Селекция кукурузы

 

 

                                    МИНОБРНАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

                                 ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

                                       БИОЛОГО-ПОЧВЕННЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

                    КАФЕДРА ГЕНЕТИКИ, ЦИТОЛОГИИ И БИОИНЖЕНЕРИИ

 

 

 

 

 

 

Кукуруза

 

 

 

 

Реферативная работа

                                                 

020201 Биология

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Воронеж 2014

 

 

 

Содержание.

 

 

1.ВВЕДЕНИЕ 3

2. ИСТОРИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА 6

3. МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ГЕНЕТИЧЕСКОГО  АНАЛИЗА 12

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 18

5. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

 

Царство: Plantae (Растения)

Тип/Отдел: Tracheophyta (Сосудистые растения)

Тип/Отдел: Angiosperms (Цветковые растения, или Покрытосеменные )

Класс: Magnoliopsida (Магнолиопсиды, двудольные)

Отряд/Порядок: Poales (Злаки)

Семейство: Gramineae (Злаки, или мятликовые)

Род: Zea (Кукуруза)

Вид: Zea mays (Кукуруза) 
Кукуруза, (Zea mays), 2n=20, крупный однолетний злак, зерновки которого образуются в особых соцветиях – початках.  Это  однодомное, раздельнополое, перекрестноопыляющееся растение. Растения кукурузы имеют соцветия двух типов: мужское - метелка и женское - початок. Благодаря этой морфологической особенности у кукурузы широко используется эффект гетерозиса, так как получение гибридов достаточно технологично. Опыляется кукуруза ветром. Оплодотворение и образование полноценных початков зависит от внешних условий, прежде всего от температуры и влажности воздуха. Для опыления благоприятна теплая, влажная погода, с легким ветром. Во всем мире под кукурузу занято примерно 132 млн. га посевных площадей, а ежегодный урожай зерна этой важнейшей сельскохозяйственной культуры составляет более 450 млн. т, уступая менее чем на 10% лишь урожаю пшеницы. Крупнейший производитель кукурузы – США (около половины мирового урожая); затем идут Китай, Бразилия, Мексика, Франция, Аргентина, Индия, Индонезия, Италия и Румыния.

Злак вырастает до 3 м. Сначала кукуруза растет медленно, но затем ее рост заметно ускоряется – в итоге за пару месяцев растение набирает огромную зеленую массу. У отдельных сортов кукурузы на стебле бывает до 40 листьев, достигающих метра в длину и ладони взрослого человека в ширину. Стебель кукурузы, в отличие от стеблей пшеницы и ржи, не полый, а заполнен рыхлой сердцевиной. Чтобы удержать в земле это богатырское растение, необходимы и мощные корни.

Стебли, листья и обертки от початков этого растения служат сырьем для изготовления лаков, красок, дубильных вещества, клеев, пластмасс, бумаги, фотопленок и даже взрывчатых веществ. Из кукурузных кочерыжек получают ацетон и этиловый спирт, а кукурузный экстракт является незаменимым источником биологически активных веществ для выращивания микроорганизмов, в том числе хлебопекарных дрожжей. Имеет кукуруза и медицинское значение. Столбики с рыльцами женских цветков («кукурузные рыльца») используют как сырье для желчегонных и мочегонных препаратов. Кроме того, кукурузные рыльца повышают свертываемость крови и могут использоваться как кровоостанавливающее средство при внутренних кровотечениях. Кукурузное масло, извлекаемое из зародышей, применяется в профилактике и лечении атеросклероза.

          Использование. Из общих занятых под кукурузу площадей в США примерно 70% дают зерно, а большая часть остальных – силос. Небольшие посевы кукурузы используются как пастбища для домашнего скота. Зерно кукурузы служит кормом, главным образом для свиней и домашней птицы. Его скармливают целым или же дробят и размалывают в муку. Кроме того, из него получают различные продовольственные продукты. Свежие и консервированные зерна – популярное овощное блюдо, из сухих зерен делают кукурузные хлопья, мамалыгу и кашу, из кукурузной муки пекут лепешки, блины и т.п.

Во многих регионах, особенно в Мексике, Южной Америке и Африке, кукуруза – основной продукт питания для населения. Это нередко приводит к алиментарной недостаточности, поскольку зерна кукурузы бедны некоторыми необходимыми для человека веществами.

Из проростков кукурузы делают салаты, из зародышей выжимают пищевое масло, а крахмал зерен используют как таковой или приготавливают из него сироп. Кукурузный крахмал – не только хороший сгуститель, но и сырье для производства уксуса и различных алкогольных напитков, включая виски (бурбон). Кукурузный сироп используют как подсластитель в желе, джеме и других кондитерских изделиях.

В промышленности кукуруза используется для производства множества разнообразных продуктов. Кукурузное масло – сырье для получения дорогих красок, мыла и заменителей резины. Из белка зеина, содержащегося в зернах, изготавливают напоминающие шерсть искусственные волокна. Кукурузный крахмал используют для аппретирования тканей и кожи, каландрирования (повышения плотности и гладкости) бумаги. Он также применяется в производстве вискозного волокна, взрывчатых веществ, лекарственных препаратов и декстриновых клеев.

Используются также стебель и другие вегетативные части растения: из них получают строительные и упаковочные материалы, бумагу, почвоулучшающие добавки, взрывчатку. Кочерыжки початков дают фурфураль – сырье для производства пластмасс, нейлона и других синтетических веществ. Обвертки початков широко применяются как набивка. Из мягкой сердцевины стеблей изготавливают папиросную бумагу.

Содержание. В зерне содержится 9-12% белка, 4-6% жира (в зародыше до 40%), 65-70% углеводов, в желтозёрных сортах - много провитамина А. Рыльца Кукуруза содержат систостерол, стигмастерол, жирные масла, эфирное масло, сапонины, горькое гликозидное вещество, витамины С, К, камедеподобные и др. вещества (www.brestagro.com).

 

 

 

2 История генетического анализа.

 Наверное, кукуруза – самый окультуренный из всех злаков. Некоторые авторы полагают, что далекие предки этого вида попали в Америку из Азии, однако более вероятной представляется гипотеза, согласно которой родина кукурузы – Америка.

Первоначальная селекция.

Индейцы, несомненно, вели бессознательный искусственный отбор – оставляли на сев зерна растений, дававших, на их взгляд, наилучший урожай. Основной тенденцией было получение «простых» растений – слабоветвистых и с небольшим числом крупных початков. Вероятно, когда у растения появлялись новые признаки, индейцы это замечали и, если эти признаки казались им выгодными, старались их сохранить. Однако в конце концов потенциал улучшения кукурузы таким способом был исчерпан.

( Шиндин, 2009).

Современная селекция кукурузы.

Законы наследственности, открытые в 19 в. Грегором Менделем на основе его классических экспериментов с горохом, нашли свое применение в селекции кукурузы. Скрещивание тыквосемянной кукурузы с юга и кремнистой кукурузы из Новой Англии дало потомство, сочетающее в себе некоторые ценные признаки обоих предков. От первого ему достались крупные размеры и прочность стебля, от второго – твердое скороспелое зерно, устойчивость к болезням, приспособляемость и способность переносить холодную весеннюю погоду северных регионов.

На сегодняшний день кукуруза является одним из наиболее изученных генетических объектов. Выявлено и изучено довольно большое количество мутаций (около 600), затрагивающих как структуру растения целиком, так и строение его отдельных органов. Кроме того, изучены многие гены, контролирующие физиологические и биохимические процессы синтеза, а, следовательно, и биохимический состав семян и растения в целом, а также механизм наследования этих генов.

Гаплоидный набор кукурузы составляют десять хромосом (десять групп сцепления), что очень удобно для изучения расщепления, независимого и сцепленного наследования, кроссинговера, взаимодействия генов. Поэтому дальнейшие цитогенетические исследования кукурузы привели к установлению групп сцепления, локализации генов и соответствия между группами сцепления и определенными хромосомами.

Классификация генов кукурузы

Были предложены различные классификации генов кукурузы. Наиболее удачной считается классификация E.H.Coe и M.G.Neuffer. Данная классификация выделяет одиннадцать групп генов по характеру фенотипического проявления и признакам, на которых проявляется действие гена:

1) По форме и консистенции  зерна

2) По наличию антоциана и родственных пигментов

3) По содержанию хлорофилла и  каротиноидов

4) По форме растений

5) По форме и строению сосудов  кутикулы листа

6) По содержанию и качеству  липидов в зерне

7) По наличию флуоресценции проростков  и пыльников

8) По вариации энзимов в электрофорезе

9) По реакции на болезни и  неблагоприятные условия среды

10) По образованию и развитию  гаметофита

11) По функционированию регуляторных  систем, контролирующих мутабильность  и экспрессивность генов

В отдельные группы выделены парамутации и нехромосомная наследственность.

Гены (и их мутации) контролирующие структуру эндосперма чаще всего используются в селекционных целях для улучшения качества зерна. В этой группе известно около 40 генов, причем это лишь небольшая часть из существующих генетических факторов, контролирующих структуру эндосперма.

Гены, влияющие на образование хлорофилла и других пигментов (каротиноидов), составляют наиболее многочисленную группу. Описано и частично изучено около 130 таких генов. Проведена огромная работа по генетической идентификации многочисленных хлорофильных мутантов. Определены группы сцепления для 103, а локусы для 54 генов этой группы.

Гены окраски используются преимущественно в качестве маркеров для облегчения и упрощения отдельных селекционных и генетических процедур. Например, растения с антоциановой окраской сильнее нагреваются и интенсивнее растут, чем нормальные, при низких температурах.

Особенности структуры органов контролируются многими генетическими факторами. Многие гены оказывают влияние на развитие всех вегетативных систем растения, однако основное действие большинства из них прослеживается в первую очередь на каком-то определенном органе растения. В соответствии с этим они условно делятся на гены, контролирующие: 1) структуру листьев, 2) структуру стеблей, 3) структуру корней.

Развитие женского и мужского гаметофитов, цветение и оплодотворение, структура соцветий и цветков также контролируется блоками генов, которые могут быть разделены на несколько групп: 1) цветение и оплодотворение, 2) мужская стерильность и восстановление фертильности, 3) женская стерильность, 4) обоеполая стерильность, 5) озерненность метелок, 6) структура цветков и соцветий. Многие из этих генов играют важную роль в эволюции и селекции. Например, в селекции это система ЦМС и генов Rf, которая обеспечила широкое внедрение гибридов в производство.

Барбара Мак-Клинток занималась изучением морфологии хромосом кукурузы, а также корреляцию хромосом с проявлением внешних (фенотипических) признаков у растения. Мак-Клинток обнаружила, что на ранних стадиях деления клеток хромосомы кукурузы обмениваются генетическим материалом и информацией. Она изучала как проявляются мутации, вызванные рентгеновским излучением. Барбара Мак-Клинток показала, что пестрая окраска зерен связана с кольцевыми хромосомами, и обнаружила особые - ядрышковые - хромосомы, которые включены в биосинтез клеточных рибосом, центров синтеза белков. Летом 1944 года на опытном участке появились растения-близнецы, имеющие, однако, разную интенсивность окраски листьев. То же явление повторилось и в зернах початков: одни из них окрашены сильнее, а другие - слабее. Это наблюдение дало Барбаре основания предположить, что у одного близнеца гены не совпадают с генами другого. Так было сделано одно из важных открытий современной генетики: генетическая транспозиция. Участвующие в этом процессе гены получили название транспозонов или мигрирующих генов. Ученая определила, что в модель входят два траспозирующих гена, причем один из них оказывает подавляющее действие, а другой его снимает. Открытие Мак-Клинток предвосхитило достижения генетики бактерий и опередило их на пятнадцать лет, открыв перед генетиками множество новых возможностей. В 1963 году Барбара Мак-Клинток была удостоена Нобелевской премии по физиологии и медицине "за открытие транспозирующих генетических систем"( www.cellbiol.ru)/

Селекцией кукурузы в России начали заниматься еще в дореволюционные годы. Особое внимание на нее обратили после засухи 1921 г., кукуруза стала объектом работы многих селекционных учреждений, расположенных в южных и засушливых районах страны. Однако крупные успехи в селекции этой культуры достигнуты в последние 20—25 лет, когда на основе использования инбридинга и гетерозиса была создана гибридная кукуруза. 
Под руководством академиков ВАСХНИЛ М. И. Хаджинова в Краснодарском селекцентре, Г. С. Галеева на Кубанской опытной станции ВИР, Б. П. Соколова во Всесоюзном научно-исследовательском институте кукурузы созданы высокоурожайные сортолинейные, двойные и простые межлинейные гибриды. Сортолинейные гибриды Буковинский 3 ТВ и Днепровский 247 МВ районированы на огромных площадях. Это самые холодостойкие гибриды кукурузы в мире. Наиболее широко распространены в производстве двойные межлинейные гибриды Одесский 50 МВ, ВИР 42 МВ, Жеребковский 90 МВ и др. 
Новым важным этапом в селекции гибридной кукурузы стало создание простых межлинейных гибридов, позволивших значительно повысить потенциал урожайности этой культуры. Простые межлинейные гибриды отличаются выравненностью по высоте и прикреплению початков, более устойчивы к полеганию, поражению болезнями и вредителями, очень отзывчивы на удобрение и полив. В условиях производства они по урожаю зерна на 1— 1,2 т и более с 1 га превышают лучшие двойные межлинейные и сортолинейные гибриды. В степных областях Украины, на Северном Кавказе и в Молдавии широко распространен простой гибрид Краснодарский 303 ТВ. Урожайность его достигает 8— 9 т с 1 га. При орошении этот гибрид может давать свыше 15 т зерна с 1 га. Очень высокопродуктивными оказались и другие новые простые межлинейные гибриды — Днепровский 758 ТВ, Восток2АТВ. 
В США, Югославии, Франции, Италии, Болгарии, Румынии почти все площади кукурузы засеваются простыми межлинейными гибридами. 
Использование при получении самоопыленных линий мутаций белкового комплекса (гены Опейк-2 и Флаури-2), увеличивающих содержание лизина за счет уменьшения содержания зеино- вой фракции белка, привело к созданию высоколизиновых гибридов кукурузы, в зерне которых на 100 г протеина приходится до 3,4 г лизина вместо 2 г. С целью повышения эффективности селекционной работы с гибридной кукурузой и совершенствования семеноводства этой культуры на базе Всесоюзного научно- исследовательского института кукурузы создано НПО «Днепр», а на базе Молдавского научно-исследовательского института кукурузы и сорго — НПО «Гибрид». Районированы и начинают возделываться в производстве первые высоколизиновые гибриды Краснодарский 303 Л, Краснодарский 82 Л, Днепровский 247 ВЛ, Геркулес Л и др. Не уступая по урожаю зерна и содержанию протеина обычным гибридам, они превосходят их по содержанию лизина в среднем в 1,5—2 раза.