Manusia telah lama terlibat dalam pemilihan tumbuhan dan hewan yang cocok untuk memenuhi kebutuhan penduduk. Pengetahuan ini digabungkan menjadi sains - seleksi. Genetika, pada gilirannya, memberikan dasar untuk seleksi dan pemuliaan varietas baru dan keturunan yang lebih cermat yang memiliki kualitas khusus. Dalam artikel ini, kami akan mempertimbangkan deskripsi kedua ilmu ini dan fitur aplikasinya.
Apa itu genetika?
Ilmu gen adalah disiplin ilmu yang mempelajari proses transmisi informasi herediter dan variabilitas organisme dari generasi ke generasi. Genetika adalah dasar teoretis seleksi, konsep yang dijelaskan di bawah ini.
Tugas ilmu antara lain:
- Studi tentang mekanisme penyimpanan dan transmisi informasi dari nenek moyang ke keturunan.
- Studi tentang penerapan informasi tersebut dalam proses perkembangan individu organisme, dengan mempertimbangkan pengaruh lingkungan.
- Mempelajari penyebab danmekanisme variabilitas organisme hidup.
- Penentuan hubungan antara seleksi, variabilitas dan hereditas sebagai faktor dalam perkembangan dunia organik.
Sains juga terlibat dalam memecahkan masalah praktis, yang menunjukkan pentingnya genetika untuk pemuliaan:
- Penentuan efisiensi seleksi dan pemilihan jenis hibridisasi yang paling tepat.
- Kontrol perkembangan faktor keturunan untuk meningkatkan objek untuk mendapatkan kualitas yang lebih signifikan.
- Memperoleh formulir yang dimodifikasi secara turun temurun dengan cara buatan.
- Pengembangan tindakan yang bertujuan untuk melindungi lingkungan, misalnya dari pengaruh mutagen, hama.
- Melawan patologi herediter.
- Membuat kemajuan dalam metode pemuliaan baru.
- Cari metode rekayasa genetika lainnya.
Objek sains adalah: bakteri, virus, manusia, hewan, tumbuhan, dan jamur.
Konsep dasar yang digunakan dalam sains:
- Keturunan adalah sifat melestarikan dan meneruskan informasi genetik kepada keturunannya, yang melekat pada semua organisme hidup, yang tidak dapat dihilangkan.
- Gen adalah bagian dari molekul DNA yang bertanggung jawab atas kualitas tertentu dari suatu organisme.
- Variabilitas adalah kemampuan organisme hidup untuk memperoleh kualitas baru dan kehilangan kualitas lama dalam proses ontogenesis.
- Genotipe - satu set gen, dasar turun-temurun dari suatu organisme.
- Fenotipe - seperangkat kualitas yang diperoleh organisme dalam proses individupengembangan.
Tahapan perkembangan genetika
Perkembangan genetika dan seleksi telah melalui beberapa tahapan. Perhatikan periode pembentukan ilmu gen:
- Hingga abad ke-20, penelitian di bidang genetika bersifat abstrak, tidak memiliki dasar praktis, tetapi didasarkan pada pengamatan. Satu-satunya karya lanjutan pada waktu itu adalah studi G. Mendel, yang diterbitkan dalam Proceedings of the Society of Naturalists. Namun pencapaian tersebut tidak meluas dan tidak diklaim hingga tahun 1900, ketika ketiga ilmuwan tersebut menemukan kesamaan eksperimen mereka dengan penelitian Mendel. Tahun inilah yang mulai dianggap sebagai waktu lahirnya genetika.
- Kira-kira pada tahun 1900-1912, hukum hereditas dipelajari, terungkap selama eksperimen hibridologis yang dilakukan pada tumbuhan dan hewan. Pada tahun 1906, ilmuwan Inggris W. Watson mengusulkan pengenalan konsep "gen" dan "genetika". Dan setelah 3 tahun, V. Johannsen, seorang ilmuwan Denmark, mengusulkan untuk memperkenalkan konsep "fenotipe" dan "genotipe".
- Sekitar tahun 1912-1925, ilmuwan Amerika T. Morgan dan murid-muridnya mengembangkan teori kromosom hereditas.
- Sekitar tahun 1925-1940, pola mutasi pertama kali diperoleh. Peneliti Rusia G. A. Nadson dan G. S. Filippov menemukan pengaruh radiasi gamma pada penampilan gen yang bermutasi. S. S. Chetverikov berkontribusi pada pengembangan sains dengan menyoroti metode genetik dan matematika untuk mempelajari variabilitas organisme.
- Dari pertengahan abad ke-20 hingga saat ini, perubahan genetik telah dipelajari pada tingkat molekuler. Pada akhirnyaPada abad ke-20, model DNA dibuat, esensi gen ditentukan, dan kode genetik diuraikan. Pada tahun 1969, sebuah gen sederhana disintesis untuk pertama kalinya, dan kemudian dimasukkan ke dalam sel dan dipelajari perubahan hereditasnya.
Metode Ilmu Genetika
Genetika, sebagai dasar teori pemuliaan, menggunakan metode tertentu dalam penelitiannya.
Ini termasuk:
- Metode hibridisasi. Ini didasarkan pada persilangan spesies dengan garis murni, yang berbeda dalam satu (maksimum beberapa) karakteristik. Tujuannya adalah untuk mendapatkan generasi hibrida, yang memungkinkan kita untuk menganalisis sifat pewarisan sifat dan berharap untuk mendapatkan keturunan dengan kualitas yang diperlukan.
- Metode silsilah. Berdasarkan analisis silsilah keluarga, yang memungkinkan Anda untuk melacak transfer informasi genetik dari generasi ke generasi, kemampuan beradaptasi terhadap penyakit, dan juga untuk mengkarakterisasi nilai individu.
- Metode kembar. Berdasarkan perbandingan individu monozigot, digunakan bila perlu untuk menetapkan tingkat pengaruh faktor paratipik sambil mengabaikan perbedaan genetika.
- Metode sitogenetik didasarkan pada analisis nukleus dan komponen intraseluler, membandingkan hasil dengan norma untuk parameter berikut: jumlah kromosom, jumlah lengan dan fitur strukturalnya.
- Metode biokimia didasarkan pada studi tentang fungsi dan struktur molekul tertentu. Misalnya, penggunaan berbagai enzim digunakan dalambioteknologi dan rekayasa genetika.
- Metode biofisik didasarkan pada studi polimorfisme protein plasma, seperti susu atau darah, yang memberikan informasi tentang keragaman populasi.
- Metode monosom menggunakan hibridisasi sel somatik sebagai dasar.
- Metode fenogenetik didasarkan pada studi tentang pengaruh faktor genetik dan paratipik terhadap perkembangan kualitas suatu organisme.
- Metode statistik populasi didasarkan pada penerapan analisis matematis dalam biologi, yang memungkinkan analisis karakteristik kuantitatif: penghitungan nilai rata-rata, indikator variabilitas, kesalahan statistik, korelasi, dan lain-lain. Penggunaan hukum Hardy-Weinberg membantu dalam analisis struktur genetik populasi, tingkat distribusi anomali, dan juga untuk melacak variabilitas populasi ketika menerapkan berbagai opsi seleksi.
Apa itu seleksi?
Pemuliaan adalah ilmu yang mempelajari metode untuk menciptakan varietas baru dan hibrida tanaman, serta keturunan hewan. Dasar teori pemuliaan adalah genetika.
Tujuan sains adalah untuk meningkatkan kualitas suatu organisme atau memperoleh di dalamnya sifat-sifat yang diperlukan seseorang dengan memengaruhi keturunan. Seleksi tidak dapat menciptakan spesies organisme baru. Seleksi dapat dianggap sebagai salah satu bentuk evolusi di mana seleksi buatan hadir. Berkat dia, umat manusia diberi makanan.
Tugas Pokok Ilmu:
- peningkatan kualitatif karakteristik tubuh;
- peningkatan produktivitas dan hasil;
- meningkatkan daya tahan organisme terhadap penyakit, hama, perubahan kondisi iklim.
Keunikannya adalah kompleksitas ilmu. Hal ini terkait erat dengan anatomi, fisiologi, morfologi, taksonomi, ekologi, imunologi, biokimia, fitopatologi, produksi tanaman, peternakan dan banyak ilmu lainnya. Pengetahuan tentang pembuahan, penyerbukan, histologi, embriologi dan biologi molekuler sangat penting.
Pencapaian pemuliaan modern memungkinkan Anda mengontrol hereditas dan variabilitas organisme hidup. Pentingnya genetika untuk pemuliaan dan obat-obatan tercermin dalam kontrol yang disengaja atas suksesi kualitas dan kemungkinan memperoleh hibrida tanaman dan hewan untuk memenuhi kebutuhan manusia.
Tahap pengembangan seleksi
Sejak zaman kuno, manusia telah berkembang biak dan memilih tanaman dan hewan untuk tujuan pertanian. Tetapi pekerjaan seperti itu didasarkan pada pengamatan dan intuisi. Perkembangan pemuliaan dan genetika berlangsung hampir bersamaan. Perhatikan tahapan pengembangan seleksi:
- Selama perkembangan tanaman dan peternakan, seleksi mulai masif, dan pembentukan kapitalisme menyebabkan kerja selektif di tingkat industri.
- Pada akhir abad ke-19, ilmuwan Jerman F. Achard melakukan penelitian dan menanamkan dalam bit gula kualitas hasil yang meningkat. Peternak Inggris P. Shiref dan F. Gallet mempelajari varietas gandum. Di Rusia, Lapangan Eksperimen Poltava dibuat, di manastudi tentang komposisi varietas gandum.
- Pemuliaan sebagai ilmu mulai berkembang sejak tahun 1903, ketika stasiun pemuliaan diselenggarakan di Institut Pertanian Moskow.
- Pada pertengahan abad ke-20, penemuan-penemuan berikut dibuat: hukum variabilitas herediter, teori pusat asal tanaman untuk tujuan budaya, prinsip-prinsip seleksi ekologi dan geografis, pengetahuan tentang bahan sumber tumbuhan dan kekebalannya. Institut Botani Terapan dan Budaya Baru All-Union didirikan di bawah kepemimpinan N. I. Vavilov.
- Penelitian dari akhir abad ke-20 hingga saat ini sangat kompleks, seleksi berinteraksi erat dengan ilmu-ilmu lain, terutama dengan genetika. Hibrida dengan adaptasi agroekologi tinggi telah dibuat. Penelitian saat ini berfokus untuk membuat hibrida menjadi sangat produktif dan tahan terhadap stresor biotik dan abiotik.
Metode pemilihan
Genetika mempertimbangkan pola transmisi informasi herediter dan cara untuk mengontrol proses tersebut. Pemuliaan menggunakan pengetahuan yang diperoleh dari genetika dan menggunakan metode lain untuk mengevaluasi organisme.
Yang utama adalah:
- Metode pemilihan. Seleksi menggunakan seleksi alami dan buatan (tidak disadari atau metodis). Organisme tertentu (seleksi individu) atau sekelompok mereka (seleksi massal) juga dapat dipilih. Pengertian jenis seleksi didasarkan pada ciri-ciri perkembangbiakan hewan dan tumbuhan.
- Hibridisasi memungkinkan Anda mendapatkan genotipe baru. Dalam metode ini, intraspesifik (persilangan terjadi dalam satu spesies) dan hibridisasi interspesifik (persilangan spesies yang berbeda) dibedakan. Melakukan perkawinan sedarah memungkinkan Anda untuk memperbaiki sifat turun-temurun sambil mengurangi kelangsungan hidup organisme. Jika outbreeding dilakukan pada generasi kedua atau berikutnya, maka breeder menerima hibrida berdaya hasil tinggi dan tahan. Telah ditetapkan bahwa dengan persilangan jauh, keturunannya steril. Di sini pentingnya genetika untuk pemuliaan dinyatakan dalam kemungkinan mempelajari gen dan mempengaruhi kesuburan organisme.
- Poliploidi adalah proses peningkatan set kromosom, yang memungkinkan untuk mencapai kesuburan pada hibrida yang tidak subur. Telah diamati bahwa beberapa tanaman budidaya setelah poliploidi memiliki kesuburan lebih tinggi daripada spesies terkait.
- Mutagenesis terinduksi adalah proses mutasi organisme yang diinduksi secara artifisial setelah perlakuannya dengan mutagen. Setelah akhir mutasi, pemulia menerima informasi tentang pengaruh faktor pada organisme dan perolehan kualitas baru olehnya.
- Rekayasa sel dirancang untuk membangun jenis sel baru melalui kultivasi, rekonstruksi, dan hibridisasi.
- Rekayasa gen memungkinkan Anda untuk mengisolasi dan mempelajari gen, memanipulasinya untuk meningkatkan kualitas organisme dan membiakkan spesies baru.
Tanaman
Dalam proses mempelajari pertumbuhan, perkembangan, dan pemilihan sifat-sifat tanaman yang berguna, genetika dan seleksi saling berhubungan erat. Genetika di bidang analisis kehidupan tanaman berkaitan denganmasalah mempelajari ciri-ciri perkembangan mereka dan gen yang memastikan pembentukan dan fungsi normal tubuh.
Sains mempelajari bidang-bidang berikut:
- Perkembangan satu organisme tertentu.
- Kontrol sistem sinyal pembangkit.
- Ekspresi gen.
- Mekanisme interaksi antara sel dan jaringan tumbuhan.
Pemuliaan, pada gilirannya, memastikan penciptaan baru atau peningkatan kualitas spesies tanaman yang ada berdasarkan pengetahuan yang diperoleh melalui genetika. Ilmu pengetahuan sedang dipelajari dan berhasil digunakan tidak hanya oleh petani dan tukang kebun, tetapi juga oleh para pemulia dalam organisasi penelitian.
Penggunaan genetika dalam pemuliaan dan produksi benih memungkinkan untuk menanamkan kualitas baru pada tanaman yang dapat berguna di berbagai bidang kehidupan manusia, seperti obat-obatan atau memasak. Selain itu, pengetahuan tentang karakteristik genetik memungkinkan untuk memperoleh varietas tanaman baru yang dapat tumbuh dalam kondisi iklim lain.
Berkat genetika, pemuliaan menggunakan metode persilangan dan seleksi individu. Perkembangan ilmu gen memungkinkan untuk menerapkan metode seperti poliploidi, heterosis, mutagenesis eksperimental, kromosom dan rekayasa genetika dalam pemuliaan.
Dunia Hewan
Seleksi dan genetika hewan adalah cabang ilmu yang mempelajari ciri-ciri perkembangan perwakilan dunia hewan. Berkat genetika, seseorang memperoleh pengetahuan tentang keturunan, karakteristik genetik, dan variabilitasorganisme. Dan seleksi memungkinkan Anda untuk memilih untuk menggunakan hanya hewan-hewan yang kualitasnya diperlukan untuk manusia.
Sudah lama orang memilih hewan yang, misalnya, lebih cocok untuk digunakan dalam pertanian atau berburu. Sifat ekonomi dan eksterior sangat penting untuk pembiakan. Jadi, hewan ternak dinilai dari penampilan dan kualitas keturunannya.
Penggunaan pengetahuan genetika dalam pemuliaan memungkinkan Anda untuk mengontrol keturunan hewan dan kualitas yang diperlukan:
- resistensi virus;
- peningkatan produksi susu;
- ukuran dan fisik individu;
- toleransi iklim;
- kesuburan;
- jenis kelamin keturunan;
- menghilangkan kelainan herediter pada keturunan.
Perkembangbiakan hewan telah meluas tidak hanya untuk memenuhi kebutuhan primer manusia akan nutrisi. Hari ini Anda dapat mengamati banyak jenis hewan peliharaan, yang dibiakkan secara artifisial, serta hewan pengerat dan ikan, seperti guppy. Pemuliaan dan genetika dalam peternakan menggunakan metode berikut: hibridisasi, inseminasi buatan, mutagenesis eksperimental.
Peternak dan ahli genetika sering menghadapi masalah non-pemuliaan spesies di antara generasi pertama hibrida dan penurunan yang signifikan dalam fekunditas keturunan. Ilmuwan modern secara aktif memecahkan pertanyaan seperti itu. Tujuan utama dari karya ilmiah adalah untuk mempelajari pola kompatibilitas gamet, janin dan tubuh ibu pada tingkat genetik.
Mikroorganisme
Pengetahuan modern tentang pemuliaan dangenetika memungkinkan untuk memenuhi kebutuhan manusia akan produk makanan yang berharga, yang terutama diperoleh dari peternakan. Tetapi perhatian para ilmuwan juga tertarik pada benda-benda alam lainnya - mikroorganisme. Ilmu pengetahuan telah lama percaya bahwa DNA adalah fitur individu dan tidak dapat ditransfer ke organisme lain. Tetapi penelitian telah menunjukkan bahwa DNA bakteri dapat berhasil dimasukkan ke dalam kromosom tanaman. Melalui proses ini, kualitas yang melekat pada bakteri atau virus berakar pada organisme lain. Selain itu, pengaruh informasi genetik virus pada sel manusia telah lama diketahui.
Studi genetika dan seleksi mikroorganisme dilakukan dalam waktu yang lebih singkat dibandingkan dengan produksi tanaman dan peternakan. Hal ini disebabkan oleh reproduksi yang cepat dan perubahan generasi mikroorganisme. Metode pemuliaan dan genetika modern - penggunaan mutagen dan hibridisasi - telah memungkinkan untuk menciptakan mikroorganisme dengan sifat baru:
- Mutan mikroorganisme mampu mensintesis asam amino secara berlebihan dan meningkatkan pembentukan vitamin dan provitamin;
- mutan bakteri pengikat nitrogen dapat secara signifikan mempercepat pertumbuhan tanaman;
- Organisme ragi telah dikembangbiakkan - jamur uniseluler dan banyak lainnya.
Peternak dan ahli genetika menggunakan mutagen ini:
- ultraviolet;
- radiasi pengion;
- ethyleneimine;
- nitrosomethylurea;
- aplikasi nitrat;
- cat acridine.
Untuk efisiensi mutasisering digunakan pengobatan mikroorganisme dengan dosis kecil mutagen.
Kedokteran dan Bioteknologi
Umum dalam arti genetika untuk pembiakan dan kedokteran adalah bahwa dalam kedua kasus, sains memungkinkan Anda mempelajari hereditas organisme, yang dimanifestasikan dalam kekebalan mereka. Pengetahuan seperti itu penting dalam memerangi patogen.
Studi genetika di bidang kedokteran memungkinkan Anda untuk:
- mencegah kelahiran anak dengan kelainan genetik;
- mencegah dan mengobati penyakit keturunan;
- pelajari pengaruh lingkungan terhadap hereditas.
Metode berikut digunakan untuk ini:
- silsilah - studi tentang pohon keluarga;
- twin - pasangan kembar yang cocok;
- cytogenetic - studi tentang kromosom;
- biokimia - memungkinkan Anda mengidentifikasi jalur mutan dalam DNA;
- dermatoglyphic - analisis pola kulit;
- modeling dan lain-lain.
Penelitian modern telah mengidentifikasi sekitar 2.000 penyakit bawaan. Kebanyakan gangguan jiwa. Studi genetika dan seleksi mikroorganisme dapat mengurangi kejadian di antara populasi.
Kemajuan dalam genetika dan seleksi dalam bioteknologi memungkinkan penggunaan sistem biologis (prokariota, jamur, dan alga) dalam sains, produksi industri, kedokteran, dan pertanian. Pengetahuan genetika memberikan peluang baru untuk pengembangan teknologi tersebut: hemat energi dan sumber daya, bebas limbah, padat pengetahuan, aman. Dalam bioteknologimetode berikut digunakan: seleksi sel dan kromosom, rekayasa genetika.
Genetika dan seleksi adalah ilmu yang terkait erat. Pekerjaan pemuliaan sangat tergantung pada keragaman genetik dari jumlah awal organisme. Ilmu-ilmu inilah yang memberikan pengetahuan untuk pengembangan pertanian, kedokteran, industri, dan bidang kehidupan manusia lainnya.
