Inżynieria genetyczna jest jedną z najmłodszych dziedzin genetyki, a zarazem jedną z najprężniej rozwijających się nauk. Zajmuje się ona celowym i ściśle ukierunkowanym modyfikowaniem materiału genetycznego organizmów jednokomórkowych, roślin wyższych, zwierząt, a ostatnio także i człowieka.

W związku z odwiecznym dążeniem człowieka do ułatwiania sobie życia, genetyka, ale też młoda inżynieria genetyczna znalazła zastosowanie w wielu dziedzinach życia, poczynając od medycyny, a kończąc na rolnictwie.

Człowiek i medycyna

Inżynieria genetyczna była od samego początku wielka nadzieją wielu chorych, cierpiących na choroby o podłożu genetycznym, a także krewnych takich osób, które były nosicielami genu, wywołującego chorobę. Obecnie w fazie eksperymentów jest tzw. terapia genowa, czyli leczenie chorób dziedzicznych, których przyczyną jest wada genetyczna. Jak dotąd leczenie takich chorób było jedynie objawowe, a polegało na takim zniwelowaniu objawów choroby, by chory mógł bez przeszkód funkcjonować w społeczeństwie. Oczywiście nie zawsze jest to możliwe, a leczenie niekiedy sprowadza się do podtrzymania chorego przy życiu. Zazwyczaj leczenie takie polega na podawaniu hormonów, których synteza jest zaburzona, czy unikaniu niektórych produktów spożywczych w związku z brakiem w organizmie enzymu do ich przetwarzania. Terapia genowa mogłaby zamiast tego wyleczyć przyczynę, a nie tylko objawy, a zatem była by efektywna, krótsza i mniej kosztowna. Sama terapia genowa ma kilka znaczeń, które wiążą się z mechanizmem oddziaływania na genom. Pierwszym z nich jest zastąpienie uszkodzonego genu prawidłowym, bądź unieczynnienie genu powodującego choroby lub też wprowadzanie zmian w nieprawidłowo działającym genie. Wymiana genu na nowy, prawidłowy może być stosowana w przypadku chorób jednogenowych recesywnych np. hemofilii, czy mukowiscydozy. W przypadku choroby uwarunkowanej obecnością alleli dominujących (pląsawica Huntingtona) bardziej odpowiednia wydaje się być metoda zablokowania genu, natomiast naprawa uszkodzonego genu jest metodą, która może być wykorzystana w obu przypadkach. Jak dotąd terapie te pozostają w sferze planów i licznych eksperymentów. Nie udało się jeszcze opanować umieszczania genów w dokładnie sprecyzowane miejsce genomu, a skutki, jakie może wywołać umieszczenie genu w nieodpowiednim miejscu mogą być groźniejsze niż sama choroba. Mimo fazy eksperymentalnej już udało się osiągnąć pierwsze sukcesy w leczeniu. Eksperyment obejmował kilkoro dzieci chorych na SCID (ciężki złożony niedobór immunologiczny), chorobę spowodowaną uszkodzeniem genu. Terapia, jaką zastosowano to umieszczenie prawidłowego genu w genomie retrowirusa i umieszczenie go bezpośrednio w jądrach limfocytów. Mimo obiecujących początków, postęp w terapii genowej nie jest tak szybki jak się spodziewano.

Oprócz terapii genowej genetyka ułatwia także diagnozowanie chorób, tylko na podstawie DNA. Jest to możliwe dzięki powstającej i cały czas uzupełnianej bibliotece genowej. Dzięki niej możemy zidentyfikować w DNA geny, które odpowiadają za różne choroby. Szczególne znaczenie ma to w przypadku chorób nowotworowych, ponieważ wczesne ich wykrycie może uratować życie człowieka. Takie badania prowadzi się także u noworodków, celem zidentyfikowania groźnych chorób prowadzących do zaburzeń rozwojowych, a w efekcie do upośledzenia i śmierci tj. fenyloketonuria lub tyrozynemia. Testy takie z technicznego punktu widzenia opierają się na różnicach w sekwencji DNA genu prawidłowego i prowadzącego do choroby. Nieprawidłowe geny można wykryć w genomie stosując np. sondy molekularne, które są specjalnie skonstruowanymi fragmentami DNA lub RNA, komplementarnymi z poszukiwanym fragmentem. Sonda dodatkowo jest znakowana, najczęściej izotopem radioaktywnym, w celu jej szybkiego zlokalizowania. Geny można wykrywać także inna metodą, a mianowicie przeprowadzić rozdział elektroforetyczny odcinków DNA na żelu i odnaleźć fragment odpowiadający długości nieprawidłowego genu. Każda choroba genetyczna posiada specyficzną tylko dla siebie sekwencję DNA, która jest swego rodzaju markerem nieprawidłowych genów. To właśnie dzięki nim możliwe jest stwierdzenie choroby lub nawet ryzyka zachorowania potomstwa, w związku z nosicielstwem takiego genu. Testy takie przeprowadzane są także w celu oszacowania częstotliwości zmutowanych genów w populacji, a zatem zagrożenia, jakim potencjalnie są. Dla takich zagrożonych osób, u których w bliskiej rodzinie wystąpił przypadek zachorowania na chorobę genetyczną prowadzone jest specjalne poradnictwo. Można także, w przybliżeniu oszacować, jakie jest ryzyko zachorowania przyszłego dziecka, po zebraniu dokładnego wywiadu lekarskiego. Badania przeprowadza się także już po poczęciu dziecka, w celu wczesnego wykrycia ewentualnej choroby. Jednym z podstawowych badań jest popularna ultrasonografia (USG), która pozwala stwierdzić ogólnie nieprawidłowości w rozwoju płodu. Natomiast, w przypadku, kiedy występuje duże ryzyko wady genetycznej wykonuje się analizę kariotypu. Ma to miejsce np. w przypadku zespołu Downa. Badania takie najczęściej i najlepiej wykonać już we wczesnej ciąży. Aby wykonać analizę kariotypu przeprowadza się amniopunkcje, czyli pobiera się niewielką objętość płynu owodniowego, w którym znajdują się komórki płodu, a następnie poddaje się je analizie. W przypadku zespołu Downa nieprawidłowość polega na trisomii chromosomu XXI. Gdy taka sytuacja zostanie potwierdzona rodzice mogą zdecydować, czy usuną płód, czy zechcą wychowywać dziecko poważnie upośledzone. Badanie to pozwala także na uniknięcie usuwania płodu w obawie przed chorobą, kiedy potwierdzony zostanie prawidłowy kariotyp. Niestety badania takie mają swe zastosowanie tylko w odniesieniu do chorób wywoływanych przez mutacje chromosomowe (trisomie, monosomie), natomiast nie jest jeszcze możliwe, żeby dokładnie zidentyfikować wszystkie choroby, które zależne są od mutacji w jednym genie, czy determinowane są wielogenowo. Poradnictwem takim zajmują się w Polsce następujące instytucje: Instytut Matki i Dziecka, Centrum Zdrowia Dziecka, Instytut Psychiatrii i Neurologii w Warszawie oraz kliniki przy akademiach medycznych w Białymstoku, Gdański, Krakowie, Łodzi, Poznaniu i Wrocławiu.

Choroby genetyczne mają także od wieków odbicie w kulturze i zwyczajach. To, że od zawsze unikano i odradzano małżeństw pomiędzy bliskimi krewnymi, wcale nie było tylko bezpodstawnym wymysłem, ale miało głębokie korzenie w obserwacjach wielu chorób. Należy zaznaczyć, bowiem, że im bliżej spokrewnione osoby, tym bardziej podobne są także ich genomy. A więc, kiedy połączą się one w jednym organizmie potomnym istnieje zwiększone prawdopodobieństwo, że geny recesywne, powodujące różne choroby spotkają się i ujawnią, w rezultacie wywołując chorobę. I mimo, że kilkaset lat temu nikt nie miał pojęcia o genetyce, czy zasadach dziedziczenia, to z obserwacji wynikało, że to właśnie wśród małżeństw spokrewnionych osób zdarza się znacznie więcej przypadków chorych i upośledzonych dzieci.

Innym zastosowaniem genetyki, a w zasadzie inżynierii genetycznej w medycynie jest synteza różnych białek, w tym hormonów przez inne organizmy, w dużych ilościach i czystych pod względem chemicznym i biologicznym. Wcześniej takie hormony można było pobrać tylko od organizmów zwierzęcych lub człowieka, ale niejednokrotnie bywały one zanieczyszczone wirusami, czy nie do końca odpowiadały pod względem chemicznym hormonom człowieka (w przypadku pobrania od zwierząt).

Wiele chorób w tym hemofilia, zaburzenia wzrostu, spowodowane zaburzeniami w syntezie somatotropiny, czy fenyloketonuria jest obecnie leczona objawowo, poprzez podawanie odpowiedniego białka, które jest odpowiednikiem substancji, której organizm sam nie jest w stanie produkować. Uzyskanie takich preparatów jest niezmiernie uciążliwe, trudne i wymaga wielu nakładów. Hormon wzrostu można było pozyskiwać jedynie z szyszynki człowieka i dokonywało się tego jedynie od osób zmarłych, ale wielokrotnie zdarzało się, że preparaty były zanieczyszczone i nie zwierały jedynie hormonu, co wywoływało reakcję uczuleniową u pacjentów. Podobnie było z insuliną, którą otrzymywano z trzustki świń, a ta z kolei także nie raz uczulała pacjentów, bo nie była dokładnie zgodna z insuliną produkowaną przez jego organizm. Ale dzięki inżynierii genetycznej, możliwe było wyizolowanie genu kodującego insulinę, czy hormon wzrostu itd., sklonować go i wprowadzić do jądra komórkowego bakterii E.coli, czy drożdży. W ten sposób organizmy te produkują doskonale czyste białko, ponieważ jest ono syntezowane na bazie ludzkiego genu, który je koduje, a poza tym możliwe jest uzyskanie nawet dużych ilości tego białka, ponieważ produkcja nie jest niczym ograniczona, jedynie ilością mikroorganizmów. Możliwe jest, zatem produkowanie preparatów leczniczych znacznie taniej i mniejszym kosztem.

Innym zastosowaniem markerów DNA, o których była mowa wcześniej jest ich wykorzystanie do identyfikacji materiału genetycznego określonego osobnika, a także identyfikacji poszczególnych genów w DNA. Sekwencję DNA można dziś ustalić z mikroskopijnej wielkości próbki śliny, innych płynów ciała, czy choćby złuszczonego naskórka. Jest to wykorzystywane z powodzeniem w kryminalistyce i medycynie sądowej i zdecydowanie ułatwia wskazanie winnego morderstwa, czy innego przestępstwa. Markery stosowane są także w hodowli zwierząt, przeprowadzając selekcję pod kątem pewnych, pożądanych cech, eliminując z populacji te, które wprowadziłyby cechy niekorzystne.

Poza tym analiza genów wykorzystywane są również w badaniach pochodzenia człowieka, czy ewolucji zwierząt i roślin.

Hodowla zwierząt

Hodowla zajmuje się wszechstronnym i jak najlepszym wykorzystaniem zwierząt na potrzeby człowieka, ciągłym ulepszaniem i wprowadzaniem zmian, by uzyskać określony efekt, czyli organizm, który byłby pod każdym względem najbardziej przydatny dla człowieka. Obecnie w hodowli wykorzystuje się nie tylko metody całkowicie naturalne, wykorzystujące fizjologię, czy cytologię zwierząt, ale korzysta się także z pomocy nauki i techniki, manipulując organizmami w taki sposób, aby posiadały pożądane cechy.

Od zarania ludzkości człowiek próbował oswajać zwierzęta dzikie i wykorzystywać je do swoich potrzeb. Takie były początki hodowli. Kiedy oswojone zwierze posiadało cechy korzystniejsze od pozostałych przedstawicieli gatunku, próbowano krzyżować je z drugim o podobnych cechach i w taki sposób otrzymywano zwierzęta o coraz korzystniejszych cechach. Jest to przykład wczesnego doboru sztucznego, który został znacznie bardziej zmodyfikowany z czasem. Na dane cechy wpływa nie tylko genotyp, ale także czynniki środowiskowe, a na ostateczny efekt wpływają w zasadzie wzajemne zależności pomiędzy czynnikami genetycznymi i epigenetycznymi. Czynniki epigenetyczne, czyli wszystkie te, które nie są uwarunkowane genetycznie, to głównie klimat, gleba, odżywianie, pielęgnacja, czynniki chorobotwórcze itd. Jednym z najważniejszych czynników w hodowli jest żywienie. Jedną z podstawowych zasad hodowli jest stworzenie jak najbardziej optymalnych warunków do życia, odpowiednich dla danego gatunku, ponieważ każdy gatunek jest inny i preferuje inne środowisko życia. Zatem genotyp nie determinuje wszystkich cech organizmu, a fenotyp nie koniecznie musi być z nim zgodny, ale może być kształtowany (oczywiście w pewnych granicach, które wyznacza genotyp) w zamierzonym przez człowieka kierunku. Ponadto należy także pamiętać, że różnie reagują na takie same czynniki środowiskowe zwierzęta posiadające różne genotypy.

To jak oddziałują czynniki epigenetyczne w znacznym stopniu determinuje różnorodność wewnątrzgatunkową. Oddziaływanie takie nazwane jest kodyfikacyjnym, ponieważ nie wprowadza dziedzicznych zmian w genotypie, a dotyczą jedynie cech fenotypowych. W rezultacie wszystkie cechy organizmu są wynikiem współzależności pomiędzy czynnikami genetycznymi i środowiskowymi.

Jak wspomniano wcześniej dobór sztuczny, czy inaczej selekcja sztuczna jest celowym działaniem człowieka, powodującym przekształcanie określonej populacji. W naturalnym stanie populacja, a w zasadzie pula genowa populacji pozostaje w równowadze w kolejnych pokoleniach. Jest to spowodowane losowym doborem osobników, czyli doborem naturalnym, który wpływa na mieszanie się genów, mogąc niektóre geny wyciszać, a niektóre uwidaczniać. Natomiast selekcja sztuczna powoduje zaburzenie tej równowagi, a uwidaczniają się i dominują w populacji geny, które kodują najbardziej korzystne dla hodowcy cechy. Selekcja jest procesem długotrwałym i w głównej mierze zależnym od długości życia osobnika danego gatunku. Zmiany widoczne są stopniowo w kolejnych pokoleniach. Im lepiej prowadzona selekcja, tym większa częstość oczekiwanych genotypów w populacji, a mniejsza genotypów kodujących cechy, które hodowca chce wyeliminować. W selekcji sztucznej bardzo duże znaczenie mają także czynniki środowiskowe, które mogą wzmacniać lub wyciszać dane cechy. Zwierzęta, które zostały wstępnie wybrane do stada selekcyjnego już posiadają cechy lub zalążki cech, które poszukiwane są przez hodowcę. W powodzeniu hodowli i czasie w jakim można otrzymać odpowiednie cechy duże znaczenie odgrywa współczynnik odziedziczalności danej cechy, który jest miarą statystyczną zmiany genetycznie uwarunkowanej cechy, a oznaczany jest jako h2. Odziedziczalność jest zawsze wartością stałą dla danej cechy i zależy od zmienności epigenetycznej i genetycznej zwierząt w populacji. Jest ona cechą populacyjną, a nie osobniczą. Im bardziej podobne genotypy występują w populacji, tym współczynnik odziedziczalności przyjmował będzie niższe wartości. W trakcie prowadzenia doboru sztucznego duże znaczenie ma także zmienność osobników. Co jakiś czas musi być przeprowadzana tzw. odnowa stada, populacji, która jest niczym innym, jak usunięciu ze stada zwierząt najsłabszych i wykazujących najmniej korzystne cechy, a wprowadzeniu zwierząt silniejszych o korzystnych. Z powodu poligamii, jaka panuje w stadzie znacznie większa rola w rozmnażaniu przypada samcom, ponieważ to samiec w rezultacie ma większą liczbę potomstwa (zapładniając więcej niż jedną samicę) niż każda z samic. Zatem odpowiedzialnym zadaniem jest dobranie odpowiedniego samca do hodowli, ponieważ w przypadku, kiedy reprezentuje on cechy negatywne, powoduje duże straty. W przypadku doboru samic bierze się pod uwagę ich wartość użytkową, natomiast samców ich wartość hodowlaną.

Hodowla roślin

Podobnie jak w przypadku hodowli zwierząt jej głównym celem jest uzyskanie jak najlepszych odmian roślin użytecznych dla człowieka. Także i tutaj wykorzystuje się do tego celu wiele nauk, a ostatnio również inżynierię genetyczną, która zaczyna odgrywać coraz większą rolę.

Hodowla, w której zaprzestano prac nad polepszaniem uprawianych odmian bardzo szybko skutkuje zmniejszeniem plonowania i pogarszaniem jakości nasion; jest to tzw. hodowla zachowawcza. Natomiast odwrotny skutek uzyskuje się dzięki pracom nad tworzeniem nowych, lepszych odmian i jest to tzw. hodowla twórcza.

Zarówno hodowla zwierząt jak i roślin w dużym stopniu uzależniona jest od czynników środowiskowych, ale zdecydowanie różnych. Warunki środowiska, tak jak wspomniano wcześniej mogą wpływać korzystnie lub niekorzystnie na fenotyp rośliny. Jednym z najważniejszych czynników jest gleba, a w zasadzie obecność w niej niezbędnych dla roślin składników odżywczych, a są to głównie mikro i makroelementy. Gleba zasadniczo składa się z trzech elementów występujących w postaci fazy stałej, ciekłej i gazowej. W czasie długotrwałej uprawy wszystkie fazy ulegają zmianom, co pociąga za sobą także zmiany stosunków biotycznych i termicznych w obrębie gleby.

Hodowla roślin w dużym stopniu koncentruje się nie tyle na samych roślinach, co na zapewnienia im najlepszych warunków środowiskowych, co polega głównie na usuwaniu ze środowiska warunków niekorzystnych lub ograniczaniu ich w jak największym stopniu. Rośliny, które rosną same bez stosowania żadnych zabiegów pielęgnacyjnych bardzo szybko dziczeją, spada ich produktywność, a w skrajnych przypadkach zaniedbania zaczynają być wypierane przez inne rośliny. Do zabiegów poprawiających warunki i wprowadzających zmienność należy stosowanie płodozmianu, czyli zmianowania. Zapewnia to roślinom dogodne warunki wzrostu w związku ze zmianami jakie zachodzą w glebie podczas zmianowania roślin (różne gatunki pobierają z gleby określone pierwiastki w większych lub mniejszych ilościach, co po dłuższym czasie powoduje zubożenie gleby w te pierwiastki, a tym samym wzrost zawartości innych). Płodozmian składa się najczęściej z dwóch, czterech (czasem większej liczby) członów, a w ich skład wchodzą rośliny zbożowe i niezbożowe, np. ziemniak - owies

łubin - żyto

Wpływ czynników środowiskowych oraz genetycznych na końcowy efekt selekcji można przedstawić na przykładzie doświadczenia wykonanego w początkach XX wieku przez Johansena.

Przedmiotem badań były nasiona fasoli, a badane były one pod kątem ciężaru i wielkości. Pierwsza część doświadczenia polegała na poddaniu całego materiału selekcji pod kątem wielkości nasion. Cały materiał był bardzo zróżnicowany, a z niego wybrane zostały nasiona najmniejsze i największe. Nasiona duże i małe zostały wysiane oddzielnie. Po wykiełkowaniu i otrzymaniu dorosłej rośliny okazało się, że rośliny, które otrzymano z nasion dużych mają większą masę od nasion roślin, które otrzymano z nasion małych. Z tego doświadczenia wynikło, że cecha wielkości nasion jest dziedziczona. Zatem w tym przypadku selekcja powiodła się. Drugim etapem doświadczenia było wybranie nasion największych i najmniejszych, ale tym razem pochodzących od jednej rośliny. Tak jak za pierwszym razem nasiona zostały wysiane osobno. Po otrzymaniu roślin i kolejnych nasion zważono je. Rezultat był taki, że średnie masy nasion pochodzących z roślin z różnej wielkości nasion nie różnią się statystycznie. Zatem w tym przypadku selekcja nie powiodła się.

Wniosek końcowy był taki, że fasola należy do roślin samopylnych, a wszystkie rośliny potomne mają ten sam genotyp. W wyniku samozapłodnienia u takich roślin obserwuje się homozygotyczność wszystkich roślin w populacji. Homozygotyczność rośliny wyjściowej, czyli dającej początek populacji powoduje późniejszy brak jej (populacji) zróżnicowania pod względem genetycznym. Natomiast sama homozygotyczność jest efektem powtarzającego się przez kilka kolejnych pokoleń samozapłodnienia, które coraz bardziej eliminuje z populacji heterozygoty. Wszystkie rośliny potomne, mające ten sam genotyp, zwane są linią czystą.

Wracając jeszcze do doświadczeń Johansena:

W pierwszej części eksperymentu wybrał on nasiona duże i małe, ale wybrał je z całej populacji, która była zróżnicowana genetycznie, a zatem nasiona duże miały inny genotyp od małych i tę cechę przekazywały roślinom potomnym. W drugiej części doświadczenia nasiona pochodziły z linii czystej, a zatem nie różniły się genotypem, a jedynie fenotypem, na który wpłynęły czynniki środowiskowe.

Wnioskiem, jaki można wyciągnąć z tego doświadczenia jest brak skuteczności w przeprowadzaniu selekcji w populacji utworzonej przez linię czystą, ponieważ cechy różniące rośliny (ilościowe i jakościowe) nie są zależne od jej genomu.

Jednym z mechanizmów, który prowadzi do powstawania nowych odmian, a co za tym idzie poprawy plonowania i uwidocznienia konkretnych cech w jednym organizmie potomnym jest krzyżowanie. Proces ten opiera się na kojarzeniu osobników o różnych genotypach, w wyniku czego powstają mieszańce o cechach pośrednich (najczęściej, ale nie zawsze). Z mieszańców natomiast, można wyprowadzić nowe odmiany. W przypadku roślin w krzyżowaniu nie ma znaczenia jak blisko, czy daleko są one spokrewnione. Mogą należeć do jednej odmiany lub nawet różnych rodzajów. Dlatego możemy wyróżnić kilka rodzajów krzyżowania: wewnątrzodmianowe (stosuje się najczęściej i daje najlepsze rezultaty na roślinach obcopylnych, a nie jest skuteczne na samopylnych), gatunkowe i międzygatunkowe (rzadziej stosowane, wymaga przełamania barier krzyżowniczych i stosuje się je tylko w przypadku nielicznych roślin, tj. pszenica).

Przed przystąpieniem do krzyżowania bardzo ważne jest, by ustalić czy organizmy rodzicielskie danego gatunku są obco-, czy samopylne, a może wykazują cechy pośrednie.

W efekcie krzyżowania można otrzymać rośliny, które są lepiej przystosowane do środowiska, ze względu na nową, nieraz lepszą kombinację cech. Skutkiem może być także dziedziczenie transgresywne, czyli cechy otrzymane przekraczają cechy wyjściowe organizmów rodzicielskich oraz łatwiej o utworzenie nowych sprzężeń genów. Wśród alleli genów otrzymanych może ujawnić się także epistaza.

Epistaza jest rodzajem oddziaływania jednego genu (epistatycznego) na ujawnienie się innego genu (hipostatycznego), a oba geny są niealleliczne. W takim przypadku tylko gen epistatyczny decyduje o fenotypie.

Sprzężenie genów polega na dziedziczeniu się dwóch lub kilku genów razem, ze względu na to, że znajdują się na tym samym chromosomie. Skutkiem tego jest wystąpienie cech kodowanych przez te geny również razem. W przypadku hodowli może być to zjawiskiem pozytywnym lub negatywnym, w zależności od rodzaju sprzężonych cech. Niekorzystnym zjawiskiem jest sprzężenie genu odporności na zakażenie rdzą źdźbłową z genem opóźniającym dojrzewanie w niektórych odmianach pszenicy.

Wracając do krzyżowania, to ze względu na jego cel w hodowli możemy wyróżnić następujące jego rodzaje:

- proste, polegające na powszechnie stosowanym, jednokrotnym skrzyżowaniu dwu organizmów

- wielokrotne, polegające na skrzyżowaniu mieszańca (otrzymanego z pierwszego krzyżowania) z innym organizmem o korzystnych cechach, w wyniku czego, powstaje kolejny mieszaniec, który może być skrzyżowany z jeszcze innym organizmem wykazującym inne korzystne cechy itd.

- zwrotne, tzw. krzyżówka zwrotna lub wsteczna heterozygotycznego osobnika potomnego z homozygotą rodzicielską, w celu ustalenia, w jakim stosunku osobnik z pokolenia F1 wytwarza gamety. Może być stosowane w hodowli w razie przypuszczeń o wpływie pozajądrowego DNA na daną cechę.

Efektem krzyżowania może być także zjawisko heterozji, czyli tzw. bujności mieszańców.

Jest to zjawisko bardzo korzystne w hodowli i bardzo często doprowadza się do niego na drodze celowego krzyżowania. Polega ono na tym, że rośliny potomne wykazują cechy o znacznie większym nasileniu niż u obu organizmów rodzicielskich. Heterozja występuje najwyraźniej po skrzyżowaniu roślin homozygotycznych (czystych linii), które mogą być efektem następującego po sobie w kilku pokoleniach samozapylenie. Pierwsze pokolenie (F1) po skrzyżowaniu takich homozygot jest najczęściej bardziej żywotne i wysoce płodne, w skutek nagromadzenia się i oddziaływania między sobą genów zarówno allelicznych jak i nieallelicznych w heterozygocie. Im bardziej różne genetycznie organizmy rodzicielskie, tym większa wartość fenotypowa reprezentowanych cech. W kolejnych pokoleniach efekt heterozji bardzo szybko maleje, wskutek zanikania korzystnych oddziaływań miedzy genami. Z pokolenia na pokolenie efekt ten jest coraz słabszy, aż do pojawienia się silnych zaburzeń rozwojowych. Zatem heterozja jest zjawiskiem bardzo korzystnym z punktu widzenia hodowcy, ale zarazem bardzo krótkotrwałym.

Zjawiskiem zupełnie odwrotnym do heterozji jest chów wsobny, prowadzący do tzw. depresji wsobnej zwanej też depresją inbredową. Powstaje w wyniku krzyżowania się osobników spokrewnionych, w rezultacie powodując eliminację heterozygot. Faktem jest także, że w homozygotach dużo częściej ujawniają się geny letalne, lub wywołujące różne choroby. Zatem z pokolenia na pokolenie organizmy chowu wsobnego stają się coraz słabsze. W wyniku takiego ujawniania się genów recesywnych zostają one usunięte z populacji wraz z organizmami, które nie przeżywają i w ten sposób następuje oczyszczanie wszystkich genów populacji z genów letalnych, tzw. czyszczenie puli genowej, a rezultatem jest odtworzenie nowej i silnej populacji.

Innym niż heterozja sposobem podniesienia plonowania czy wartości innych cech jest sztuczne wywoływanie poliploidalności. Poliploidalność jest to występowanie w genomie kilku zestawów chromosomów (zwielokrotniony genom). U podstaw powstawania naturalnych poliploidów leży mieszańcowość i utrwalona heterozygotyczność. Występowanie poliploidalności u roślin hodowlanych jest bardzo korzystne, ale dotyczy to tylko autopoliploidów, czyli poliploidów wewnątrzgatunkowych (allopoliploidy to poliploidy międzygatunkowe). Autopoliploidy charakteryzują się zwiększonymi prawie wszystkimi parametrami w stosunku do diploidów, a zatem są większe, mają większe nasiona i owoce itd., są także lepiej przystosowane do środowiska (bardziej odporne na niskie temperatury, suszę itp.), o czym może świadczyć wysoka inwazyjność naturalnych poliploidów.

Poliploidy można uzyskać także metodami sztucznymi, stosując m.in. kolchicynę (alkaloid), który powoduje zwiększanie liczby chromosomów o jeden komplet, czyli namnożenie DNA (endoreplikacja), tak jak przed podziałem mitotycznym, ale komórka nie dzieli się, jądro komórkowe nie traci swej otoczki, ale jeszcze bardziej zwiększa swoje rozmiary. Poliploidy mogą być także wynikiem działania niskich temperatur, w wyniku których zaburzona zostaje mejoza, a do gamet dostaje się 2n a nie 1n chromosomów, w wyniku połączenia się takich gamet powstaje organizm o liczbie chromosomów 4n.

W hodowli tetraploidy są najbardziej pożądane, ponieważ u wyższych poliploidów mogą występować już niewielkie zaburzenia w mejozie, co później niekorzystnie wpływa na określone cechy rośliny.

Ostatnią metodą stosowaną w hodowli roślin, jak dotąd jeszcze nie na tak wielką skalę, jak poprzednie jest wprowadzanie nowych genów do genomów roślinnych. I tak wprowadza się geny, które niekoniecznie muszą pochodzić od innych roślin, ale mogą być to geny zwierzęce, czy nawet ludzkie. Najczęściej wprowadza się geny do roślin o dużym znaczeniu gospodarczym, a geny te odpowiadają za zwiększoną odporność na choroby, zakażenia mikroorganizmami, niekorzystne warunki środowiska, czy wreszcie odpowiedzialne za zwiększone plonowanie, wykształcanie określonych cech owoców (kształt, smak, itp.) Podobnie jak w przypadku zwierząt niezbędne do wprowadzenia genu do jądra komórki roślinnej jest wektor, czyli rodzaj transportera. Najczęściej do tego celu wykorzystywane są plazmidy bakteryjne. Mimo, że badania nad takimi roślinami wciąż trwają i są bardzo intensywne, wciąż nie znamy wszystkich skutków, jakie niesie ze sobą taka transformacja, a przede wszystkim, jak wpływa ona na człowieka i na środowisko.

Podsumowując, wszystkie zmiany, jakich człowiek dokonuje w organizmach, wykorzystując ich do własnych celów z pomocą genetyki są wielkim krokiem na przód i niosą ze sobą wielkie nadzieje, ale trzeba również pamiętać, że niosą one ze sobą zagrożenia, z których być może nie zdajemy sobie sprawy. Dlatego też manipulacje materiałem genetycznym wymagają wielkiej ostrożności.