lab_12_poliplojidija

Лабораторна робота №12

ТЕМА: ХРОМОСОМНІ ТА ГЕНОМНІ МУТАЦІЇ. РІШЕННЯ ГЕНЕТИЧНИХ ЗАДАЧ З ПОЛІПЛОЇДІЇ

Теоретичні відомості.

Хромосомні аберації ( від лат. aberratіo — ухилення), або перебудови — зміни структури хромосом, викликані дією на клітини мутагенних факторів (іонізуючого випромінювання, канцерогенів тощо). Розрізняють декілька різновидів хромосомних аберацій.

Делеція (від лат. deletio — нестача) — випадання частини хромосоми при її розривах з втратою відірваного сегмента. Розрізняють кінцеву делецію — відрив кінцевої ділянки з вкороченням хромосоми та інтерстиціальну делецію — втрату внутрішнього фрагмента хромосоми.

Дуплікація (від лат. duplex — подвійний) — подвоєння певного сегмента в хромосомі. Якщо подвоєння ділянки в хромосомі відбулося в результаті переміщення його з іншої хромосоми (частіше гомологічної), то таку дуплікацію називають переміщеною. Коли дуплікований сегмент знаходиться в хромосомі поряд з вихідним, то це дуплікація повторень.

Транслокації (від лат. trans — через і locus — місце) — взаємообмін відділеними уламками (фрагментами) між гомологічними і негомологічними хромосомами в процесі кросинговеру, як статевого (при мейозі), так і соматичного. Такий взаємообмін можливий при двох одночасних розривах в різних хромосомах. Якщо при транслокації зіллються два сегменти, які містять хромомери, то виникне дицентрична хромосома, а з’єднання двох сегментів без центромер дає ацентричну хромосому.

Інверсія (від лат. inversio — перевертання, переставлення) відбувається внаслідок перевертання уламка хромосоми на 180 градусів після її розриву в двох місцях з наступним з’єднанням двох кінцевих і переверненого серединного сегментів. В інвертованому сегменті порядок розміщення генів міняється на обернений.

Атипові зміни числа хромосом. Порушення збалансованого числа хромосом у наборі відбувається частіше в результаті нерозходження хромосом при мітозі під впливом зовнішніх або внутрішніх факторів.

Анеуплоїдія (від грец. an — заперечна частка, eu — добрий, ploos — складати), або гетероплоїдія (від грец. heteros — інший); — протилежність еуплоїдії — зміни числа хромосом у клітинах, пов’язана з втратою або додаванням до хромосомного набору невеликої кількості хромосом. Залежно від того, яка кількість хромосом відсутня або перевищує число хромосом у диплоїдному наборі, розрізняють декілька форм анеуплоїдії. Моносоміком називають організм з однією відсутньою хромосомою в диплоїдному наборі (умовне позначення 2n–1). Трисомік — це орагнізм, в хромосомному наборі якого одна хромосома представлена тричі, а не парою гомологічних хромосом, як звичайно (умовне позначення 2n+1). Тетрасоміки — це анеуплоїдні клітини (або організми), в хромосомних наборах яких є ще по парі гомологічних хромосом (склад ядер таких клітин позначають 2n+2). Нулісомик — анеуплоїдна клітина, в диплоїдному наборі якої відсутня пара гомологічних хромосом (2n–2). Полісомиками називають такі анеуплоїдні клітини, до повного набору яких додано декілька надкомплектних хромосом.

Міксоплоїдією називають зміну кількості хромосом, коли в одного індивіда в різних клітинах може бути різна кількість хромосом (до 1000), наприклад, в клітинах HeLa (ракових клітинах).

У більш складних випадках спостерігається тетрасомія – наявність чотирьох гомологів (2n+2), подвійна трисомія – наявність трьох гомологів для двох різних хромосом (2n+1+1), подвійна моносомія – відсутність одного з гомологів для двох різних хромосом (2n–1–1) тощо.

У людини анеуплоїдія призводить до розвитку тяжких спадкових захворювань: синдроми Патау (трисомія за 13-ою хромосомою), Едвардса (трисомія за 18-ою хромосомою), Дауна (трисомія за 21-ою хромосомою), Шерешевского-Тернера (моносомія за X–хромосомою), Кляйнфельтера (дисомія за X–хромосомою при наявності Y–хромосоми).

Кратне збільшення числа хромосом відносно до гаплоїдного носить назву поліплоїдії, зокрема розрізняють тетраплоїдний (4n), пентаплоїдний (5n) та інші набори хромосом. Поліплоїдія буває зумовлена кратним збільшенням властивих для даного виду набору хромосом (автополіплоїдія) або виникає внаслідок міжвидової гібридизації за рахунок об’єднання геномів різних видів (алополіплоїдія).

Явище поліплоідії властиво лише рослинному світові. У тварин поліплоїди зрідка трапляються серед низькоорганізованих форм (земноводні). У високоорганізованих тваринних організмів спонтанні поліплоїди зрідка виникають, як аномальне явище, але вони як правило нежиттєздатні, або маложиттєздатні і елімінуються в популяції під дією природного добору. Відомий випадок народження триплоїдної дитини в Швеції (3n=69), яка дожила навіть до однорічного віку. Серед рослинного світу поліплоїдія в поєднанні з віддаленою гібридизацією відіграла значну роль у видоутворенні.

Поліплоїдія відіграла основну роль у виникненні видів твердої (2n=28) й м'якої (2п=42) пшениці та багатьох інших культурних рослин.

У пшениці основне (базове) число хромосом х=7, а гаплоїдне число п удвічі менше дишюїдного. Відомо, що тверда пшениця має 2n=28 хромосом, а м'яка 2n=42 хромосоми, тобто за своєю генетичною природою тверда пшениця є тетраплоїдом зі стабілізованим процесом мейозу, який відбувається з утворенням бівалентів, а м'яка пшениця є гексаплоїдом. Отже у твердої пшениці n=14, а у м'якої n=21. У пшениці однозернянки (вихідна форма) 2n=14 основне і гаплоїдне числа співпадають х=7; п=7.

Внаслідок випадкового злиття двох нередукованих гамет виник ріпак (Вrаssіса париs, 2n=38) – цінна кормова культура. Коли свиріпа (Ваrbаrеа vиlgаrіs R.Вr., 2п=20) схрестилась з капустою (Вrаssіса оlеrасеа L., 2n=18) після наступного спонтанного подвоєнням числа хромосом виник амфідиплоїд (алополіплоїд, який об'єднуює диплоїдні хромосомні комплекси двох видів).

Аллополіплоїди можна одержувати штучним шляхом. Наприклад, рафанобрассіка (редьково-капустяний гібрид, синтезований Г.Д.Карпеченко) була отримана шляхом схрещуванням редьки (Raphanus sativus var.major, 2n=18) і капусти (Вrаssіса оlеrасеа L., 2n=18). Якщо хромосоми редьки позначити символом R, а хромосоми капусти – символом B, то спочатку одержаний амфігаплоїд (гібридний організм, що утворюється при злитті двох редукованих гамет різних видів) мав геномную формулу 9R+9B. Цей організм був безплідним, оскільки в мейозі утворювалося  18 унівалентів і жодного бівалента. Проте у цього гібрида деяка частина гамет виявилася нередукованими. При злитті цих гамет був одержаний амфідиплоїд: (9R+9B) + (9R+9B) → 18R+18B. У цього організму кожна хромосома представлена парою гомологів, що забезпечило нормальне утворення бівалентів і нормальну сегрегацію хромосом в мейозі.

У даний час ведеться робота із створення штучних амфідіплоїдов у рослин (наприклад, пшенично-житніх гібридів (тритікале), пшенично-пирійних гібридів) і тварин (наприклад, гібридних шовкопрядів).

Хромосоми поліплоїдів можуть кон'югувати різними способами. Тип кон'югації, який треба чекати у поліплоїда значною мірою залежить від типу поліплоїда. У алоплоїдів кон'югація відбувається шляхом аутосиндезу – переважно між гомологічними хромосомами, які походять від одного виду, тобто в межах окремих геномів.

У автотетраплоїда кожна хромосома з вихідного гаплоїдного набору представлена чотирма гомологами, а тому утворення квадривалентів буде регулярним. Квадриваленти можуть проходити через діакінез у вигляді кілець або ланцюгів з чотирьох хромосом, наприклад, ланцюг з 3-х хромосом і унівалента, або у вигляді двох бівалентів, залежно від числа й розташування хіазм в диплонемі.

Якщо кон'югація між чотирма хромосомами випадкова, а орієнтація центромер в першій метафазі мейозу також відбувається випадково, то хромосоми будуть розходитись випадково до полюсів згідно теорії ймовірності, і гамети будуть містити випадкові набори хромосом, одержані з 4-х наборів.

Практично ж гамети містять не цілі хромосоми, а хроматиди, тому співвідношення гамет у поліплоїдів буде, виходячи з випадкового розходження хроматид.

У автотетраплоїда при наявності одного локуса з алелями А і а можливі п'ять генотипів:

АААА – квадриплекс

АААа – триплекс

ААаа – дуплекс

Аааа – симплекс

аааа – нулліплекс

Зрозуміло, що розщеплення в квадриплексі і нулліплексі не відбувається.

При розв'язуванні задач з поліплоїдії треба мати на увазі, що характер розщеплення у поліплоїдів відрізняється від диплоїдів. Щоб краще зрозуміти випадкове попарне хромосомне розщеплення, слід чотири хромосоми, які містять даний локус пронумерувати, а генотипи, що розщеплюються зобразити у вигляді А₁А₂А₃а₄, А₁А₂а₃а₄ і А₁а₂а₃а₄. Гамети, які продукують ці три генотипи на основі випадкового розщеплення цілих хромосом, можна представити в такому вигляді:

Генотип автотетраплоїдів	Генотип гамет	Співвідношення гамет
А1А2А3а4 триплекс	А1А2, А1А3, А1а4, А2А3, А2а4, А3а4	1АА : 1Аа
А1А2а3а4 дуплекс	А1А2, А1а3, А1а4, А2а3, А2а4, а3а4	1АА : 4Аа : 1аа
А1а2а3а4 симплекс	А1а2, А1а3, А1а4, а2а3, а2а4, а3а4	1Аа : 1аа

Фенотипові відношення у автотетраплоїдів за умови повного прояву домінантного алеля при наявності одної його копії:

№ з/п	Батьки	Співвідношення гамет	Співвідношення фенотипів
1	А1А2а3а4 х А1А2а3а4	1АА : 4Аа : 1аа	35А : 1а
2	А1А2а3а4 х А1а2а3а4	1АА : 4Аа : 1аа, 1Аа : 1аа	11А : 1а
3	А1А2а3а4 х а1а2а3а4	1АА : 4Аа: 1аа, всі аа	5А : а
4	А1а2а3а4 х А1а2а3а4	1Аа : 1аа	3А : 1а
5	А1а2а3а4 х а1а2а3а4	1АА : 1аа, всі аа	1А : 1а

Співвідношення наведені в таблиці можуть мати відхилення внаслідок наявності хіазм.

Приклади розвязування задач

1. Встановлено, що вид культурної сливи (Prunus) виник від спонтанного схрещування терну (Prunus spinosa, 2n =32) з аличею (Prunus cerasifera, 2n=16) шляхом злиття нередукованих гамет цих видів і наступного подвоєння числа хромосом. Визначте диплоїдне (2n), основне або базове (х) число хромосом у сливи, якщо відомо, що вона є гексаплоїдом?

Розв’язування:

При схрещуванні аличі (2n=16) з терном (2n=32) у гібрида, який був стерильний внаслідок відсутності кон'югації хромосом в мейозі (2n=32+16=48, основне число х=п=48:2=24), а після подвоєння числа хромосом (х=24∙2=48) виник гексаплоїд (2n=6х=144).

Відповідь: х=48; 2n=6х=144.

2. Яке буде розщеплення в F₁ при моногібридному схрещуванні тетраплоїдів ААаа?

Розв’язування:

Р: ♀ ААаа х ♂ ААаа

F:

♂ ♀	АА	4Аа	аа
АА	АААА	4АААа	ААаа
4Аа	4АААа	16ААаа	4Аааа
аа	ААаа	4Аааа	аааа

Відповідь: схрещування двох автотетраплоїдів за однією ознакою дасть розщеплення 35:1.

3. Яке співвідношення фенотипів буде одержано при схрещуванні автотетраплоїда ААаа з диплоїдом Аа при умові повного домінування і випадкового хромосомного розщеплення?

Розв’язування: При схрещуванні автотетраплоїдна і диплоїда отримують триплоїдні рослини, так як в цьому випадку гамети з подвійним основним хромосомним числом (2х) зливаються з нормальними гаметами (х).

Р: ♀ ААаа х ♂ Аа

F: АААааа

Відповідь: всі нащадки будуть одноманітними – триплоїдами АААааа.

Задачі для самостійного розв'язання

1. Види щавлю (Rитех асеtоsа) складають поліплоїдний ряд з основним числом х=10. Користуючись ознаками х і п, позначте диплоїдне число: а) диплоїдного; б) тетраплоїдного; в) гексаплоїдного; г) октаплоїдного видів.

2. Топінамбур або земляна груша (Неlіапtus tиbеrоsus) – гексаплоїдний вид (2n=102). Визначте гаплоїдне (n), основне або базове (х) число хромосом.

3. Автотетраплоїд триплекс схрещується з автотетраплоїдом симплекс (Аааа). Яке співвідношення фенотипів буде у покоління, якщо має місце кумулятивна дія гена і випадкове хромосомне розщеплення?

4. У тетраплоїда (триплекс) має лише повне хроматидне розщеплення. Яке розщеплення одержимо при аналізуючому схрещуванні при умові повного домінування?

5. При схрещуванні двох тетраплоїдних рослин дурману (Dаtиrа strатопіит) з пурпуровими квітками одержали 3226 рослин з пурпуровими і 107 з білими. Визначте генотипи вихідних рослин і поясніть розщеплення.

6. Від схрещування двох тетраплоїдів дурману з пурпуровими квітками одержали в F₁ 396 рослин з пурпуровими і 40 – з білими квітками. Визначте генотипи вихідних форм і характер розщеплення.

7. Яке покоління за кольором плодів одержало при самозапиленні тетраплоїди (дуплекс) рослин томату (Lycopersicum esculentum) з рожевими плодами, якщо має місце випадкове хромосомне розщеплення, а успадкування кольору плодів має кумулятивний характер (квадриплекс – темночервоні, триплекс – червоні, дуплекс – рожеві, симплекс – світло-рожеві, нулліплекс – білі).