генетика лекция. Предмет, методы и значение генетики
 Скачать 7.2 Mb.
|
|
Лекция-4 ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАСЛЕДОВАНИЯ ПРИЗНАКОВ ПРИ ПОЛОВОМ РАЗМНОЖЕНИИ План: ОСОБЕННОСТИ ГИБРИДОЛОГИЧЕСКОГО МЕТОДА МЕНДЕЛЯ ЗАКОН ЕДИНООБРАЗИЯ ГИБРИДОВ ПЕРВОГО ПОКОЛЕНИЯ. ЗАКОН РАСЩЕПЛЕНИЯ Закономерности наследования признаков впервые установил: Грегор Иоганн Мендель (1822—1884). Начиная с 1856 г. в течё-' ние восьми лет он проводил свои знаменитые, опыты по скрещиванию разных сортов гороха. В 1865 г. на заседании Общества ^тествоиспьзсгателей в г. Брно Мендель выступил дважды с докладами о результатах проведенных опытов, и в 1866 г. в трудах этого Общества была напечатана его работа «Опыты над растительными гибридами». Академик Н. И. Вавилов писал: «Маленькая книжка Менделя является, бесспорно, одной из замечательнейших биологических работ, на которой должен учиться каждый биолог, каждый селекционер и исследователь. Она ценна для нас как блестящий метод исследования важнейшего явления жизни — наследственности». Работа Менделя была непонята его современниками и прошла в свое время незамеченной. Биология в тот период не была готова к восприятию его идей. Только в 1900 г. три ботаника (Г. де Фриз в Голландии, Э. Чермак в Австрии и К. Корренс в Германии) на основании проведенных ими опытов почти одновременно пришли к законам, установленным Менделем 35 лет назад. Ими была обнаружена работа Менделя, и с тех пор открытие Менделя стало достоянием широкой научной общественности. Закономерности, установленные Менделем, были подтверждены на тысячах растительных и животных объектов. Современное учение о наследственности покоится на открытиях Менделя, и исторически возникновение генетики неизбежно связывается с его именем. Мендель разработал свой гибридологический метод исследования, названный впоследствии законом Менделя, который позволил ему установить четкие закономерности в наследовании признаков. ОСОБЕННОСТИ ГИБРИДОЛОГИЧЕСКОГО МЕТОДА МЕНДЕЛЯ Сущность гибридологического метода заключается в следующем: 1) для скрещивания выбирают родительские формы, четко различающиеся по одной, двум или трем парам контрастных, альтернативных признаков. Например, у одного растения окраска семядолей зрелых семян желтая, у другого — зеленая, форма семян — круглая или морщинистая и т. д. Скрещивание, в котором родители отличаются друг от друга одним признаком, в последующем получило название моногибридного, двумя — дигиб-ридного, многими признаками — полигибридного;
При гибридологическом анализе довольно часто используют реципрокное скрещивание. Реципрокным называют два скрещивания, в одном из которых доминантным признаком отличается отцовская форма, в другом — материнская: например, в одном скрещивании отец черной масти, мать красной, в другом, наоборот, мать черной масти, отец красной. Одна из главных причин, обеспечивших успех в работе Менделя, — удачный выбор объекта исследования. Горох — однолетнее растение, имеет много сортов с четко различающимися признаками, легко культивируется, строгий самоопылитель, строение его цветка таково, что почти невозможен занос чужой пыльцы, но при необходимости можно производить искусственное опыление. При анализе закономерностей наследования признаков пользуются некоторыми терминами и понятиями, введенными уже после переоткрытия законов Менделя. Датский ученый В. Ио-ганнсен в 1909 г. ввел понятия «ген», «генотип» и «фенотип». Ген — наследственный задаток. Генотип — совокупность наследственных задатков (генов) организма. Фенотип — совокупность всех признаков и свойств организма, доступных наблюдению и анализу. Английский зоолог У. Бетсон ввел понятия «гомозигота» и «гетерозигота». Гомозиготными называют особей, получивших от отца и матери одинаковые наследственные задатки (гены) по какому-то конкретному признаку. Гетерозиготными называют особей, получивших от отца и матери разные гены. Таким образом, по генотипу особи могут быть гомозиготными (АА или аа) или гетерозиготными (Аа). Фенотип формируется под влиянием генотипа и условий среды. Фенотип можно выразить по определенному признаку такими словами, как рогатый или комолый, высокий или низкий, черный или красный. Наследственные задатки (гены) альтернативных признаков были названы аллелями. Аллели (аллельные гены) расположены в одинаковых точках (локусах) парных гомологичных хромосом. Один аллельный ген (А или а) зигота получает с яйцеклеткой от матери, другой (А или а) — со сперматозоидом от отца. При изучении наследования признаков составляются схемы скрещивания; скрещивание обозначают знаком умножения (х), который ставится между родителями. При написании схем родительские формы обозначают буквой Р (от слова parentes — родители), женский пол обозначают знаком ? (символ планеты Венеры), мужской — (^(символ планеты Марс). Рядом со знаками $ и </ проставляют генотип родителя, а ниже записывают типы производимых ими гамет (половых клеток). Затем в результате соединения гамет родителей определяют генотип потомства. Полученное в результате скрещивания потомство называют гибридами и обозначают буквой F (от слова filii — дети), внизу буквы ставят цифру, указывающую, к какому поколению оно относится, например, Fi — гибрид первого поколения, F2 — второго, F3 — третьего поколения и т. д. Мендель вел учет наследования отдельно по каждой паре альтернативных признаков, отвлекаясь от других различий между родительскими формами. На основании опытов Мендель установил три закона: единообразия гибридов первого поколения, расщепления, независимого наследования признаков, а также правило чистоты гамет. ЗАКОН ЕДИНООБРАЗИЯ ГИБРИДОВ ПЕРВОГО ПОКОЛЕНИЯ Мендель избрал для анализа семь пар четко различающихся признаков: форма семян — круглая или морщинистая, окраска семядолей — желтая или зеленая, окраска цветков — пурпурная или белая, рост растения — высокий или низкий, форма бобов — выпуклая или с перехватом, окраска незрелых бобов — зеленая или желтая, расположение цветков — пазушное или верхушечное. Мы можем сказать, что взятые для скрещивания сорта гороха различались по фенотипу. По генотипу растения были гомозиготными, так как принадлежали к чистым сортам и получили от своих родителей одинаковые наследственные задатки (АА или аа). Скрещивая между собой горох с альтернативными признаками, Мендель обнаружил, что гибриды первого поколения все одинаковы. При этом потомки были сходны только с одним из родителей, хотя гены данного признака они получили от обоих. Признак одного из родителей как бы исчезал. Признак, проявившийся у потомков (гибридов) первого поколения, Мендель назвал доминантным и наследственный задаток (ген) этого признака обозначил большой буквой алфавита (А или Вит. д.) Признак, оставшийся у гибрида скрытым, был назван рецессивным и наследственный задаток его был обозначен такой же, но малой буквой алфавита (а или Лит. д.). Таким образом, было открыто два важнейших явления — доминантности и рецессивности. Так, при скрещивании гороха с круглыми и морщинистыми семенами все потомки первого поколения оказались с круглыми семенами. Значит, круглая форма семян доминирует и ген круглой формы можно обозначить буквой А. Морщинистая форма не проявилась, она является рецессивной, и ген морщинистой формы семян обозначается буквой а (аллельные гены обозначаются одинаковыми буквами). После того как было установлено, что круглая форма доминантна, а морщинистая рецессивна, можно обозначить генотип исходных родителей: с круглой формой — АА, с морщинистой — аа. В половые клетки растений попадает только один из этих генов. У cof№a с круглой формой семян все гаметы несли ген А, у сорта с морщинистой формой — ген а. В результате потомки Fi получили разные гены: от одного родителя — А, от другого — а, т. е. они были по генотипу гетерозиготны (Аа). По фенотипу полученные гибриды были все одинаковы — с круглыми семенами, независимо от того, какому растению принадлежали доминирующие признаки — отцовскому или материнскому.  На основании результатов опыта было установлено, что в первом поколении проявляются доминирование и единообразие потомков первого поколения. В последующем оказалось, что полное доминирование признаков наблюдается не всегда. В связи с этим открытая Менделем закономерность получила название закона единообразия гибридов первого поколения. Он заключается в том, что при скрещивании гомозиготных родительских форм, различающихся по своим признакам, первое поколение получается единообразным по фенотипу и генотипу. Установленная Менделем закономерность применима как к растениям, так и к животным. Разберем это на примере скрещивания между собой свиней белой и черной масти  Рис. 8. Наследование белой и черной масти у свиней при полном доминировании: А — ген белой масти, а — ген черной масти (рис. 8). Допустим, что гены белой (А) и черной (а) масти расположены в одной из гомологичных пар хромосом свиньи. Тогда белая чистопородная свиноматка, получившая от обоих родителей гены белой масти, будет иметь обе хромосомы с такими же генами (АА). Черный чистопородный хряк, получивший от обоих родителей гены черной масти, будет иметь обе хромосомы с геном черной масти (аа). В первом поколении в соответствии с первым правилом Менделя наблюдается единообразие — все потомки по фенотипу белые, по генотипу гетерозиготные (Аа). ЗАКОН РАСЩЕПЛЕНИЯ В следующем опыте путем скрещивания между'собой гибридов первого поколения Мендель получил второе поколение, в котором наряду с доминирующими признаками проявились и рецессивные. Появление во втором поколении растений и с доминантным, и с рецессивным признаками Мендель назвал явлением расщепления. Соотношение потомков с доминантным и рецессивным признаками оказалось очень близким 3:1. Так, по окраске семядолей в F2 из 8023 горошин было желтых 6022, зеленых — 2001 (соотношение 3,01:1). Результаты были аналогичны по всем семи парам изученных признаков. На основании того, что рецессивный признак скрыт у гибридов в Fi и вновь появляется в F2 (выщепляется у потомков гибридов), Мендель делает вывод, что наследственность дискретна, любой признак, по которому организмы различаются, представлен в наследственности отдельными наследственными задатками. Он выдвинул гипотезу о парности наследственных задатков в организме и предположил, что половые клетки получают один из них. Из первого опыта нам известно, что гибриды Fi по фенотипу имеют круглую форму, по генотипу гетерозиготны (Аа). Гетерозиготные особи Fi образуют по два сорта гамет: с доминантным геном круглой формы семян (А) и с рецессивным геном морщинистой формы (а). При скрещивании гибридов Fi между собой происходит равновероятное сочетание гамет родителей с тем или иным геном, что и обусловливает расщепление по фенотипу 3:1 во втором поколении. Наследование признаков идет по следующей схеме:  Три части потомства получат доминантный признак круглой формы семян, одна часть — рецессивный признак морщинистой формы. Расщепление по генотипу будет 1:2:1. Такое расщепление по генотипу было подтверждено опытами Менделя. При самоопылении растения с рецессивным признаком дали константное (гомозиготное) потомство (аа). Из растений с доминантным признаком (круглой формы) 1/3 была константной (АА), а 2/3 потомков были гетерозиготными по генотипу (Аа), так как давали расщепление по фенотипу 3:1. Было выяснено, что в основе соотношения доминантных и рецессивных признаков 3:1 лежит различие в генетической основе особей второго поколения. На основании проведенных исследований установлен закон расщепления. Закон расщепления заключается в том, что во втором поколении моногибридного скрещивания наблюдается расщепление по фенотипу в соотношении 3:1, по генотипу в соотношении 1:2:1 (одна часть особей, гомозиготных по доминантно-, му признаку, две части гетерозиготных и одна часть гомозиготных по рецессивному признаку). Аналогичная картина наблюдается и при анализе наследования качественных признаков у животных, например белой и черной масти у свиней. Возвратимся к рисунку 8. Вспомним, что потомки первого поколения обладают двумя хромосомами той же пары, что и родители, но от матери пришла хромосома с геном белой, от отца — с геном черной масти. Эти животные по фенотипу белые, по генотипу гетерозиготны, так как имеют разные аллельные гены (Аа). При образовании половых клеток в результате мейоза гомологичные хромосомы разойдутся, образуя два сорта гамет — с геном белой масти (А) и геном черной масти (а). При спаривании двух особей из Fi эти сорта гамет вследствие равных шансов для случайной встречи в процессе оплодотворения свободно перекомбинируются друг с другом. В результате во втором поколении возникает расщепление по фенотипу в количественном соотношении 3:1, т. е. на три части потомков с доминантным признаком белой масти приходится одна часть потомков с рецессивным признаком черной масти. Расщепление по генотипу составляет 1АЛ:2 АаЛаа, т. е. 1/4 часть потомков гомозиготна по доминантному признаку, 2/4 гетерозиготны, 1/4 гомозиготна по рецессивному признаку. В основе расщепления 1:2:1 по генотипу лежат следующие биологические явления: расположение генов в хромосомах, парность хромосом в клетках организма, мейоз, обеспечивающий гаплоидный набор хромосом в половых клетках и случайный характер соединения любой яйцеклетки с любым сперматозоидом, с тем или иным геном. Лекция-5 АЛЛЕЛИ. МНОЖЕСТВЕННЫЙ АЛЛЕЛИЗМ Аллельными генами (аллелями) называют гены, расположенные в одинаковых точках (локусах) парных гомологичных хромосом. Аллели оказывают влияние на развитие одного и того же признака организма, но выражение признака может быть разным. Например, признак семян — форма. Но семена могут быть круглыми и морщинистыми. Такие признаки, развивающиеся под кон-1 тролем аллельных генов, называются альтернативными: ген круглой формы семян А обусловливает круглую форму, аллельный ген морщинистой формы а семян обусловливает морщинистую форму.  Различия аллелей возникают путем мутации одного из них. Ген может изменяться и не один раз, по-разному влияя на развитие одного и того же признака. В результате возникает серия аллелей. Это явление получило название множественного аллелизма. Примером серии множественных аллелей может служить окраска волосяного покрова у кроликов. У кроликов ген С, обусловливающий образование пигмента меланина и соответственно черной окраски, может мутировать в с. В этом случае происходит как бы инактивация гена, и при переходе гена с в гомозиготное состояние (ее) кролики становятся альбиносами. Но ген С может изменяться неоднократно и иным образом, обусловливая другую окраску кроликов. В этом случае образуется серия аллелей. Чтобы показать при анализе схем скрещивания, что гены относятся к одной серии аллелей, их обычно обозначают одинаково, но с дополнительной буквой, поставленной сверху медким шрифтом. У кроликов установлены следующие аллели, влияющие на окраску волосяного покрова: С — черный, c°h — шиншилла, с1" — мардер, с11 — гималайский, с — альбинос. Так как каждая особь в норме имеет диплоидный набор хромосом, то из серий аллельных генов у нее может быть представлен один, если аллели одинаковы (С С, ^V* и т. д.), или два, если аллели разные (CcPh, Cfi, fie и т. д.). По порядку доминирования аллели в своем проявлении располагаются в последовательный ряд. Знаком >обозначают доминирование стоящего перед ним признака над всеми последующими: черный > шиншилла > мардер > гималайский > альбинос. Серии аллелей основного гена окраски С установлены у многих млекопитающих — мышей, крыс, кошек, морских свинок и др. Мутация альбинизма (С-±с) обнаружена у всех млекопитающих. Целый ряд серий аллелей генов групп крови установлен у разных видов сельскохозяйственных животных и человека. АНАЛИЗИРУЮЩЕЕ СКРЕЩИВАНИЕ. ПРАВИЛО ЧИСТОТЫ ГАМЕТ Мендель провел опыт по скрещиванию гибридов первого поколения с растениями гороха исходных родительских сортов. Скрещивание гибридов первого поколения (Аа) с особями, сходными по генотипу с родительскими формами (АА или аа), называется возвратным. При скрещивании растений Fj (Аа) с формой, гомозиготной по доминантному признаку (АА), все потомство по фенотипу получилось однотипным. В этом случае все гаметы родительской формы несли доминантный ген А, у гибридов же образовались гаметы с генами А и а. В результате в потомстве наблюдалось расщепление по генотипу в отношении 2Аа:2АА, или 1:1, в то время как по фенотипу при полном доминировании все потомки были с доминантным признаком. При скрещивании гибридов Fi (Аа) с родительской формой с рецессивным признаком (аа) у гибрида образовалось также два сорта гамет с генами А и а, у родительской формы — один сорт гамет с геном а. В потомстве получилось 50 % форм с доминантным признаком (Аа) и 50 % с рецессивным (аа). Наблюдалось расщепление по фенотипу и генотипу 1:1. Мендель обнаружил, что в этом случае потомство как бы повторяет состав гамет гибрида первого поколения. Это происходит потому, что фенотип потомка зависит от типа гамет родителя с доминантным признаком. Если от него в зиготу к рецессивному гену а попадает ген А, определяющий доминантный признак, то проявляется его влияние и потомство будет с доминантным признаком. Если же к гену а, определяющему рецессивный признак, присоединяется такой же (а), то потомок будет с рецессивным признаком. Скрещивание с рецессивной родительской формой (аа) получило название анализирующего. Анализирующее скрещивание широко применяется при гибридологическом анализе, когда нужно установить генотип интересующей нас особи. Например, при необходимости определить гомозиготным (АА) или гетерозиготным (Аа) является белый хряк крупной белой породы, его скрещивают с черными свиноматками (аа). Если хряк гомозиготный, то все потомки будут белыми, если он гетерозиготный, то появятся и белые, и чеиные пооосята. На основании опытов по анализирующему скрещиванию и скрещиванию гибридов первого поколения Мендель пришел к выводу о том, что рецессивные наследственные задатки в гетерозиготном организме остаются неизменными и вновь проявляются при встрече с такими же рецессивными наследственными задатками. Позднее на основании этих наблюдений У. Бетсон сформулировал правило чистоты гамет (иногда его называют законом). Сущность правила чистоты гамет состоит в том, что у гетерозиготной особи наследственные задатки не смешиваются друг с другом, а передаются в половые клетки в «чистом» (неизменном) виде. |