Volkova EM Kaspirovich DA Genetika s osnovami biometrii EUMK

Генетика с основами биометрии

Дополнение – краткий исторический очерк о научной деятельности Г. Менделя и результатах его работ

Первый знаменитый труд «Опыты над растительными Гибридами» Г.И. Мендель, настоятель католического монастыря в чешском городе Брно опубликовал в 1866 г. Результаты работы стали причиной длительных дискуссий. В то же время они стали основой для новой науки.

Обсуждаемые вопросы:

Это не все моменты, которые до сих пор вызывают сомнения у генетиков.

Работа Менделя получила широкую известность лишь в 1900 г. Однако с 1865 по 1900 г. работы Менделя цитировали ь в научных изданиях как минимум 11 раз, что свидетельствует о ее изве тно ти. Говорить о том, что она была забыта, не приходится.

В нынешний век с каждым годом ув личивает я количество сомнений в том, что переоткрыватели законов М нд ля не читали его работу до начала своих экспериментов.

Немало историков, считающих, что Мендель не до конца осознавал значимость написанного им. Этот мом нт они объясняют тем, что не найдено четких формулир в к зак н в непосредственно в статье Менделя. На самом деле это не так. В письме Менде я, которое адресовывалось одному из известных пр фесс р в, писыва ись результаты опытов горохом, а также сообщалось б ткрытиях двух основных принципов наследования: закона расщепления и зак на независимого распределения единиц наследования.

В 1936 году Р. Фишером была опубликована работа, в которой он поставил под сомнение результаты экспериментов Г. Менделя. Фишер полагал, что они подозрительно соответствуют идеальным соотношениям, он практически обвинил Менделя в том, что он заблаговременно знал закономерность наследования и «подогнал» экспериментальные данные. Ряд генетиков поддерживают заявление Фишера.

Подытоживая, можно заключить, что неоднозначные вопросы, касающиеся результатов работы Менделя, связаны с недостаточной подготовленностью генетиков в 1865 г. к установленным закономерностям наследования, которые были восприняты должным образом биологами в 1900 г.

Генетика с основами биометрии

3.2 ДИГИБРИДНОЕ И ТРИГИБРИДНОЕ СКРЕЩИВАНИЕ

ПЛАН

1.Дигибридное скрещивание.

2.Тригибридное и полигибридные скрещивания.

3.Типы взаимодействия неаллельных генов.

1. Дигибридное скрещивание

Дигибридное – это скрещивание, в котором родительские формы рознятся по двум парам альтернативных признаков, которые и учитываются у гибридов.

Требования, предъявляемые к дигибридному скрещиванию:

1. Нахождение учитываемых генов в негомологичных хромосомах; число их при этом не может превышать гаплоидного числа хромосом у данного вида.

2. Равновероятное образование гамет в ех ортов на основе случайного расхождения хромосом в мейозе.

3. Равновероятное созревание гамет в ех типов.

4. Равновероятная встр ча гам т при оплодотворении.

5. Равновероятная выжива мо ть зигот и взро лых организмов. 6. Относительная стабильность развития изучаемых признаков.

Мендель скрещивал родит ьские формы гороха, одна из которых давала желтые и г адкие сем на (AB), а вторая – зеленые и морщинистые (ab). Количество вариант в семян по резу ьтатам скрещивания: гладкие желтые семена – 315, м рщинистые же тые – 101, гладкие зеленые – 108, морщинистые зеленые – 32.

Гаметы в эт м скрещивании образуются в соответствии с расщеплением

Генетика с основами биометрии

9 клеток с хотя бы одним доминантным аллелем из каждой пары;

3 клетки, в которых имеется A аллель, а и b в гомозиготе;

3 клетки с гомозиготным аллелем a;

1 клетка, в которой и a и b – гомозиготы.

Можно посчитать ожидаемое расщепление для этих 4-х фенотипических классов:

A-B- 556 × 9/16 = 312 (получено 315);

A-bb 556 × 3/16 = 104 (получено 101); aaB556 × 3/16 = 104 (получено 108); aabb 556/16 = 32 (получено 34).

РеальноеÏолесÃÓрасщепление идеально соответствует теоретически ожидаемому.

Если подсчитать числа семян по каждой паре признаков отдельно от другой пары окажется, что отношение числа гладких семян к числу морщинистых было 423:133, а желтых к зеленым – 416:140, т.е. для каждой пары отношение было 3:1. Очевидно, что в дигибридном скрещивании каждая пара признаков при расщеплении в потом тве ведет себя так же как в моногибридном скрещивании, т.е. незави имо от другой пары признаков.

Таким образом, Г. М нд ль объ ктивно у тановил существование третьего закона наследования – закона независимого наследования признаков, суть которого заключа тся в сл дующем:

Каждая пара а ьтернативных признаков в ряду поколений ведет себя независимо друг от друга, в р зу ьтате ч го среди потомства появляются организмы с новыми комбинациями признаков.

Устан вленная зак н мерность позволила Г. Менделю сформулировать принцип генетическ й рек мбинации – появление потомства с комбинацией генов, отличн й т р дительской. Рекомбинация связана с независимым расхождением хр м с м при гаметогенезе или с кроссинговером.

2. Тригибридное и полигибридное скрещивание

В тригибридном скрещивание родительские формы различаются по трем парам альтернативных признаков. Пример: скрещивание двух сортов гороха:

желтыми гладкими семенами и пурпурной окраской цветков;зелеными и морщинистыми семенами и белой окраской цветков.

У тригибридных растений проявятся доминантные признаки – желтая окраска и гладкая форма семян, а также пурпурная окраска цветка (рисунок 1)

Тригибридное растение в результате независимого расщепления генов продуцирует 8 типов гамет (ABC, авс, АВс, авС, Авс, аВС, аВс, AвС, женских и мужских. Сочетаясь, они дадут в F2 64 комбинации, 27 генотипов и 8 фенотипов.

Генетика с основами биометрии

Рисунок 1 – Схема тригибридного скрещивания на примере скрещивания двух сортов гороха

На основе этих данных можно сформулировать общее правило относительно потомства гибридов, полученных от скрещивания особей,

отличающихся определенным числом генов:

может произвести 2n типов гамет и 3n типов различных генотипов.

КаждыйÏолесÃÓновый ген увеличивает число гамет и фенотипов в 2 раза, а число генотипов – в 3 раза. То есть, особь, гетерозиготная по п парам генов,

Существует несложная процедура, с помощью которой можно вычислить частоту генотипа в потом тве родителей, отличающихся определенным числом независимо на ледующих я генов. Она предполагает подсчет вероятности соотв тствующ го г нотипа для каждой пары генов отдельно с последующим п р умнож ни м.

Стратегия расчета. Допустим возникла необходимость в подсчете ожидаемой частоты генотипа АаВвСс в потомстве, полученного от скрещивания ♀ААВвСс × ♂ааВВСс.

Вероятн сти ген тип в с учетом скрещиваний:

Аа (АА × аа) = 1;

Bв (Bв × ВВ) = 1/2; Сс (Сс × Сс) = 1/2;

АаВвСс = (1/1) (1/2) (1/2) = 1/4.

Эти основные положения, установленные генетическими и цитологическими методами, позволяют сделать следующий шаг в анализе закономерности наследования: выявить их общее значение при полигибридном скрещивании.

Полигибридное – это скрещивани родительских форм, отличающихся по четырем и большему числу пар генов.

Для определения результатов скрещивания полигибридов можно воспользоваться общими зависимостями, с помощью которых определяется число ожидаемых фенотипов и генотипов (таблица 1).

Генетика с основами биометрии

Таблица 1 – Ожидаемые результаты скрещиваний при разном числе пар генов

Выше были рассмотрены аллельные взаимодействия генов, при которых доминантный аллель полностью или неполностью подавляет действие рецессивных аллелей, то есть признаки обусловливаются взаимодействием аллелей одного гена (локуса).

3. Типы взаимодействия неаллельных генов

Неаллельное взаимод йствие г нов – это развитие признака при совместном действии двух и бол н алл льных генов. Это явление открыл Э. Бэтсон в начале прошлого стол тия.

Типы неалле ьного взаимод йствия г нов:

Комплементарные (д полнительные) – это гены, которые при совместном действии в ген типе в гомоили гетерозиготном состояниях (А-В- ) обусловливают развитие нового фенотипического признака, не свойственного родительским формам.

Впервые такое взаимодействие обнаружено у душистого горошка (Lathyrus odoratus). При скрещивании двух линий этого растения с белыми цветками у гибрида F1 цветки оказались красными.

Каждый из доминантных генов в отдельности не может обусловить развитие окраски, так как антоциановые пигменты вырабатываются сугубо при наличии доминантных аллелей обоих генов.

Поэтому растения с генотипами A-В- имеют пурпурные цветки, а А-вв, ааВ- и аавв – белые цветки. В F2 расщепление соответствует 9:7. Подобное явление наблюдается у земляники, белого клевера, кукурузы и других культур.

В приведеном примере каждый ген в отдельности не обладает

Генетика с основами биометрии

способностью вызывать развитие признака. Последний развивается лишь при взаимодействии доминантных аллелей двух генов.

В то же время известны, случаи, когда один или оба комплементарных гена характеризуются самостоятельным проявлением. Расщепление в F2 будет соответственно 9:3:4 и 9:3:3:1. Меняется характер расщепления и в том случае, когда оба комплементарных гена обладают сходным фенотипическим эффектом – 9:6:1.

Эпистаз – это неаллельное доминирование, при котором аллель одного гена подавляет аллель другого гена, неаллельного ему. Например, А- > В- или

В- > А-, аа > В- или вв > А-.

гомозиготнаяÏолесÃÓпо обеим рецессивным аллелям (аавв), будет фенотипически отличима от форм доминантными аллелями двух генов (А-В-) и форм с одной из них: ааВ- и А-вв. Такое расщепление установлено для наследования окраски плодов у тыквы, кожуры у лука, окраски семян у овса, окраски шерсти у лошади и других признаков.

Гены, подавляющие действие других генов, называют эпистатичными

или супрессорами, ингибиторами. Они делятся на доминантные и

рецессивные. Подавляемый ген называют гипостатичным.

гомозиготном состоянии, не да т возможно ти проявиться доминантному или рецессивному аллелю других г нов: аа > В- или аа > вв.

– это ингибит р действия гена С, который не подавляется геном i.

Скрещивание белых леггорнов с белыми плимутроками в F1 дает белых цыплят, а в F2 – 3/16 с бей с окрашенным пером. Расщепление в данном

случае будет 13:3.

Доминантный эпистаз может давать и другое отношение при

расщеплении в F2 по фенотипу, а именно 12:3:1. В этом случае форма,

С рецессивным эпистазом мы столкнулись при рассмотрении комплементарного взаимодействия генов. Расщепление в F2 9:3:4 соответствует рецессивному эпистазу: аа > В-. Это одинарный рецессивный

Генетика с основами биометрии

(взаимно) подавляет действие доминантных аллелей каждого из генов, то есть

аа > В- и вв > А-. Это двойной рецессивный эпистаз. При этом в дигибридном скрещивании расщепление по фенотипу будет соответствовать 9:7, как и в случае комплементарного взаимодействия генов.

Следовательно, одно и то же соотношение можно трактовать и как комплементарное взаимодействие, и как эпистатическое. Выяснить наследственную детерминацию развития данных признаков можно только с помощью генетического анализа.

Основные законы наследственности были открыты благодаря анализу

контрастных, альтернативных признаков, которые легко различались между собой. Каждый признак (окраска цветка, форма и цвет горошины) определялся различными аллелями одного гена. Такие четко различимые альтернативные формы характерны не для всех признаков. К таковым можно отнести высоту

ПолимерияÏолесÃÓ– это неа ьное взаимодействие генов, при котором разные локусы (гены) пр изв дят одинаковый или сходный фенотипический

взвешиванию. Их детерминируют многие гены, которые действуют суммирующе, эквивалентно. Это полим рные гены, однозначно действующее на один признак. Д я их обознач ния используется одна латинская буква с указанием индекса д я разных г нов: A1; А2; А3, и т.д.

эффект.

При нак плении в фенотипе доминантных полимерных генов их действие суммируется. Эти гены имеют кумулятивный (аддитивный) эффект, поэтому взаим действие так го типа называют кумулятивной полимерией. Такой тип наследования характерен почти всем количественным признакам: высоте растения, длине колоса, урожайности, содержанию белка или жира.

При кумулятивной полимерии степень выражения количественного признака зависит от числа доминантных генов.

По результатам изучения наследования перечисленных признаков, было установлено, что F1 имеет промежуточный фенотип, а в F2 образуется непрерывный вариационный ряд по внешнему проявлению данного признака. В этом случае выделение очевидных фенотипических классов невозможно, как при наследовании альтернативных признаков (окраска цветков, форма семян у гороха).

Изменчивость количественного признака в отличие от альтернативного оценивается амплитудой его варьирования.

Шведский генетик Г. Нильсон-Эле, скрещивая разные линии пшеницы с

Генетика с основами биометрии

красными и белыми зернами, установил, что гибридные семена имели промежуточные окраски, а в F2 обнаружил расщепление в соотношении 3:1; 15:1; 63:1, т.е. окраска зерна определяется одной, двумя или тремя парами полигенов. Генотипы линий пшеницы можно обозначить как АА и аа;

А1А1А2А2 и а1а1а2а2, AlAlAlA2A3A3 и а1а1а2а2а3а3. При увеличении числа пар генов, ответственных за признак, снижается частота фенотипов с крайними

проявлениями признака. Это можно рассчитать, используя формулу (1/2)2*n, где n – число пар генов.

При моногенном признаке частота крайних фенотипов (гомозигот) составляет: (1/2)2*1 = 1/4; при дигенном признаке – (1/2)2*2 = 1/16; при

генов –ÏолесÃÓтем меньше трансгрессивных форм. Полимерные гены с однозначным действием могут наследственно определять и качественные признаки.

полигенном признаке – (1/2)2*n.

При скрещивании двух родительских форм, обладающих в равной степени желательным признаком, могут появиться потомки, которые превосходят обоих родителей или уступают им по этому признаку. Это явление называется трансгрессией, которая может быть, как положительной, так и отрицательной. Явление трансгрессии характерно для кумулятивной

трансгрессивными, то есть превосходят родителей по степени развития

данного признака. Одна из таких комбинаций AlA1A2A2 содержит оба

доминантных гена и представляет собой положительную трансгрессию;

напротив, комбинация а1а1а2а2 представляет собой отрицательную

трансгрессию, утратившую как ген A1 так и ген А2. Частота трансгрессивных

форм зависит от числа полигенов, контролирующих признак: чем больше

Примером такого действия полигенов может служить наследование формы плода (стручка) у пастушьей сумки. У этого вида обычно встречаются растения с треугольной и очень редко – с яйцевидной формой плода. От

Генетика с основами биометрии

При тригибридном скрещивании расщепление по таким генам будет 63:1. Такого рода доминантные однозначные гены называют генами некумулятивного действия, а явление подобного взаимодействия –

некумулятивной полимерией.

В случае некумулятивной полимерии наличие в генотипе разного количества доминантных полимерных генов однозначного действия не изменяет выраженности признака. Достаточно одной доминантной аллели любого из генов, чтобы вызвать развитие признака.

Когда изучается наследование того или другого признака (например, черная или белая окраска шерсти у мышей, желтая или зеленая окраска семеннойÏолесÃÓоболочки у гороха и т.д.) и устанавливается моногенное расщепление по одной аллельной паре, то гены называют по определяемым ими признакам лишь условно. На самом деле такое определение гена относится только к одной из замеченных сторон его действия: учитываемый признак является лишь его частным проявлением. В генотипе организмов выделяют гены основного действия, определяющие конкретные признаки и свойства, и гены-модификаторы, которые ами не определяют какие-либо признаки, но влияют на фенотипиче кое проявление генов другого локуса: усиливают или ослабляют их дей твие. Гены, у иливающие проявление основных генов, называются инт н ификаторами, а гены, ослабляющие их действие, – ингибиторами.

Развитие любого признака обусловлива тся всем генотипом – системой генов, а каждый ген мож т д йствовать на развитие многих признаков, или, точнее, на всю систему развивающ гося организма. Пример: наследование платиновой краски меха у чернобурой лисицы. Доминантные гены в гомозиготн м ст янии (АА), определяющие платиновую окраску меха, оказываются рецессивными в отношении жизнеспособности особей – летальные. Эт т пример свидетельствует о плейотропном (множественном) действии гена. Вер ятно, все гены в разной степени имеют плейотропный эффект.

Г. Мендель отмечал, что один из изучаемых им генов воздействовал одновременно на окраску цветков (белая или красная), окраску семян (серая или коричневая) и окраску пазух листьев у гороха (наличие или отсутствие малиновых пятен).

Примером плейотропного гена у человека служит рецессивный ген (аа), определяющий фенилкетонурию, следствиями которой являются серьезные умственные нарушения. Люди, гомозиготные по этому гену и не лечившиеся, отличаются от нормальных по уровню содержания фенилаланина в крови, по коэффициенту умственного развития, размеру головы и цвету волос, т. е. один и тот же ген оказывает влияние на несколько фенотипических признаков.

Понятие об экспрессивности, пенетрантности и норме реакции.

Различия в проявлении признаков в зависимости условий среды называется

Генетика с основами биометрии

пенетрантностью. Это явление подразумевает возможность проявления или не проявления признака у организмов, одинаковых по генотипу. Проявление признака может варьировать.

Пенетрантность выражается долей особей, проявляющих исследуемый признак (во всех возможных вариациях) среди всех особей одинакового

экспрессивностью.

Способность гена (или генов) проявляться в различных условиях среды