenie chowu wsobnego prowadzi do uzyskania tzw. linii wsobnych np. u żyta, kukurydzy, które są wykorzystane w hodowli heterozyjnej. Heterozję tłumaczy się gromadzeniem u uzyskanych ze skrzyżowania mieszańców większej liczby cech dominujących. Wykształcenie jakiejś cechy zależy nie tylko od działania poszczególnych genów, ale od wzajemnego współdziałania kilku genów. Dlatego też efekt heterozji przypisuje się korzystnej kombinacji wzajemnie współdziałających genów.
Cechą heterozji jest nietrwałość, tzn. pełny efekt heterozji występuje tylko w F1 po czym w dalszych pokoleniach przy samozapyleniu dość szybko maleje: Efekty heterozji czyli bujności mieszańców mogą dotyczyć wszystkich znanych cech użytkowych roślin np. zwiększenie nasion co powoduje ich szybszy wzrost i rozwój dotyczy również właściwości fizjologicznych roślin. Poliploidalność polega na zwielokrotnieniu garnituru chromosomalnego powstałe formy to poliploidy w odróżnieniu od zwierząt mają znaczenie pozytywne w rolnictwie.
Mutacje poliploidalne można wywołać stosując kolchicynę. W 1938 r, odkryto poliploidyzacyjne działanie kolchicyny, która jest alkaloidem znajdujących się w nasionach ziemniaka (Colchicum).
Pod wpływem kolchicyny zachodzi zaburzenie przebiegu mitozy, komórka się nie dzieli, powiększa swoją objętość, a jądro ma dwukrotną liczbę chromosomów. Jeżeli nadal działa się kolchicyną liczba chromosomów może się zwielokrotnić, dlatego działanie nią należy przerwać. Innym mutagenem jest accnaffen.
Temperatura działa również jako mutagen tzn. w niskich temperaturach mejoza jest zahamowana i mogą powstać gamety o nie zredukowanej liczbie chromosomów (2n) i po połączeniu dają 4n (tetraploid).
Wybór roślin poliploidalnych przeprowadza się w praktyce hodowlanej kilkoma sposobami -- metodą mikroskopową rozdziela się osobniki 2n od poliploidalnych lub stosuje się kontrolę chromosomów za pomocą analizy cytologicznej barwi się chromosomy i liczy pod mikroskopem. Poliploidalność prowadzi najczęściej do zwiększenia objętości komórki. Wykazano jednak, że nie wszystkie organy poliploidów powiększają się jednakowo. Zmiany te określone jako gigantyzm organów.
Poliploidy mają zwykle mniej szparek oddechowych na powierzchni liścia stąd intensywność parowania jest mniejsza, dlatego są bardziej odporne na suszę.
Efektem poliploidyzacji jest również zwiększenie owoców, co ma znaczenie w sadownictwie.
Najbardziej korzystne są tetraploidy 4n u form z wyższą liczbą chromosomów zachodzą pewne nieprawidłowości w wykształceniu organów. Rewolucją w rolnictwie jest hodowla poliploidalnych buraków cukrowych i pastewnych i jak wykazano buraki 3n.odznaczają się najkorzystniejszymi cechami.
Obecnie ciągle pracuje się nad tworzeniem nowych odmian w tym celu oprócz indukowania mutacji oraz wyżej wymienionych metod stosuje się hodowlę z 1 komórki w celu wyhodowania całego organizmu, tak np. postępuje się z komórkami roślin uprawnych w kulturach komórkowych poddanych działaniu mutagenów. Metodą stosowaną dość powszechnie w hodowli roślin jest klonowanie, które polega na powstawaniu osobników potomnych w wyniku rozmnażania wegetatywnego (rodzaj rozmnażania bezpłciowego) z jednego osobnika rodzicielskiego. Powstałe osobniki mają ten sam genotyp jak organizm macierzysty - zbiór tych osobników nazywa się klonem. Klonowanie jest jedną z metod stosowaną również w inżynierii genetycznej (patrz inżynieria genetyczna). Klonowanie ma ogromne znaczenie w konstruowaniu bakterii i grzybów o nowych właściwościach. W przypadku roślin prowadzi się próby przeniesienia do genomów roślin uprawnych tych wszystkich genów, których produkty - białka enzymatyczne uczestniczą w wiązaniu azotu atmosferycznego.
Drogi te prowadzą do otrzymania roślin np. zbożowych zdolnych do symbiozy z bakteriami Rhizobium lub innymi bakteriami wiążącymi azot atmosferyczny. Otrzymanie takich roślin miałoby ogromne znaczenie w rolnictwie.

INŻYNIERIA GENETYCZNA - CZYLI TWORZENIE PRZEZ CZŁOWIEKA
NOWYCH UKŁADÓW GENETYCZNYCH

Człowiek od dawna ingerował w układy genetyczne zwłaszcza zwierząt hodowlanych i roślin uprawnych (patrz zastosowanie genetyki).
W ciągu ostatnich lat zaczęto do celów praktycznych wykorzystywać wiadomości zebrane przez genetykę molekularną.
Najlepszym przykładem wykorzystania genetyki molekularnej jest inżynieria genetyczna. Technika inżynierii genetycznej polega na wycinaniu z jednego genomu określonego genu i wstawianiu go do innego organizmu, i badaniu zachowania tego genu - tzn. czy ulega replikacji i ekspresji.
Dla zrozumienia zabiegów inżynierii genetycznej niezbędne jest zapoznanie się z mechanizmem działania wektorów budową plazmidów, bakteriofagów oraz znajomość genetyki bakterii oraz zapoznanie się ze specjalnymi enzymami tnącymi DNA na małe odcinki - restryktazami.
Wektorami są plazmidy i wirusy.
Wirusy- są na pograniczu materii ożywionej i nieożywionej. Zbudowane są z otoczki białkowej - Kapsyd, który zbudowany jest z mniejszych jednostek - kapsomerów. Rdzeń wirusa stanowi DNA lub, RNA co jest podstawą klasyfikacji wirusów. Wirusy poza komórką są inertne (występują w postaci krystalicznej) cechy życia wykazują tylko jak pasożytują tzn. w komórkach gospodarza. Odkryte w 1892 przez Iwanowskiego - (wirus mozaiki tytoniowej) i uzyskany w postaci krystalicznej w 1935 r przez W.M. Stanleya. Do tej pory otrzymano wiele wirusów w formie krystalicznej.
Krystaliczne wirusy, wprowadzone ponownie do komórek gospodarza namnażały się i wywoływały objawy chorobowe.
Dalsze badania polegały na rozdzieleniu części wirusa na część białkową i kwas nukleinowy, a następnie łączeniu ich ponownie odtwarzając aktywne cząstki wirusa.
Wprowadzenie samego kwasu nukleinowego wirusa do komórki stanowiło bodziec do wytwarzania przez nie zarówno specyficznego dla danego wirusa kwasu nukleinowego, jak i specyficznego białka kapsydu, a więc do odtwarzania kompletnych cząstek wirusowych.
Mechanizm działania wirusa polega więc na tym, że wprowadzony kwas nukleinowy wirusa powoduje w komórkach gospodarza wytwarzanie białka, o którym informacja jest zakodowana w kwasie nukleinowym wirusa. - Na tym polega, więc istota pasożytnictwa wirusów. W komórkach gospodarza poza tym szybko mnożą się (replikacja DNA lub odwrotna transkrypcja w przypadku wirusów
z RNA)
Mechanizm pasożytnictwa wirusów wykorzystany jest w metodach inżynierii genetycznej.
Wirusy danego typu porażają specyficzne dla nich części organizmu gospodarza, mogą się bowiem rozmnażać wyłącznie w określonych komórkach np. wirusy ospy, odry, brodawek atakują skórę, wirusy paraliżu dziecięcego Heinego Medina, wścieklizny atakują mózg i rdzeń kręgowy a wirusy żółtej febry - wątrobę.
Zwalczanie wirusów polega na stosowaniu szczepionek. Organizm (komórka) zwalcza wirus poprzez tworzenie się interferonu jako następst wo dostania się wirusa do komórki.
Interferon jest białkiem podobnym do hemoglobiny zwalczającym wirusy, które dostały się do komórki.
Wykazano, że interferon działa skuteczniej niż przeciwciała. Interferon jest stosowany obecnie do zwalczania i leczenia wielu chorób nowotworowych np. stosowany jest przy leczeniu białaczki.

Wirusy odegrały również rolę w hipotezach dotyczących biogenezy według jednej, pierwszymi organizmami na ziemi były „prawirusy” według innej wirusy powstały z plazmidów, czyli jako patologiczne fragmenty komórek bakteryjnych i na drodze np. rekombinacji wytworzyły białkowy kapsyd. Mechanizm pasożytnictwa wirusów wykorzystany jest w inżynierii genetycznej.

Bakteriofagi - czyli fagi to wirusy pasożytujące na bakteriach na określonym szczepie, jednak nie udało się ich wykorzystać w zwalczaniu chorób bakteryjnych. Zbudowane z główki i ogonka.

Działanie bakiariofaga polega na:
- przyczepianiu do komórki bakteryjnej za pomocą białkowego ogonka enzym w ogonku rozpuszcza ścianę komórkową bakterii
- rdzeń, czyli kwas nukleinowy faga wstrzyknięty jest do komórki gospodarza
- otoczka białkowa główki i ogonka pozostaje na zewnątrz

Do komórki gospodarza wnika, więc tylko DNA faga powodując syntezę białek wirusowych.

Plazmidy niewielkie koliste cząsteczki DNA w komórkach bakteryjnych nazwano plazmidami. Występują oprócz chromosomu bakteryjnego. W plazmidach jest miejsce do którego może przyłączyć się plimeraza DNA dlatego mogą się replikować. Plazmidy są wi4c niezależnymi małymi chromosomami bakteryjnymi, które łatwo jest wyizolować z komórki.
Wektory, wirusy, fagi i plazmidy, które są nośnikami w inżynierii genetycznej tzn. do nich dołącza się obce geny i w ten sposób wprowadza do komórki gospodarza.

Obecnie znanych jest wiele wektorów, które można używać do wprowadzenia obcego DNA do komórek bakteryjnych, natomiast mało jest wektorów za pomocą, których wprowadza się obcy DNA do eukaryota.

Mechanizm włączania obcych genów do wektorów
Obce geny włączone są do wektorów w ściśle określonym miejscu dzięki działaniu restryktaz.

Restryktazy przecinają cząsteczkę DNA w ściśle określonym a nie dowolnym miejscu. Restryktazy przecinają również cząsteczkę DNA wektora i włączają w to miejsce obcy DNA - czyli są wykorzystane do wprowadzenia obcych genów.

ZASADA TECHNIKI INŻYNIERII GENETYCZNEJ

a) wbudowanie poszukiwanego genu do plazmidu - plazmid posiada 2 geny oporności na antybiotyki a i b. W obrębie genu a znajduje się sekwencja nukleotydowa DNA (s) rozpoznawana i przecinana przez restryktazę. DNA -b- badany, który chcemy zrekombinować z DNA plazmidu, i na którym znajduje się gen x kodujący interesujące białko X.
1 - DNA plazmidu i DNA - b poddajemy działaniu restryktazy DNA plazmidu zostaje przecięte w jednym miejscu, w obrębie genu a DNA - b cięte jest na wiele odcinków, z których jeden może zawierać poszukiwany przez nas gen X.
Przy cięciu DNA przez restryktazę powstają odcinki DNA wyposażone w "lepkie końce". Następnie mieszamy rozcięte DNA plazmidowe z odcinkami DNA (b).
DNA plazmidowe dzięki „lepkim końcom" może się z powrotem zamknąć w strukturę kolistą, a odtwarzając pierwotny plazmid. DNA plazmidowe może jednak dzięki tym samym "lepkim końcom" połączyć się z odcinkiem DNA - b i zamknąć nową strukturę kolistą, składającą się z DNA plazmidowego i ze wstawionego odcinka DNA b. Powstanie plazmid przekonstruowany.
DNA plazmidowe wprowadzamy do bakterii komórki, do których nie wniknie DNA plazmidowe, będą wrażliwe na obce antybiotyki a i b. Komórki, które pobiorą oryginalny, pierwotny plazmid, będą oporne na oba antybiotyki. Komórki, do jakich uda się nam wprowadzić plazmid przekonstruowany, zawierający DNA-b, będą oporne na antybiotyki b, a wrażliwe na a, gdyż jeden gen oporności "a" został unieczynniony przez wstawienie odcinka obcego DNA. Wśród takich bakterii opornych tylko na antybiotyk b, któraś może zawierać odcinek DNA - b z genem X i produkować białko X.
Tę metodę nazywamy "strzelaniem na ślepo", gdyż o otrzymaniu klonu bakterii zawierającego gen X decyduje przypadek.
b) izolacja DNA genu X - izolujemy mRNA kodujący białko X, mieszamy je ze zdenaturowanym DNA – b RNA wiąże się tylko z komplementarnym doń genem X.

Nie złączone z mRNA jednoniciowe DNA rozkładamy za pomocą specjalnego enzymu nukleazy S, (działa tylko na pojedyncze nici DNA).
Nie rozłożone pozostaje jedynie DNA genu X, chronione przez związane z nim mRNA.
mRNA usuwamy innym enzymem, DNA genu X replikujemy. Wykorzystując jeszcze jeden enzym doczepiamy do odcinków DNA - b genu X wolne końce zbudowane z samych adenin; z przeciętego DNA plazmidowego usuwamy "lepkie końce" i doczepiamy dalej za pomocą enzymu. Mieszany DNA plazmidowe i DNA genu X i dalej postępujemy jak poprzednio.
Stosując metody inżynierii genetycznej można ciąć DNA różnych organizmów, wstawić je do naturalnych lub sztucznych plazmidów i wraz z nimi wprowadzać je przede wszystkim do komórek bakteryjnych.
Dążeniem inżynierii genetycznej jest wykorzystanie genów jednego organizmu, w drugim dzięki przenoszeniu obcego DNA oraz izolacji DNA określonego genu.
Często stosowaną rnetodą jest "strzelanie na ślepo", w metodzie tej izolujemy z interesującego nas organizmu DIVA, a następnie tniemy go na liczne odcinki za pomocą restryktazy za pomocą tej samej restryktazy tniemy DNA plazmidu - wektora.
Dobieramy przy tym taki plazmid, by dany enzym ciął DNA plazmidowe tylko w jednym miejscu w obrębie genu nadającemu bakterii oporność na antybiotyk. DNA plazmidowe normalne będące kolisto zamkniętą helisą przekształca się w łańcuch otwarty DNA.
Lepkie końce - zakończenia DNA wynikają ze szczególnej symetrii, jaka występuje w obrębie sekwencji wewnątrz DNA, gdyż działają restryktazy.
Lepkie końce odnajdują się i łączą się dzięki temu, że są komplementarne. Pocięte DNA interesującego nas organizmu zwierzęcego mieszamy z przekształconymi w otwartą strukturę DNA plazmidowym.
Odcinki DNA zwierzęcego i rozcięte DNA plazmidowe zaopatrzone są w lepkie końce - dzięki komplementarności (odcinek DNA zwierzęcego może połączyć się z DNA plazmidu).
W wyniku powstanie pewna liczba jakby nowych cząsteczek DNA plazmidowego, zamkniętych kolisto i zawierających, poza właściwym DNA plazmidu wstawiamy odcinek DNA zwierzęcego. Wstawiony odcinek DNA zwierzęcego jest dobierany losowo- inaczej mówiąc może to być dowolny z wielu wybranych odcinków, na jakie DNA zwierzęce zostało pocięte przez restryktazę.
Na nielicznych spośród tych odcinków może znajdować się poszukiwany przez nas gen.
Takie zrekonstruowane plazmidy wprowadzamy kwas drogą transfromacji do komórek bakteryjnych.
Jeżeli plazmid stosowany jako wektor jest nosicielem 2 różnych genów nadających bakteriom oporność na 2 różne antybiotyki, a jeden z tych genów pozostaje nie uszkodzony przy działaniu restryktazy na DNA plazmidowe możemy się przekonać, czy udało się nam wprowadzić plazmid do bakterii. Bakterie do których wprowadzony jest plazmid staną się oporne na 1 z 2 antybiotyków. O tym, czy wprowadzony plazmid jest oryginalnym pierwotnym plazmidem, czy też zrekonstruowanym, zawierającym odcinek DNA zwierzęcego można się przekonać badając wrażliwość bakterii na drugi antybiotyk. Dobrano taki plazmid, by mniejsze cięcie przez enzym restrukcyjny znajdowało się w obrębie genu nadającego bakteriom oporność na ten drugi antybiotyk.
Jeżeli bakteria po wprowadzeniu plazmidu staje się oporna na pierwszy antybiotyk a pozostaje wrażliwa na drugi, można wnioskować, że wniknął do niej plazmid z wstawionym odcinkiem obcego DNA.
Plazmid oryginalny nada bakterii oporność na oba antybiotyki. Aby przekonać się czy udało się wprowadzić ze zrekonstruowanym plazmidem do bakterii interesujący gen należy stwierdzić czy bakteria wytwarza swoiste białko kodowane przez ów gen.
Należy sprawdzić, czy gen pochodzący z innego organizmu ulega w bakterii ekspresji. Najprostszym zabiegiem jest przekształcanie odcinków DNA sąsiadujących z samym genem. Do genu, który koduje białko można doczepić promotor lub operator wycięte z operonu bakteryjnego. Powstająca w ten sposób struktura zachowuje się jak gen bakteryjny-czyli zachodzi jego ekspresja jak w przypadku innych genów bakteryjnych.
Drugim warunkiem sprawdzenia, czy bakteria zawiera obcy gen jest "zmuszanie" jej do wytwarzania dużych ilości produktu tego genu. Można to osiągnąć przez zwiększenie kopii tego genu, czyli w jednej komórce bakterii jest paręset komórek i danego plazmidu.
Jeżeli będzie to plazmid zrekonstruowany z wstawionym obcym genem obcy gen będzie występował w komórce bakteyjnej w tak samo dużej ilości kopii.
Ostatnim etapem jest izolowanie z hodowli bakteryjnej białka kodowanego przez obcy gen zawarty w plazmidzie i z kolei identyfikacje tego białka przez zbadanie jego aktywności biologicznej i właściwości. (izolowanie genu)
Inne metody polegają na izolowaniu mRNA a następnie mieszanie go z całością zdenaturowanego jednoczęściowego DNA, czyli dzięki komplementarności tworzy się połączenie mRNA i DNA następnie pod wpływem specyficznych enzymów rozkłada się DNA poza tymi odcinkami, które będą połączone z mRNA, a więc poza genami, które nas interesują. Jednoczęściowy DNA będący poszukiwanym przez nas genem replikuje się i otrzymuje się x helix DNA pożądanego genu. Można doczepić do niego także "lepkie końce" i postępować tak jak w metodzie "strzelania na ślepo".
W tym wypadku zrekonstruowany plazmid będzie zawierał poszukiwany przez nas gen.
Inny sposób wykorzystania wyizolowanego swoistego mRNA opiera się na klasyfikacji wirusa tzn. istnieją oprócz wirusów z DNA wirusy z RNA wytwarzające bardzo swoisty enzym. Jest to enzym katalizujący odwrotną transkrypcję, czyli enzym replikujący DNA na RNA - enzym odwrotna transkryptaza. Dysponując czystym wyizolowanym mRNA oraz odwrotną transkryptazą można na mRNA zreplikować odcinek DNA komplementarny do niego. Będzie on identyczny z genem, z którego pochodzi mRNA. W rezultacie otrzymujemy pojedynczą nić DNA poszukiwanego genu. Dalej postępujemy jak poprzednio.
W inżynierii genetycznej wykorzystuje się znajomość struktury DNA i kodu genetycznego.
Wiele odcinków DNA ma określone sekwencje, czyli znana jest sekwencja nukieotydowa genu. O sekwencji nukleotydów genu można wnioskować na podstawie kolejności ułożenia aminokwasów w białku.
Obecnie opracowano metody syntezy DNA bez udziału organizmów innych np. otrzymano insulinę złożoną z 51 aminokwasów, lub niektóre neurohormony zbudowane z kilku aminokwasów.
Zastosowanie inżynierii genetycznej pozwala na otrzymanie nowych odmian bakterii mających określone pożądane cechy lub dzięki inżynierii genetycznej istniejów zżliwość wprowadzenia gen wierzęcych do bakterii w celu otrzymania odmian bakterii tworzących białka zwierzęce, co ma zastosowanie w szybszej i tańszej produkcji białek.
Głównym obiektem badań inżynierii genetycznej są bakterie. Wprowadzanie obcego DNA do komórek organizmów wyższych jest bowiem trudne. Można obecnie wyizolować z organizmu i hodować komórki i tkanki zwierzęce, do których następnie wprowadza się obcy DNA. Badania dotyczą transformowania zygot lub gamet zwierzęcych np. myszy. ten sposób wprowadzono do organizmu myszy nowe geny. (np. geny królika)
Transformacja komórek roślinnych jest trudniejsza ze względu na ścianę celulozową.
Zabiegi polegające na całych komórkach lub jądrach komórkowych nazwano inżynierią komórkową np. połączono komórki pochodzące z różnych gatunków zwierząt - technika komórek mieszańcowych pozwoliła na uzyskanie jednorodnych przeciwciał - zwanych monoklonowymi. Technika ta ma duże znaczenie praktyczne, gdyż otrzymując przeciwciała w sposób zwykły z krwi zwierzęcia uodpornionego uzyskuje się mieszaninę różnych przeciwciał, natomiast komórki mieszańcowe tworzą wyłącznie 1 rodzaj przeciwciał.
Ostatnią techniką szeroko obecnie stosowaną jest klonowanie. Klonem nazywamy potomstwo jednego osobnika mnożącego się bezpłciowo, a zatem genetycznie identycznego w stosunku do siebie jak i do organizmu macierzystego.
Klonowanie oznacza metodę otrzymywania klonów, a więc zbioru osobników identycznych genetycznie i z organizmów rozmnażających się wyłącznie płciowo. Np. z zapłodnionego jaja żaby usunięto jądro zygoty na jego miejsce wprowadzono jądro pobrane z komórki nabłonka jelitowego innej żaby. Okazało się, że "zmienione jajo" rozwijało się normalnie powstała dorosła żaba. Jajo, z którego ta żaba wyrosła miało jądro diploidalne zawierające geny identyczne z genami żaby, z tkanki, której pobrano jądro. Otrzymano żabę pod względem genetycznym identyczną z żabą, od której pochodziło jądro wprowadzone sztucznie do jaja. W ten sposób można otrzymać klony zupełnie identycznych osobników stąd pochodzi termin klonowanie.
Nie udało się do tej pory klonować ssaków, jednak otrzymano np.: homozygotyczne myszy tzn. mające na homologicznych chromosomach identyczne geny ułożone identycznie.
Obecnie można otrzymać z hodowli tkankowej komórek roślinnych homozygotyczne rośliny. Łącząc komórki roślinne można otrzymać komórki mieszańcowe.
Z hodowli takich komórek można otrzymać całą nową roślinę, czyli z hodowli komórek mieszańcowych można otrzymać całe mieszańce roślinne, co ma znaczenie praktyczne.
W ostatnim czasie opracowano metodę otrzymywania tzw. fenokopii mutacji.
Fenokopiami mutacji nazywamy osobniki, w których ujawniają się cechy charakterystyczne dla danej mutacji, jednak bez zmodyfikowania materiału genetycznego. Prawdziwe fenokopie otrzymane zostały przez Jacoba przez zablokowanie translacji określonego genu, otrzymane fenokopie były raczej przypadkowe. Badania inżynierii genetycznej pozwoliły również na lepsze poznanie problemu nowotworów.