Урок биологии по теме "Основы селекции: методы и достижения. Учение Н.И.Вавилова о центрах многообразия и происхождения культурных растений" (10 класс)

Урок биологии, 10 класс

Тема урока: «Основы селекции: методы и достижения. Генетика – теоретическая основа селекции. Учение Н.И. Вавилова о центрах многообразия и происхождения культурных растений. Основные методы селекции: гибридизация, искусственный отбор. Основные достижения и направления развития современной селекции».

Цели:

Образовательные:

·         формирование знания о селекции как науке, определение её целей и задач;

·         познакомить учащихся с центрами происхождения культурных растений;

·         познакомить учащихся с методами селекции  растений;

·         сформировать понятия “сорт”, “порода”, “штамм”.

Развивающая:

·         развивать умения анализировать, сравнивать, обобщать и систематизировать новый материал, работая с текстом учебника;

Воспитательная:

·         воспитывать уважительное отношение к труду ученых-селекционеров на примере научной деятельности Н.И. Вавилова.

Оборудование:

·         Портрет Н.И. Вавилова, таблица “Центры происхождения культурных растений”, печатный материал для самостоятельной работы, кроссворды, листы бумаги и карандаш для работы в группе.

Ход урока

I. Организационный момент. Приветствие.

Тема урока записана на доске, но закрыта и не объявляется в начале урока.

II. Актуализация знаний и постановка проблемы.

Сегодня мы начнем наш урок с разгадывания кроссворда. На ваших столах лежат кроссворды, нужно их разгадать.

				1
2
		3
			4
5
	6
7
	8

Ключевое слово по вертикали:

Наука о наследственности и изменчивости организмов.

По горизонтали:

1.      Организм, полученный в результате скрещивания особей, отличающихся наследственными задатками.

2.      Процесс передачи «наследственных задатков» от поколения к поколению.

3.      Участок молекулы ДНК, ответственный за синтез определённой молекулы белка и обусловливающий развитие определенного признака.

4.      Совокупность признаков и свойств организма, проявляющаяся при взаимодействии генотипа со средой обитания.

5.      Совокупность генов, которую организм получает от родителей.

6.      Наследственное изменение, которое выражается в кратном увеличении числа хромосом.

7.      Одна из важнейших областей практического использования закономерностей, исследуемых генетиками, которая, по словам Н.И. Вавилова, представляет собой эволюцию, направляемую волей человека.

8.      Наследственное изменение генотипа.

СЛОВА ДЛЯ СПРАВКИ

Наследование, Генетика, Ген,  Полиплоидия, Фенотип, Мутация, Генотип, Гибрид

Взаимопроверка по ключу.

Затруднение у ребят вызывает вопрос №7, это служит для дальнейшей творческой деятельности обучающихся на уроке. Возникают вопросы:

- Что такое селекция?

- Для чего селекции необходимо знание законов наследственности и закономерностей изменчивости?

- Почему селекцию можно назвать эволюцией, направляемой желаниями и трудом человека?

- Каковы основные направления научной работы Н.И. Вавилова?

Ответы на эти вопросы предстоит дать в ходе урока. На основе этого формулируется тема и задачи урока.

III. Изучение нового материала.

1. Понятие о селекции

Селекция (лат. “selection” - отбор) - наука о методах создания новых или об улучшении уже существующих сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов с нужными человеку свойствами.

В широком смысле слова селекция как процесс изменения домашних животных и культурных растений, по выражению Н.И. Вавилова “представляет собой эволюцию, направляемую волей человека”. Селекция возникла на заре человеческой культуры, но наукой она стала сравнительно недавно.

Все современные домашние животные и культурные растения произошли от далеких диких предков. Первые попытки одомашнивания животных и растений предпринимались людьми еще за 20–30 тыс. лет до новой эры. Широкое одомашнивание начинается с VIII–VI тысячелетия до новой эры. Именно тогда человек вовлек в культуру подавляющее большинство животных и растений.

Пионером разработки научных основ селекционной работы в нашей стране был Николай Иванович Вавилов (1887-1943). Он считал, что в основе селекции лежит правильный выбор для работы исходного материала, их генетическое разнообразие и влияние окружающей среды на проявление наследственных признаков при гибридизации особей.

2. Жизнь и деятельность Н.И. Вавилова

Николай Иванович Вавилов — русский учёный-генетик, ботаник, селекционер, академик. Президент Всесоюзного географического общества, директор Института генетики.

Николай Вавилов родился 25 ноября 1887 года в семье богатого фабриканта обуви, депутата Московской городской думы. Окончил Московский сельскохозяйственный институт и за тридцать лет служения науке ботанике стал учёным мирового значения.

Научные достижения:

·         110 экспедиций по всему миру. 

·         Учение об иммунитете растений. 

·         Учение о центрах происхождения культурных растений. 

·         Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости. 

·         Учение о виде как системе, внутривидовые таксономические и эколого-географические классификации. 

Погиб в годы сталинских репрессий. На основании сфабрикованных обвинений был арестован в 1940 году, в 1941 году — осуждён и приговорён к расстрелу, который впоследствии был заменён 20-летним сроком заключения. Умер 26 января 1943 года в Саратовской тюрьме. В 1955 году посмертно реабилитирован.

В Саратове сегодня работает Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова (CГАУ) и именем Николая Вавилова названа улица Вавилова. В 1997 году в начале улицы Вавилова был установлен памятник Н. И. Вавилову.

Также есть улицы имени Вавилова в Липецке и Москве, но они названы в честь брата Николая Ивановича — физика Сергея Ивановича Вавилова.

А в Санкт-Петербурге есть улица братьев Вавиловых.

Мировая коллекция растений - ныне крупнейшее национальное достояние, сохраненное сотрудниками ВИРа во время блокады Ленинграда в годы Великой Отечественной войны, где насчитывается 180 тыс. образцов, представляющих 1740 видов растений со всех континентов нашей планеты. 39 тыс - зерновых, 19 тыс. – зернобобовых, 30 тыс - кукурузы и крупяных культур, 4 тыс.- клубнеплодов, 17 тыс. – овощных и бахчевых культур.11 тыс.- плодовых и ягодных культур, 2 тыс. образцов винограда, 9 тыс. субтропических и декоративных растений. Из 250 тыс. видов цветковых растений человек использует около 3000 видов и только 150 видов ввел в культуру.

3. Центры происхождения культурных растений

Самостоятельная работа обучающихся:

На основе текста учебника, данных наглядной таблицы “Центры происхождения культурных растений” заполнить таблицу.

Центры происхождения культурных растений	Местоположение	Культивируемые растения
Индийский (Южноазиатский)	Индостан, Южный Китай, Юго-Восточная Азия
Китайский (Восточноазиатский)	Центральный и Восточный Китай, Корея, Япония
Среднеазиатский	Средняя Азия, Иран, Афганистан, Северо-Западная Индия
Переднеазиатский	Турция, Закавказье
Средиземноморский	Европейские, африканские, азиатские страны Средиземного моря
Абиссинский	Эфиопия, южное побережье Аравийского побережья
Центральноамериканский	Мексика, острова Карибского моря, часть стран Центральной Америки
Южноамериканский	Западное побережье Южной Америки

   Самопроверка по ключу

Устно ответьте на вопросы: - Что вы сегодня ели на завтрак? - Откуда родом эти продукты? (ответы учащихся).

4. Понятие о сорте, породе, штамме

Все современные сорта растений и породы животных созданы благодаря селекции.

Сорт – совокупность культурных растений одного вида, искусственно созданная человеком и характеризующаяся определенными наследственными особенностями: продуктивностью, морфологическими и физиологическими признаками.

Порода – совокупность домашних животных одного вида, искусственно созданная человеком и характеризующаяся определенными наследственными особенностями: продуктивностью, экстерьером (внешний вид и телосложение).

Штамм – совокупность микроорганизмов одного вида, искусственно созданная человеком и характеризующаяся определенными наследственными особенностями.

Цель практической деятельности селекционеров – создание новых сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов, обладающими нужными человеку качествами

Самостоятельная работа обучающихся малыми группами.

Каждой группе раздаются листы бумаги, карандаши для работы и карточки-задания 

 №1

Представьте, что вы селекционеры, вам необходимо создать новый сорт томатов. Какими признаками вы наделили бы свой новый сорт? Почему именно этими признаками?

№2

Вам необходимо вывести новый сорт томата, пригодного для механизированной уборки плодов. Какими признаками вы наделили бы свой сорт?

  №3

Какими способами, методами будете пользоваться при выведении нового сорта? Где будете искать источники новых генов, формирующие лучшие продуктивные качества вашего сорта?

Беседа по итогам работы в группе, в ходе которой формулируются задачи селекции:

1.      Повышение урожайности сортов и продуктивности пород.

2.      Улучшение качества продукции.

3.      Повышение устойчивости к заболеваниям, вредителям.

4.      Экологическая пластичность сортов и пород.

5.      Пригодность для промышленного и механизированного выращивания и разведения.

Итак, ребята, мы можем выделить основные направления научной работы Н.И. Вавилова:

·           Формирование задач современной селекции.

·         Создание учения о центрах многообразия и происхождения культурных растений.

·         Создание коллекции семян культурных растений и их дикорастущих предков.

·         Создание сети институтов и селекционных опытных станций в стране.

Закон гомологических рядов, который гласит: “Генетически близкие роды и виды характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других родственных видов и родов”.

Перед учащимися ставится новая проблема: Какими методами пользуется селекция при выведении новых сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов?

Примитивная селекция растений возникла одновременно с земледелием. Начав возделывать растения, человек стал отбирать, сохранять и размножать лучшие из них.

Многие культурные растения возделывались примерно за 10 тысяч лет до нашей эры.

Селекционеры создали прекрасные сорта культурных  растений.

В селекции необходимо учитывать следующие биологические особенности растений:

– высокая плодовитость и многочисленность потомства;
– наличие самоопыляемых видов;
– способность размножаться вегетативными органами;
– возможность искусственного получения мутантных форм.

1. Отбор. Формы отбора:

 массовый-

•         отбор по фенотипу

•          применяют для перекрестноопыляемых растений

•          приводит к гетерозиготности

 (Например, перед нами поле люцерны, на котором произрастает 1 тыс растений. Внимательно обследовав каждое растение в процессе его роста, учтя их продуктивность по семенам и зеленой массе при уборке, отбираем 50 лучших по всем показателям. Объединив семена этих 50 растений. На следующий год закладываем по внешним признакам новое поле, на котором ожидаем получить улучшенную по продуктивности и другим признакам популяцию люцерны – этого замечательного высокобелкового кормового растения. Если мы добились улучшения, то можно считать, что массовый отбор по внешним признакам был эффективным. Но эта форма отбора имеет недостатки, т.к. не всегда по внешним признакам можно определить лучший генотип. Массовый отбор может быть эффективен, когда особи выделяются по качественным, просто наследуемым признакам (белый или красный цветок), поэтому применяют для перекрестноопыляемых растений. Так получен сорт ржи – Вятка.)

индивидуальный -

•         отбор по генотипу

•         применяют для самоопыляемых растений

•         приводит к гомозиготности

(При  индивидуальном отборе выбирают особь с интересующим человека признаками и получают от него потомство и используется для самоопыляющихся растений, потомство которой  называется – чистая линия. – пшеница, овес, ячмень. Сеют семена отдельно и оценивают по всем признакам все потомство каждого из отобранных растений генотип. Преимущество индивидуального отбора перед массовым заключается в точности оценки генотипа при анализе индивидуальных потомков. Методами скрещивания и индивидуального отбора П. П. Лукьяненко были выведены высокопродуктивные кубанские сорта пшеницы: Безостая 1, Аврора, Кавказ; В. Н. Ремесло на Украине получил сорт Мироновская 808, а затем более урожайные сорта Юбилейная 50, Харьковская 63 и др. В. С. Пустовойт со своими сотрудниками этими методами создал на Кубани сорт подсолнечника, содержащий до 50—52% масла в семенах.

2. Гибридизация.

•         Инбридинг-  самоопыление перекрестноопыляющихся растений путем искусственного воздействия с получением чистых линий.

•         Аутбридинг- внутривидовое скрещивание, ведущее к ГЕТЕРОЗИСУ и высокой продуктивности. (получены гибриды кукурузы, пшеницы, огурцов, сахарной свеклы.

 ОТДАЛЕННАЯ ГИБРИДИЗАЦИЯ - межродовое, межвидовое скрещивание,

(тритикале – гибрид ржи и пшеницы.) – самостоятельная работа по учебнику

 Практическое значение гибридизаций:

 повышение продуктивности, урожайности

 улучшение эстетических качеств

 повышение устойчивости к разным факторам

 закрепление полезных качеств в потомстве

 увеличение биоразнообразия

 получение новых качеств, важных для человека

 стремление к научному прогрессу.

            Преодоление бесплодия межвидовых гибридов. Впервые это удалось осуществить в. начале 20-х годов советскому генетику Г. Д. Карпеченко при скрещивании редьки и капусты. Это вновь созданное человеком растение не было похоже ни на редьку, ни на капусту. Стручки занимали как бы промежуточное положение и состояли из двух половинок, из которых одна напоминала стручок капусты, другая — редьки.

3. Полиплоидия - кратное увеличение числа хромосом - благодаря которой выведены высокоурожайные полиплоидные сорта сахарной свеклы, хлопчатника, гречихи и др. Таким путем Г. Д. Карпеченко (1935) получил межвидовой капустно-редечный гибрид. Каждая из исходных форм имела в половых клетках по 9 хромосом. В этом случае клетки полученного от них гибрида имели 18 хромосом. Но некоторые яйцеклетки и пыльцевые зерна содержали все 18 хромосом (диплоиды), а при их скрещивании создано растение с 36 хромосомами, которое оказалось плодовитым. Так была доказана возможность использования полиплоида для преодоления нескрещиваемости и бесплодия при отдаленной гибридизации

4. Искусственный мутагенез. Естественные мутации сопровождающиеся появлением полезных для человека признаков, возникают очень редко. На их поиски приходится затрачивать много сил и времени. Частота мутаций резко повышается при воздействии мутагенов. К ним относятся некоторые химические вещества, а также ультрафиолетовое и рентгеновское излучения. Эти воздействия нарушают строение молекул ДНК и служат причиной резкого возрастания частоты мутаций. Наряду с вредными мутациями нередко обнаруживаются и полезные, которые используются учеными в селекционной работе. Путём воздействия мутагенами в растениеводстве получают и полиплоидные растения, отличающиеся более крупными размерами, высокой урожайностью и более активным синтезом органических веществ. Радиационным облучением с последующим отбором созданы ценные сорта гороха, фасоли, томатов.

      5. Метод клеточной инженерии - создание клеток нового типа на основе их гибридизации, реконструкции и культивирования.

Гибридизация соматических клеток.  Первый межвидовой гибрид при слиянии протопластов из клеток разных видов табака был получен в 1972 П. Карлсоном (США). Гибриды, полученные при слиянии протопластов, имеют важные отличия от половых гибридов поскольку несут цитоплазму обоих родителей. Возможно создание гибридов, наследующих ядерные гены одного из родителей наряду с цитоплазматическими генами обоих родителей. Особый интерес представляют гибриды растений, несущие цитоплазматические гены устойчивости к различным патогенам и стрессорным факторам от дикорастущих видов или цитоплазматические гены мужской стерильности. Слияние протопластов используют также для получения гибридов с ценными в хозяйственном отношении свойствами между отдаленными видами, которые плохо или вообще не скрещиваются обычным путем. Удалось, например, «ресинтезировать» рапс, являющийся естественным амфидиплоидом между турнепсом и капустой, получить соматический гибрид картофеля с томатами и т. д. При слиянии протопластов создают и новые клеточные линии-продуценты важных соединений.

Выращиваемые на искусственных питательных средах клетки и ткани растений составляют основу разнообразных технологий в сельском хозяйстве. Одни из них направлены на получение идентичных исходной форме растений (оздоровление и клональное микроразмножение на основе меристемных культур, создание искусственных семян, криосохранение генофонда при глубоком замораживании меристеми клеток пыльцы). Другие — на создание растений, генетически отличных от исходных, путем или облегчения и ускорения традиционного селекционного процесса или создания генетического разнообразия и поиска и отбора генотипов с ценными признаками. В первом случае используют искусственное оплодотворение, культуру незрелых гибридных семяпочек и зародышей, регенерацию растений из тканей летальных гибридов, гаплоидные растения, полученные при культивировании пыльников или микроспор. Во втором — новые формы растений создаются на основе мутантов, образующихся in vitro, и трансгенных растений. Таким путем получены растения, устойчивые к вирусам и другим патогенам, гербицидам, растения, способные синтезировать токсины, патогенные для насекомых-вредителей, растения с чужеродными генами, контролирующими синтез белков холодоустойчивости и белков с улучшенным аминокислотным составом, растения с измененным балансом фитогормонов и т. д.

Методы селекционной работы И.В Мичурина. (1855-1935)

- выдающийся селекционер- практик, автор 300 сортов плодово – ягодных культур.

Особое место в практике улучшения плодово-ягодных культур занимает селекционная работа И. В. Мичурина. Большое значение он придавал подбору родительских пар для скрещивания. При этом он не использовал местные дикорастущие сорта (так как они обладали стойкой наследственностью, и гибрид обычно уклонялся в сторону дикого родителя), а брал растения из других, отдаленных географических мест и скрещивал их друг с другом. Подобными методами вывели такие ценные сорта, как груша Бере зимняя Мичурина (от скрещивания южного сорта груши Бере Рояль и дикой уссурийской груши) и яблоня Бельфлер-китайка (родители: американский сорт Бельфлер желтый и китайская яблоня родом из Сибири).

Важным звеном в работе Мичурина было целенаправленное воспитание гибридных сеянцев: в определенный период их развития создавались условия для доминирования признаков одного из родителей и подавления признаков другого, т. е. эффективное управление доминированием признаков (разные приемы обработки почвы, внесение удобрений, прививки в крону другого растения и т. п.). Использовался и метод ментора — воспитание на подвое. В качестве привоя он брал как молодое растение, так и почки от зрелого плодоносящего дерева. Этим методом удалось придать желаемую окраску плодам гибрида вишни с черешней под названием “Краса севера”. Мичурин применял также отдаленную гибридизацию. Им получен своеобразный гибрид вишни и черемухи — церападус, а также гибрид терна и сливы, яблони и груши, персика и абрикоса. Все мичуринские сорта поддерживают путем вегетативного размножения.

            Сущность метода     Примеры

1.Биологически отдаленная гибридизация:

 а) межвидовая          Скрещивание представителей разных видов для получения сортов с нужными свойствами    Вишня владимирская X черешня Винклера белая = вишня Краса севера (хороший вкус, зимостойкость)

б) межродовая           Скрещивание представителей разных родов для получения новых растений            Вишня Х черемуха = Церападус

2. Географически отдаленная гибридизация   Скрещивание представителей контрастных природных зон и географически отдаленных регионов с целью привить гибриду нужные качества (вкусовые, устойчивости)          Груша дикая уссурийская Х Бере рояль (Франция) = Бере зимняя Мичурина

Отбор Многократный, жесткий: по размерам, форме, зимостойкости, иммунным свойствам, качеству, вкусу, цвету плодов и их лежкости. Продвинуто на север много сортов яблонь с хорошими вкусовыми качествами и высокой урожайностью

3. Метод ментора    Воспитание в гибридном сеянце желательных качеств (усиление доминирования), для чего сеянец прививается на растение-воспитатель, от которого эти качества хотят получить. Чём ментор старше, мощнее, длительнее действует, тем его влияние сильнее       Яблоня Китайка (подвой)X гибрид (Китайка Х Кандиль-синап) = Кандиль-синап (морозостойкий)

Бельфлер-китайка (гибрид-подвой) X Китайка (привой) = Бельфлер-китайка (лежкий позднеспелый сорт)

4. Метод посредника    При отдаленной гибридизации для преодоления нескрещнваемости использование дикого вида в качестве посредника       Дикий монгольский миндаль Х дикий персик Давида = миндаль Посредник

Культурный персик X миндаль Посредник = гибридный персик (продвинут на север)

Воздействие условиями среды      При воспитании молодых гибридов обращалось внимание на метод хранения семян, характер и степень питания, воздействие низкими температурами, бедной питанием почвой, частыми пересадками       Закаливание гибридного сеянца.

5. Отбор наиболее выносливых растений

6. Смешение пыльцы.   Для преодоления межвидовой нескрещиваемости (несовместимости).  Смешивалась пыльца материнского растения с пыльцой отцовского, своя пыльца раздражала рыльце, и оно воспринимало чужую пыльцу.

IV. Закрепление изученного материала

1.      Почему большинство сортов культурных растений погибнет без участия человека?

2.      Почему центры происхождения культурных растений совпадают с местами существования великих цивилизаций древности?

Первые попытки выращивания растений, как и первые попытки выращивания животных, происходит 20-30 тыс. лет назад, когда крупные животные были выбиты и охота перестала обеспечивать людей продуктами питания в достаточной степени. Наиболее богатыми по количеству культур являются древние центры цивилизации, именно там наиболее ранняя культура земледелия, более длительное время проводился искусственный отбор и селекция растений. Селекция животных происходила в этих же районах. На первых этапах происходило одомашнивание, приручение животных. Выращивались детеныши диких животных, каким-либо образом попавшие к человеку. Среди них преимущественно выживали те, кто вел себя наименее агрессивно по отношению к человеку, кто легко размножался в неволе. Отбор, который проводил человек, сначала был бессознательным - больше ценились и сохранялись лучшие животные, впоследствии становится методическим, человек хочет получать потомство от лучших производителей. Дикий тур стал родоначальником пород крупного рогатого скота, волк - пород домашней собаки, муфлон -различных пород овец, от тарпана произошли лошади. Кабан стал родоначальником различных пород свиней, от дикой банкиевской курицы произошли породы домашних кур.

Тест  по  теме: «Селекция».

Верно или не верно то или иное суждение

1.Слово  «селекция»  означает  отбор.

2.В  основе  селекционного  процесса  лежит  естественный  отбор.

3.Чистые  линии  растений  получают  путем  самоопыления.

4.При  массовом  отборе  обязательно  учитывают  генотип  особей, отбираемых  для  дальнейшего  скрещивания

5.Полиплоидию  вызывают, воздействуя  на  клетки  колхицином.

6.Инбридинг  применяют  с  целью  повышения  разнообразия генетического  материала.

7.Инбридинг – близкородственное  скрещивание.

8.Гетерозисом  называют  явление  перехода  генов  в  гетерозиготное состояние.

1+.  2-.  3+.  4-.  5+.  6-.  7+.  8-.

Выберите один правильный ответ

1.Родиной многих клубненосных растений, в том числе картофеля, является центр...

А. Южноазиатский          В. Южноамериканский тропический.

Б. Средиземноморский.   Г. Центральноамериканский.

2. Метод выделения отдельных особей среди сельскохозяйственных культур и получения от них потомства называется...

А. Массовым отбором.                   Б. Межлинейной гибридизацией.

В. Отдаленной гибридизацией.     Г. Индивидуальным отбором.

3. Около 90 видов культурных растений, в том числе кукуруза,

 происходят из центра...

А. Восточноазиатского.       В. Центральноамериканского.

Б. Южноазиатского               Г. Абиссинского тропического.

4. Бесплодие межвидовых растительных гибридов возможно

преодолевать с помощью...

А. Гетерозиса.                    В. Индивидуального отбора.

Б. Массового отбора.         Г. Полиплоидии.

            5. В селекционной работе с растениями не используют...

А. Отдаленную гибридизацию.                               Б. Массовый отбор.

В. Испытание производителей по потомству.       Г. Индивидуальный отбор.

6. Искусственный перенос нужных генов от одного вида живых организмов в другой вид, часто далекий по своему происхождению, относится к методам...

А. Клеточной инженерии.                  Б. Хромосомной инженерии.

В. Отдаленной гибридизации.           Г. Генной инженерии.

1в,2г,3в, 4г, 5в,6г.

V. Домашнее задание

Параграф 32, вопросы к параграфу, р/т; творческое задание – составьте меню праздничного стола из продуктов Абиссинского центра происхождения и обоих Американских. Для каждого блюда укажите растение-сырьё и центр его происхождения. Оформите работу на листе А4.

VI. Итоги урока. Выставление оценок. Рефлексия.

Как вам работалось на уроке? Что показалось самым трудным? Что запомнилось? Как вы оцените свою работу на уроке?