close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Введение в генетику пухкальский

код для вставкиСкачать
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящее время из всех биологических дисциплин
наиболее интенсивно развивающейся является генетика. Это
обусловлено тем, что только новые генетические знания могут
обеспечить дальнейший прогресс в области сельского и лесного
хозяйства, микробиологической промышленности, медицины и
экологии.
Осознать это может только человек, знакомый с основами
общей генетики и представляющий, что объяснение многих
биологических явлений может быть достигнуто только на основе
генетических законов. Знание основ генетики требуется и в быту,
поскольку XXI век — это время стремления к массовому
клонированию животных, получению трансгенных растений и
животных, созданию генно-модифицированных продуктов и
лекарств, исправлению врожденных и наследственных дефектов
у человека и т.п.
Идея написания данного учебного пособия возникла на
основе опыта многолетнего преподавания автором курса «Общей
генетики» студентам агрономического и агрохимического
факультетов
Российского
государственного
аграрного
университета (РГАУ) – МСХА им. К.А.Тимирязева.
Необходимость его появления обусловлена нехваткой учебников
и учебных пособий, в которых в краткой форме излагались бы
основы генетики с оптимальным числом рисунков, диаграмм и
таблиц, позволяющих понять логику изложения лекционного
материала и пользоваться собственными конспектами. Последнее
часто затруднено, так как даже самый прилежный студент не
успевает перерисовать на лекции все рисунки, схемы и таблицы.
Для более глубокого изучения курса «Общей генетики» в целом и
отдельных ее разделов в конце книги приведен соответствующий
перечень учебных и научных изданий.
Надеюсь, что предлагаемая читателям книга будет
полезна не только студентам, но и всем тем, кто приступает к
изучению основ генетики.
Выражаю благодарность коллегам по лаборатории
генетики растений Института общей генетики им. Н.И.Вавилова
РАН и кафедры генетики РГАУ – МСХА им. К.А.Тимирязева за
3
помощь в разработке плана настоящего издания и подготовке его
к печати Особую признательность выражаю сотрудникам
лаборатории Т.В. Коростылсвой, Л.А. Оболенковой, Е.В.
Елизаровой и доцентам кафедры генетики А.А.Соловьеву и
Л.С.Большаковой, без помощи которых данное издание вряд ли
было бы осуществлено.
Буду признателен читателям за замечания и пожелания по
содержанию данного пособия, которые прошу направлять по
адресу: 124550, Москва, ул. Тимирязевская, 49, РГАУ-МСХА им.
К.А.Тимирязева, кафедра генетики.
Е- mail: genetics@timacad.ru. pukhalsk@vigg.ru
В.А. Пухальский
4
Лекция 1.
ВВОДНАЯ
Генетика – наука, изучающая наследственность и
изменчивость живых организмов. Как и любой другой науке, ей
присущи свои методы исследования. Это:
 генетический анализ;
 цитогенетические методы;
 анализ действия генов в онтогенезе;
 молекулярные методы.
Данные, полученные с помощью этих методов, дают
возможность понять основы видового и внутривидового
разнообразия живых существ, населяющих нашу планету. Это
разнообразие складывается под влиянием как наследственных
факторов (гены, плазмогены), так и условий жизни организма.
Последнее хорошо иллюстрирует рисунок 1.1, на котором
представлена форма листьев у стрелолиста, произрастающего в
различных условиях. Если же семена с этих растений высеять в
одинаковых условиях, то и листья у всех потомков будут
одинаковыми.
Рисунок 1.1. Изменчивость формы листа у стрелолиста, произрастающего
в различных условиях: А - полное погружение, Б - частичное затопление,
В – берег.
Это только один пример, а их можно наблюдать в
природных условиях бесчисленное количество. Естественно, что
задумываться над всеми этими вопросами человек начал на заре
3
своего становления, и основание для этого ему давали
наблюдения за животными и растениями в дикой природе, при
одомашнивании растений и животных, а также наблюдения над
самим собой и своими соплеменниками. Сейчас трудно судить о
том, какие гипотезы по всем этим вопросам выдвигали люди
много тысяч лет назад и к каким умозаключениям они
приходили, однако результаты их деятельности уникальны. Это и
селекция полбы (T. dicoccum Schuebl.), занимавшей наибольшие
площади посевов пшеницы в Европе в каменном веке (7 т.л. до
н.э.), и финиковой пальмы, и, наконец, создание арабской породы
лошадей. И, что самое уникальное, полба и финиковая пальма, и
арабские лошади служат человеку по сей день.
Эти результаты тем более впечатляют, если вспомнить,
что в Европе до начала ХVII в. даже не знали о существовании
пола у растений. Первое экспериментальное доказательство
наличия пола у растений мы находим в труде немецкого ботаника
Рудольфа Я. Камерариуса ―Записки о поле у растений‖(1694 г.),
сравнивавшего половые органы растений и животных. Однако
сомнения по этому вопросу остались и приблизительно через 70
лет (1759 г.). Российская Академия наук объявила конкурс на эту
же тему, а в 1760 г. премия была присуждена шведскому
ботанику К.Линнею за труд ―Исследование пола у растений‖. И в
том же году И. Кельрейтер (1733-1806), работавший в
Российской Академии наук получил первый гибрид* между
двумя видами табака.
Самое важное в этих работах – доказательство факта
передачи наследственных признаков через пыльцу, как и через
яйцеклетку, т.е. того, что обе эти структуры обеспечивают
материальную преемственность между поколениями. В
последующем эта преемственность получила название
наследственность. Таким образом, под наследственностью
понимается процесс воспроизведения организмами в ряду
последовательных поколений одинаковых признаков и свойств.
Однако на чем основано наследование признаков,
свойственных родителям и прародителям, долгое
__________________________________
* ‖первый ботанический мул‖, как его назвали по аналогии с гибридом между
лошадью (2n=60) и ослом (2n=66).
4
время оставалось неизвестным. Выдвигались различные
гипотезы, которые следует отнести к умозрительным. Наиболее
широкую известность получила выдвинутая Ч. Дарвином
―временная гипотеза пангенезиса.‖ (рис. 1.2), изложенная в его
книге ―Изменения животных и растений в состоянии
приручения‖ (1868 г.). Сущность этой гипотезы заключается в
следующем: во всех частях тела клетки отделяют «зародышки»,
или геммулы, которые в большом количестве скапливаются в
органах размножения (яйцеклетки, сперматозоиды, спермии,
почки). При возникновении нового организма эти геммулы
превращаются в такие клетки, из которых они происходят т.е.
по мнению Ч. Дарвина, не организм как целое воспроизводит
свою природу, а каждая единица воспроизводит себе подобную.
Свою гипотезу он обосновал в трех основными положениях:
 при половом и бесполом размножении возникают
одинаковые организмы, так как в гаметах и в почках
(растения) содержатся одинаковые геммулы;
 факты атавизма объясняются тем, что некоторые
геммулы передаются в покоящемся состоянии и
переходят в активное состояние через ряд поколений;
 приобретенные организмом в процессе его развития
признаки и свойства наследуются.
Рисунок 1.2. Теория пангенезиса Ч. Дарвина (Э.Стил, Р.Линдли, Р.Бландэн,
2002, с. 25).
5
Следует
отметить,
что
последнее
положение
перекликается с теорией эволюции Ж.Б. Ламарка, обосновавшего
в своей книге ―Философия зоологии‖ (1809 г.) принцип, согласно
которому признаки, приобретенные организмом в течение его
жизни, могут наследоваться.
Теории Ч.Дарвина противоречила теория «зародышевой
плазмы» А.Вейсмана (1885), по которой зародышевую плазму
несут только половые клетки, остальные же клетки организма
(соматические) лишены этой плазмы. Поэтому изменения,
возникающие в них изменения в процессе развития организма, не
могут передаваться потомству (рис. 1.3)
Рисунок 1.3. Барьер Вейсмана (Стил, Линдли, Бландэн, 2002, с.28)
Несмотря на умозрительные основы своей теории,
А.Вейсман проводил много экспериментов по ее доказательству
и как ответ критикам (неоламаркистам). Наиболее известны его
эксперименты по отрубанию хвостов у крыс в течение 22
поколений, что так и не привело к рождению бесхвостых крысят.
Здесь следует отметить, что, по Ж.Б.Ламарку, наследуются
только изменения индуцированные реакцией организма на
условия внешней среды. Следует иметь в виду, что все споры
велись и ведутся вокруг модификационной изменчивости, т.е.
изменений, возникающих в результате взаимодействия
наследственных факторов (генотип) со средойи не передающихся
по наследству. Существует и второй тип изменчивости 6
мутационная, возникающая спонтанно или под действием
мутагенных факторов. Возникшие в этом случае изменения в
отличие от модификационных передаются по наследству. Споры
об истинности теории Ж.Б.Ламарка ведутся со времени ее
появления и не прекращаются до сих пор. Здесь можно
вспомнить большой период противостояния дарвинистов и
классических генетиков в Европе, Т.Д. Лысенко и классических
генетиков в СССР. Однако, сегодняшние данные, полученные
молекулярными генетиками при изучении иммуногенетики (Т.
Стил, 1979; Э. Стил, Р. Линдли, Р. Бандэн, 1998 г.) заставляют
задуматься над вопросом, так ли уж были не правы Ч.Дарвин,
Ж.Б. Ламарк и их последователи. Будущее покажет.*
Естественно,
что
умозрительные
теории
наследственности в какой-то степени
подталкивали
исследователей к осмысливанию наблюдаемых явлений в живой
природе. Однако для построения действенной теории нужны
были специальные экспериментальные исследования, которые с
блеском и осуществил Г.Мендель. Г.Мендель (1822-1884 гг.) –
монах Августинского монастыря в австрийском г. Брюнне (ныне
г. Брно, Чехия), проводил опыты с гибридами гороха и
результаты
опубликовал
в
изданиях
Общества
естествоиспытателей в Брюнне в 1865г. под названием ―Опыты
над
растительными
гибридами‖
(«Versuche
uber
Pflanzenhybriden»).**
Однако эта работа, открывающая новую эпоху в учении о
наследственности и закладывающая фундамент современной
генетики, оставалась неизвестной для научной общественности
до 1900 г., то есть до переоткрытия законов Менделя (см. разделы
4, 5), давшего начало интенсивным экспериментальным
исследованиям
по
изучению
материальных
основ
наследственности и изменчивости,
_______________________________________________________
*Здесь мы остановились на двух (Ч.Дарвин, А.Вейсман) наиболее
распространенных теориях. Имелись и другие умозрительные теории: ―теория
корня‖ (Гальтон, 1875); ―теория идиоплазмы‖(Негли, 1884); ―естественная
наследственность‖(Люка, 1847); ―Законы консервативной и прогрессивной
изменчивости― (Геккель, 1866) и др.
**Полный перевод на русский язык работы Г. Менделя впервые был
осуществлен крупнейшим тритикологом проф. К.А. Фляксбергером в 1910 г.
7
проводившиеся учеными в разных стран и позволившим
впоследствии расшифровать действие генов на молекулярном
уровне. Оказалось, что гены передаются из поколения в
поколение в форме молекул ДНК (и только у части вирусов –
молекул РНК).
У всех живых организмов на нашей планете:
 наследственная информация зашифрована в
нуклеотидной последовательности ДНК (крайне редко РНК);
 реализация
наследственной
информации
происходит
путем
синтеза
белка,
при
котором
последовательность аминокислот детерминируется нуклеотидной
последовательностью;
 генетический
код,
связывающий
последовательность
нуклеотидов
ядерной
ДНК
с
последовательностью аминокислот, един для всех живых
организмов, будь то бактерии, растения, животные или человек.
На сегодня генетика* заняла ведущее положение в
биологии, ибо только на основе генетических данных могут быть
расшифрованы
и
объяснены
биологические
явления,
свойственные живой природе. Генетические исследования в
настоящее время ведутся на четырех уровнях: молекулярном,
клеточном, организменном и популяционном по многим
направлениям, таким, как молекулярная генетика, цитогенетика,
генетика онтогенеза, генетика злокачественных новообразований,
эволюционная и популяционная генетика, иммуногенетика,
генетика изоферментов, генетика поведения, частная генетика
микроорганизмов, растений и животных, генетика человека,
экологическая генетика и т.д.
По каждому из этих направлений получены уникальные
результаты на уровне, как фундаментальных исследований, так и
приложимости к прикладным исследованиям, как-то (селекции
микроорганизмов, растений, животных), и человеческому
сообществу в целом.
_______________________________________________________
* генетика - термин предложен У. Бетсоном в 1907 г.
8
Лекция 2.
ЦИТОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
НАСЛЕДСТВЕННОСТИ.
Клеточное строение организмов.- Строение растительной клетки. – Хромосимы,
их типы и строение. – Деление растительной клетки, митоз. – Отклонения от
типичного протекания митоза. - Ключевые слова и понятия.
2.1. Клеточное строение организмов.
Клетка была открыта Р.Гуком в 1665 г., а клеточное
строение растений итальянцем М.Мальпиги (1675 г.) и
англичанином Н.Грю (1682 г.). Теорию клеточного строения
организмов разработали значительно позднее М.Я.Шлейден
(1938 г.) и Т.Шванн (1839 г.). Окончательное ее оформление
следует отнести к 1858 г., когда Р. Вирхов сформулировал
принцип: ‖каждая клетка из клетки‖. Развитию клеточной
теории способствовало совершенствование методов изучения
клетки, в первую очередь микроскопических.
Живые организмы, имеющие клеточное строение,
делятся на два типа. Первый тип - прокариоты (предъядерные),
к которым относятся бактерии. Особенность прокариотической
клетки - отсутствие ядра и органелл, окруженных мембранами.
Размер бактерий колеблется от 0,2- 0,6 мкм до 2 - 10 мкм. По
форме они подразделяются на сферические (кокки),
палочковидные и извитые (спириллы) и нитевидные. Как
правило, единственная хромосома (нуклеоид) представляет
собой молекулу ДНК, не связанную с каким-либо белком
(исключение составляют архе- и цианобактерии, у которых
нуклеоид связан с гистонами). В генетических исследованиях из
бактерий чаще всего используют кишечную палочку
(Escherichhia coli), возбудителя бактериальной пневмонии
(Pneumococcus pneumoniae) и цианобактерии. (Cyanobacterium).
Бактериям свойственно прямое деление клетки, которое
происходит после редупликации хромосомы.
Второй тип живых организмов - эукариоты (собственно
ядерные). К ним относятся как одноклеточные, так и
многоклеточные организмы. В генетических исследованиях
чаще всего используют из одноклеточных – дрожжи
9
(Saccharomyces cerevisiae), инфузорию (Paramecium aurelia) и
водоросль хламидомонаду (Chlamidomonas reinhcrdi), а из
грибов - Neuraspora crassa и Aespergillus nidulans.
Классическими генетическими объектами среди растений
являются арабидопсис (Arabidopsis taliana), горох (Pisum
sativum) и кукурузу (Zea mays). Много важных исследований
выполнено и на других сельскохозяйственных и декоративных
культурах. Из древесных пород абсолютное первенство в
генетических экспериментах принадлежит различным видам
хвойных.
Из насекомых классическим объектом генетических
исследований служит плодовая мушка дрозофила (Drosophila
melanogaster), а из позвоночных животных - домовая мышь (Mus
musculus).
2.2. Строение растительной клетки.
Растительная клетка, как и животная, имеет очень
сложное строение (рис. 2.1). Ее основные составные части оболочка, цитоплазма и ядро
Оболочка (первичная оболочка) меристематической
клетки состоит из гемицеллюлезы и фибрилл целлюлозы.
Оболочки двух смежных меристематических клеток плотно
соединены тонким слоем пектинового межклеточного вещества.
Первичные оболочки соседних клеток вместе с
межклеточным веществом образуют трехслойную клеточную
стенку толщиной от 0,5 до 1 мкм. В процессе дифференциации
клетки оболочка постепенно утолщается за счет вторичных
отложений. Оболочка растительной клетки имеет поры, через
которые от клетки к клетке проходят цитоплазменные тяжи
(плазмодесмы), соединяющие клетки растения.
Цитоплазма состоит из полужидкой массы и органелл.
В растительной клетке это эндоплазматическая сеть, или
эндоплазматический ретикулум, в первую очередь рибосомы,
митохондрии, аппарат Гольджи, пластиды и вакуоли.
Эндоплазматическая
сеть
представляет
собой
внутриклеточную
мембранную
структуру,
в
которой
синтезируются белки.
10
Рибосомы - участвуют в синтезе белка. У всех
растительных и животных организмов они построены
одинаково. Рибосомы состоят из двух субъединиц - большой и
малой с общим диаметром около 20 нм и константами
седиментации соответствено 60S и 40S. В состав рибосомы
входят четыре молекулы РНК, различающиеся по длине: от 120
11
Рисунок 2.1. Схема
строения растительной
клетки: 1 - 2 стенки
клетки; 3 - пора в
оболочке; 4 - оболочка
ядра; 5 – эндоплазматическая сеть; 6 аппарат Гольджи; 7 ядро с ядрышком; 8 митохондрия; 9 - капли
жира; 10 - вакуоль; 11 крахмальное зерно; 12 хлоропласт; 13 –
пластида (Атабекова,
Устинова, 1967. С. 15).
до 5 000 нуклеотидов, и рибосомные белки. Число рибосом в
клетке, как правило, чрезвычайно велико (до 107).
Митохондрии – клеточные органеллы, осоновная
функция которых связана с синтезом аденозинтрифосфата
(АТФ). Чаще всего представляют собой гранулы, реже
нитевидные образования. Длина гранулярных митохондрий
колеблется от 0,5 мкм до 7 мкм, а нитевидных - может достигать
60 мкм.
Митохондрии состоят из наружной и внутренней
мембран и системы внутренних гребней-крист. В их состав
входят липопротеиды и нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК). ДНК
митохондрий по своему строению напоминает строение ДНК
прокариот.
В
митохондриях
содержатся
мелкие
12
митохондриальные рибосомы с общей константой седиментации
50S –70S.
Аппарат Гольджи. известен в клетках животных и
человека с 1898 г., а в растительных клетках был открыт только
в 1957 г. Представляет собой систему уплощенных цистерн,
маленьких пузырьков и вакуолей, ограниченных мембранами.
Выполняет секреторные функции и участвует
в
построении клеточной перегородки при делении растительной
клетки, вырабатывая полисахариды матрикса.
Пластиды – органеллы, наличие которых служит одним
из основных отличий растительной клетки от животной. К ним
относятся хлоропласты, лейкопласты и хромопласты.
Хлоропласты осуществляют функции фотосинтеза, лейкопласты
- синтез крахмала из сахаров, хромопласты синтез каратиноидов
каротин, ксантофил). В специальных тканях лейкопласты
внутри себя откладывают крахмал. Такие лейкопласты получили
название амилопласты.
Генетическая система хлоропластов представлена
молекулами ДНК. При этом в отличие от ядерной ДНК
хлоропластов не образует комплексов с гистонами.
В хлоропластах выявлены все типы РНК, а также
рибосомы (общая константа седиментации 50S – 70S),
участвующие в синтезе хлоропластных белков.
Ядро имеет сферическую форму и состоит из ядерного
сока (кариолимфа), ядерного белкового матрикса, хромосом и
ядерной оболочки.
У растений ядро клетки включает также небольшое
сферическое тельце, получившее название ядрышка. У
некоторых видов растений в ядрах клеток имеется несколько
ядрышек.
Диаметр ядра у высших организмов обычно колеблется от
10 до 30 мкм. Основная масса ядра (~ 80%) состоит из комплекса
нуклеиновых кислот с низкомолекулярными белками –
гистонами. Комплекс носит название нуклеопротеид или
нуклеогистон. В ядре есть и другие высокомолекулярные белки,
связанные в комплекс с липидами (липопротеиды) или с
нуклеогистоном.
13
2.3. Хромосомы, их типы и строение.
Наиболее важной составной частью ядра являются
хромосомы. Им принадлежит ведущая роль в явлениях
Рисунок 2.2 Типы
метафазных хромосом в
зависимости от
положения центромеры,
слева направо –
метацентрические,
субметацентрические,
субакроцентрические,
акроцентрические,
телоцентрические (схема,
по: Levan, 1968).
наследственности. Хромосомы в момент деления клетки хорошо
видны в световой микроскоп. Хромосомы неделящихся ядер не
видны, т.к. деконденсируются. В то же время показано, что чем
выше степень деконденсации хромосом, тем активнее протекают
метаболические процессы в самом ядре. Морфологически
хромосомы растений чаще всего имеют нитевидную или
палочкообразную форму. Большинство хромосом первичной
перетяжкой разделено на два плеча. Под микроскопом первичная
перетяжка представлена светлой (не окрашенной) зоной,
получившей название центромера. Она играет основную роль в
перемещении хромосом при делении ядра. Центромера на каждой
из хромосом занимает строго определенное место. По
положению
центромеры
хромосомы
делятся
на
метацентрические
(приблизительно
равноплечие),
субметацентрические (неравноплечие), субакроцентрические,
акроцентрические (головчатые) и телоцентрические, у которых
центромера сдвинута к одному из концов (рис. 2.2). Встречаются
хромосомы, у которых имеется и вторичная перетяжка. Она, как
14
правило, располагается у дистального конца хромосомы и
отделяет небольшой участок хромосомы, получивший название
спутник. Вторичная перетяжка не участвует в движении
хромосом при ядерном делении. Вторичные перетяжки получили
название ядрышковых организаторов, т.к. в этом месте
происходит образование ядрышка. Концевые участки хромосом
получили название теломерных. Теломерные концы хромосом
препятствуют соединению одной хромосомы с другой.
Рисунок 2.3 Диплоидный
набор метафазных хромосом
в клетке Crepis capilaris
(2n=6). Одинаковыми
буквами помечены
гомологичные хромосомы.
(Лобашов, 1967. С. 9).
Каждому из населяющих нашу планету видов растений и
животных свойственно строго определенное число хромосом,
обозначаемое как 2n (табл. 2.1).
В половых клетках число хромосом уменьшено в два раза
(гаплоидное число) и обозначается n. В соматических клетках
организма каждая из хромосом имеет пару, идентичную как
морфологически (рис. 2.3), так и генетически. Исключение из
этого правила у гетерогаметных особей составляют половые
хромосомы.
Специфический для определенного вида набор хромосом
по числу и структуре получил название кариотип.
15
Графическое изображение кариотипа, показывающее его
структурные особенности, называется идиограммой (рис. 2.4).
Рисунок 2.4. Идиограмма хромосом сорта твердой пшеницы
Капелли (B. Giorgi, 1964, с модификациями).
16
Таблица 2.1
Число хромосом некоторых видов растений
№ п/п
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
Вид
Пшеница мягкая (Triticum aestivum)
Пшеница твердая (Triticum durum)
Ячмень (Hordeum vulgare)
Рожь (Secale cereale)
Овес (Avena sativa)
Кукуруза (Zea mays)
Рис (Orysa sativa)
Горох (Pisum sativum)
Бобы конские (Vicia faba)
Соя (Glycine hispida)
Арабидопсис (Arabidopsis thaliana)
Люпин узколистный (Lupinus angustifolius)
Чечевица (Lens esculenta)
Лен (Linum usitatissimum)
Картофель (Solanum tuberosum)
Лук (Allium cepa)
Свекла (Beta vulgaris)
Подсолнечник (Helianthus annus)
Топинамбур (Helianthus tuberosus)
Салат (Salix alba)
Томат (Lycopersicon esculentum)
Число хромосом
(2n)
42
28
14
14
42
20
24
14
12
28
10
40
36
30
48
16
18
34
102
18
24
В последние годы получил распространение метод
дифференциального окрашивания хромосом. При этом на каждой
из хромосом прокрашиваются специфические, характерные для
нее гетерохроматиновые участки (бэнды), что значительно
облегчает идентификацию отдельных хромосом кариотипа (рис.
2.5).
Хромосомы, по которым отличаются особи разного пола,
получили название половых хромосом, а все остальные
хромосомы – аутосом.
17
Рисунок 2.5 Дифференциально окрашенные хромосомы T. durum
(фото любезно предоставлено Е. Бадаевой).
Рисунок 2.6 Схема субметацентрической хромосомы. А – внешний вид: 1
– спутник; 2 – вторичная перетяжка; 3 – центромера; 4 – волокно
веретена. Б – внутреннее строение: 1 – две хромонемы (а – большая и б
малая спирали). (Робертис, Новински, Саэрс – из Атабекова, Устинова,
1967, с. 70.
Внутреннее строение каждой хромосомы чрезвычайно сложно.
По химическому составу хромосомы состоят из ДНК (до 40%),
РНК и белков, из которых в среднем около 60% приходится на
гистоны. Строение метафазной хромосомы при исследовании с
18
помощью светового микроскопа представляется следующим
образом (рис. 2.6).
Каждая хромосома состоит из двух хроматид, спирально
закрученных и располагающихся параллельно оси хромосомы.
Для прокрашивающихся в интерфазном ядре участков хромосом
употребляется
термин
―хромонема‖красящаяся
нить.
Утолщения на хромонемах получили название хромомер.
Особенность вышеописанного строения хромосом зависит от
уровня компактизации хроматина (комплекс ДНК с гистонами),
который меняется при переходе от интерфазного состояния
хромосом к метафазному. Процесс компактизации хроматина
проходит по Ченцову (1995 г.) следующие уровни (рис. 2.7).
Первый, получивший название нуклеосомный, определяет
скручивание ДНК по поверхности гистоновой сердцевины.
Второй
–
объединение
нескольких
Рисунок 2.7. Схема различных уровней компактизации хромосом
(Ченцов, 1995, с. 129).
нуклеосом (до 10) в бусину называется нуклеомерный. Третий
уровень – это объединение скрепками из негистоновых белков
фибрилл дезоксирибонуклеопротеида в петлевой домен,
называемый хромомер. Четвертый уровень – это образование
19
хромонем, которое происходит при сближении в линейном
порядке хромомер, и образование толстой нити (0.1 – 0.2 мкм).
Далее, по-видимому, хромонема укладывается в виде спирали в
хроматиде, хотя весьма вероятно, что это еще один уровень
―петлистых структур‖. Размеры, которые приобретают
хромосомные
фибриллы
в
результате
компактизации,
представлены на рис. 2.8.
Рисунок 2.8. Размеры хромосомных фибрилл (Russell, 1998 из Жимулев,
2002, с. 309).
2.4. Деление растительной клетки.
Деление растительной клетки начинается с деления ядра.
Деление ядра соматической клетки носит название митоз и
протекает в меристематических тканях. В результате этого
20
деления из одной клетки образуются две дочерние, имеющие то
же число хромосом, какое было у родительской клетки.
Между двумя клеточными делениями проходит
определенный период, во время которого внешне в поле зрения
микроскопа клетка находится в состоянии видимого покоя
(интерфаза). Однако это ―покой‖ только внешний, а в клетке
протекают интенсивные процессы на молекулярном уровне,
подготавливающие вновь образовавшиеся клетки к новому
делению. Период от окончания одного митоза до окончания
следующего получил название клеточный цикл (рис. 2.9).
Рисунок 2.9 Клеточный цикл:
G1 – пресинтетический период;
S - синтетический период; G2 –
постсинтетический период; П –
профаза; М – метафаза; А –
анафаза; Т – телофаза.
Он включает следующиеп периоды.
Пресинтетический
(G1),
в
течение
которого
продолжается рост клетки, синтезируются специфические белки
и РНК.
Синтетический (S), характеризуется синтезом ДНК (ее
количество в клетке удваивается) и гистонов. Удвоение
содержания ДНК связано с репликацией хромосом. В резульиаие
в конце этого периорда каждая из хромосом состоит из двух
хроматид.
Постсинтетический (G2) характеризуется накоплением
некоторых веществ и энергии, необходимых для протекания
митоза. В этот период начинаются процессы конденсации
хромосом. Перед расхожлением в дочерние клетки хромосомы
постепенно переходят в метаболически неактивное состояние.
Митоз
–
процесс
деления
клетки,
который
подразделяется на следующие стадии:
21
Рисунок 2.10. Схема митоза в растительной клетке: 1 – интерфаза; 2 –
профаза; 3 – метафаза; 4 – анафаза; 5 – телофаза; 6 – цитокинез.
профаза, метафаза, анафаза и телофаза (рис. 2.10).
Профаза
митоза
характеризуется
продолжением
процесса конденсации хроматина, в результате чего хромосомы
становятся видимыми в световой микроскоп. На этой стадии
происходит процесс разрушения ядрышка (ядрышек).
Метафаза, к началу которой ядерная мембрана
(оболочка) разрушается, а хромосомы достигают максимального
уровня конденсации. В то же время образуется веретено деления,
состоящее из пучков протеиновых нитей, идущих от полюса к
полюсу (опорные) и от полюсов к центромерам хромосом
(тянущие).
В
результате
хромосомы
располагаются
перпендикулярно к нитям веретена на равном удалении от
полюсов, образуя метафазную пластинку.
Анафаза. На этой стадии центромеры, удерживающие
сестринские хроматиды, делятся в продольном направлении и
хроматиды (теперь это самостоятельные хромосомы) под
действием тянущих нитей веретена начинают движение к
полюсам. Деление центромер происходит синхронно. К концу
анафазы в экваториальной плоскости клетки на опорных нитях
веретена образуются небольшие узелки, которые в дальнейшем
(по завершению телофазы) сливаются и дают начало клеточной
перегородке.
Телофаза. Во время этой фазы начинается деконденсация
хромосом, формируются ядрышки и ядерная мембрана.
Продолжительность каждого из периодов клеточного
цикла зависит от типа клеток, в которых проходит митоз. Так, по
данным К. Свенсона и П. Уэбстера, в кончиках боковых
корешков конских бобов (Vicia faba) средняя продолжительность
22
клеточного цикла в меристематических клетках при 22оС
составила 14 часов: период G1 продолжался 2,5 ч., период S - 6 ч.,
период G2 – 3,5 ч. и собственно митоз 2 ч.
Все процессы, протекающие в период клеточного цикла
контролируются определенными генами. Мутации этих генов,
что было показано в опытах на дрожжах и других низших
эукариотах, приводят к нарушению клеточного цикла на разных
его этапах.
Митоз свойственен всем эукариотам. Его биологическое
значение заключается в том, что в результате все дочерние
клетки имеют одинаковое с родительской число хромосом.
Индивидуальность хромосом полностью сохраняется. В этом
состоит и генетическое значение, ибо каждая из возникающих в
результате деления клеток несет полный набор генов,
свойственных инициальной клетке. Последнее очень важно при
все более широком внедрении в практику биотехнологических
методов, в результате которых из отдельных соматических
клеток развиваются нормальные фертильные растения.
2.5. Отклонения от типичного протекания митоза.
Помимо митоза имеются еще три типа деления ядра
соматических клеток: эндомитоз, политения и амитоз.
Эндомитоз. При этом типе деления ядерная оболочка не
распадается. Редупликация хромосом происходит так же, как при
митозе. Таким образом, увеличивается многократно число
хромосом в ядре и размеры самого ядра. Эндомитоз впервые был
описан для клеток тапетума шпината (Spinacia sativa), а затем
был обнаружен в антиподах семейств сложноцветных
(Compositae) и лютиковых (Ranunculaceae).
23
Рисунок 2.11 Политенные хромосомы из клеток слюнных желез
Drosophila melanogaster (Tamarin, 1999, p. 182).
Политения. Политению можно рассматривать как
частный случай эндомитоза. При политении образуются
гигантские хромосомы за счет многократной редупликации
хроматид, но без разделения центромеры. При этом степень
конденсации хроматид меньше, чем у митотических хромосом.
Хроматиды плотно прилегают друг к другу, при этом хромомеры
многочисленных хроматид образуют поперечные диски и пуффы
(рис. 2.11, 2.12). Впервые политенные хромосомы были
обнаружены в слюнных железах личинки комара, а затем и в
ядрах эндосперма и антипод различных семейств растений.
Рисунок 2.12. Схема образования гигантских политенных хромосом.
(Du Praw, 1970 – по S. Borojevic, K. Borojevic, 1976, p. 40).
24
Амитоз или прямое деление ядра. При амитозе ядро
делится на две части перетяжкой. Затем происходит разделение
цитоплазмы клетки и возникает клеточная перегородка.
Амитотическое
деление
приводит
к
неравномерному
распределению ДНК в дочерних клетках. Амитоз свойственен,
как правило, дифференцированным тканям, таким как клетки
стенок завязи, крахмалообразующие клетки клубней картофеля,
клетки перисперма и др.
6. Ключевые слова и понятия.
митохондрии
нуклеогистон
нуклеопротеид
пластиды
политения
прокариоты
генофор
профаза
гаплоидный набор хромосом
рибосомы
диплоидный набор хромосом
телофаза
идиограмма
хлоропласты
интерфаза
хромомер
кариолимфа
хромосома
кариотип
центромера
клеточный цикл
цитоплазма
лейкопласты
цитокинез
метафаза
эндомитоз
митоз
эукариоты
анафаза
аппарат Гольджи
веретено деления
амилопласты
амитоз
25
Лекция 3. ЦИТОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
НАСЛЕДСТВЕННОСТИ.
Мейоз. - Генетический контроль мейоза. - Генетическое значение мейоза.
Микроспорогенез и развитие мужского гаметофита. – Мегаспорогенез
развитие женского гаметофита. – Типы размножения растений.
Оплодотворение, развитие эндосперма и зародыша. – Явление ксенийности.
Апомиксис.
–
и
–
–
1. Мейоз.
Мейоз или редукционное деление – представляет собой
особый тип деления клеток, характерный только для спорогенных
тканей. При этом число хромосом в дочерних клетках
уменьшается вдвое (редукция числа хромосом). Мейозу
предшествует интерфаза, которая аналогична таковой при
митозе. В S-период
интерфазы происходит редупликация
хромосом, поэтому хромосомы, вступающие в прцесс
мейотического деления, состоят из двух хроматид. Мейоз (рис.
3.1) состоит из двух ядерных делений, которые следуют одно за
другим.
При первом делении (мейоз I) число хромосом в клетке
уменьшается в два раза. Второе деление (мейоз II) протекает по
типу митоза. Как и при митозе, первое и второе деления мейоза
подразделяются на следующие фазы: профаза, метафаза, анафаза
и телофаза. Соответственно эти фазы обозначают: метафаза I,
метафаза II, анафаза I и т.д.
Мейоз I начинается с профазы I. Это наиболее
продолжительная фаза мейоза. Она, в свою очередь,
подразделяется на стадии лептотена, зиготена, пахитена,
диплотена и диакинез. На стадии лептотены в ядре появляются
слабоспирализованные хромосомы. Постепенно они приобретают
нитевидную форму. Зиготена начинается с постепенного
26
Рисунок 3.1 Схема мейоза у покрытосеменных растений: 1 - интерфазное ядро; 2 - 5 профаза I (2 - лептотена; 3 - зиготена; 4 - пахитена; 5 –
диакинез); 6, 7 – метафаза I; 8 - анафаза I; 9 – интеркинез (диада
микроспор); 10 - метафаза II; 11 - анафаза II; 12 - телофаза II. (Атабекова,
Устинова, 1971. с. 99).
27
попарного соединения (конъюгация, синапсис) по длине
параллельно уложенных гомологичных хромосом. Соединенные
попарно хромосомы образуют биваленты. В связи с тем, что
перед началом мейоза произошла редупликация хромосом,
каждый бивалент состоит из четырех хроматид. Функцию
синапсиса выполняет синаптонемный комплекс. Синаптонемный
комплекс белковое образование (рис. 3.2) входящее в состав
бивалента и имеет вид трехслойной ленты, располагающейся
между
конъюгирующими
хромосомами. Синаптонемный
комплекс формируется постепенно по принципу застежки
―молнии‖ на протяжении всей стадии зиготены. Образование
бивалентов создает предпосылки для возможности обмена
гомологичными участками между гомологичными хромосомами
(кроссинговер), что представляет важное генетическое событие.
Одновременно продолжается процесс конденсации хромосом.
Пахитена – это стадия, на которой синаптонемный
комплекс сформирован по всей длине хромосом (стадия
стабильного синапсиса). Она характеризуется продолжающимся
утолщением хромосом в результате непрерывной конденсации
хроматина. На этой стадии происходит кроссинговер – обмен
гомологичными участками хроматид и, как следствие,
рекомбинация сцепленных генов (рис. 3.3). На следующей за
пахитеной
стадии,
получившей
название
диплотена,
продолжается конденсация хромосом, но при этом начинается
процесс расхождения гомологичных хромосом, которые
удерживаются в точках обмена участками, возникшими при
кроссинговере. Эти точки получили название хиазм.
28
Рисунок 3.2.
Синаптонемный
комплекс: а – вид под
электронным
микроскопом;
б - схема; в - модель.
1- хроматин,
2 – осевой элемент,
3- боковые элементы
(Ченцов, 1995. С. 381).
Рисунок 3.3. Схема одинарного и двойного кроссинговера.
(Айала, Кайгер, 1987. т. 1. с. 30).
Диакинез – последняя стадия профазы I. Характеризуется
максимальной конденсацией хромосом. Исчезает ядрышко, а
биваленты располагаются по периферии ядра. При этом
29
гомологичные хромосомы удерживаются в составе бивалентов
благодаря хиазмам.
Далее начинается метафаза I. Ее началу соответствует
распад оболочки ядра и формирование веретена деления.
Биваленты располагаются в экваториальной плоскости. Затем
начинается анафаза I, во время которой гомологичные
хромосомы расходятся к полюсам. В результате число хромосом
во вновь образующейся клетке будет в два раза меньше (n), чем в
родительской (2n). В этом отличие анафазы I мейоза от анафазы
митоза.
Окончательное расхождение хромосом к полюсам
свидетельствует о том, что началась телофаза I. За стадией
телофазы I у ряда видов следует очень короткий интеркинез, во
время которого синтез ДНК и редупликация хромосом не
происходят, и начинается второе деление мейоза. В этом случае
хромосомы не деконденсируются. Однако, у некоторых видов
растений интерфаза между первым и вторым делением мейоза
продолжается довольно долго. В этом случае хромосомы
деконденсируются, образуются два ядра, разделенные клеточной
перегородкой (диада микроспор или макроспор). Второе деление
мейоза протекает сравнительно быстро по типу обычного митоза,
но уже в клетках с гаплоидным числом хромосом. В тех случаях,
когда интерфаза короткая, профаза II выпадает и второе деление
начинается с метафазы II.
В метафазе II происходит образование веретена деления,
и хромосомы располагаются в экваториальной плоскости. В
анафазе II центромеры делятся в продольном направлении, и
начинается расхождение хроматид к полюсам, которое
заканчивается на стадии телофазы II. На этой стадии происходит
полная деконденсация хроматина, образуются ядра и клеточные
перегородки. В конечном итоге, в результате мейоза образуется 4
клетки (микроспоры или макроспоры). Каждая из этих клеток
содержит в ядре гаплоидное (n) число хромосом.
2. Генетический контроль мейоза.
В генотипе каждого растения существует большое число
генов, контролирующих прохождение различных стадий мейоза.
Их описание стало возможным при обнаружении мутантных
30
форм с нарушенным мейозом. Такие мутантные формы были
найдены у кукурузы (табл. 3.1), томата, ржи, гороха и др.
культур. Они получили название мей-мутантов.
Таблица 3.1
Мейотические мутанты кукурузы (Голубовская, 1989).
Цитогенетический эффект meiГен
Хромосомная
гена
локализация
Замена мейотического деления на
am
5S*
митотическое
Замена первого деления мейоза на
afd
6L
митоз
Слипание хромосом
st
4S
Десинапсис хромосом
dy
Ненормальная
хромосомная
dv
5S
сегрегация
Нарушения
второго
деления
el
8L
мейоза
Нарушенный цитокинез
va
7L
Множественный митоз в процессе
po
6S
формирования пыльцевого зерна
* L- длинное плечо хромосомы, S- короткое плечо хромосомы.
Мутации отдельного гена могут иметь плейотропный
эффект, т.е. нарушаются одновременно несколько идущих друг за
другом мейотических событий. Например, у кукурузы обнаружен
мутант afd (absence of the first division). У этого мутанта
выявлены следующие нарушения в первом и втором делении
мейоза: в профазе Iотсутствует конъюгация гомологичных
хромосом, в анафазе I происходит деление центромеры и к
полюсам отходит по 20 хроматид вместо 10 гомологичных
хромосом, что вызывает аномальное расхождение хроматид в
анафазе II. В результате образуются многоядерные тетрады.
3. Генетическое значение мейоза.
Генетическое значение мейоза, во-первых, состоит в том,
что в результате редукционного деления половые клетки
эукариот получают гаплоидный (n) набор хромосом. После
31
слияния в результате оплодотворения половых клеток образуется
зигота, несущая диплоидный набор
хромосом (2n),
свойственный особям данного вида. Во-вторых, материнские
клетки пыльцы или микроспор содержат наборы хромосом,
попавшие к ним в процессе оплодотворения от отцовской и
материнской особи. В процессе анафазы I каждая материнская и
отцовская хромосома имеют равновероятные возможности
отойти к тому или иному полюсу. Вероятность того, что к одному
полюсу отойдут материнские хромосомы, а к другому только
отцовские, чрезвычайно мала и будет равна (1/2)n-1, где n –
гаплоидный набор хромосом. В результате образовавшиеся
гаметы содержат новое сочетание генов по сравнению с
гаметами, давшими начало данному организму. И, в-третьих,
процесс кроссинговера при мейозе доводит перекомбинацию
генов в образующихся гаметах практически до бесконечности.
4. Микроспорогенез и развитие мужского гаметофита.
На ранних этапах развития конуса нарастания происходит
заложение тычиночных бугорков. В дальнейшем из верхней
части этих бугорков развивается пыльник, а из нижней
тычиночная нить. Вначале в пыльнике в четырех участках его
образуются крупные клетки мужского археспория с большими
ядрами и густой цитоплазмой. Затем археспориальные клетки
делятся путем мейоза, и образуется тетрада микроспор, в
которой четыре клетки окружены общей оболочкой. Затем
начинается процесс образования пыльцы или микрогаметогенез
(рис. 3.4) Оболочка, окружающая тетраду микроспор,
распадается. Вокруг каждой микроспоры постепенно образуется
по две оболочки: внутренняя (интина) и наружная (экзина). Ядро
переходит из центра к периферии клетки. Затем ядро делится по
типу митоза и образуется две клетки: вегетативная (большая) и
генеративная (малая). Далее происходит деление по типу митоза
ядра генеративной клетки, и образуются два спермия. На этом
заканчивается образование мужского гаметофита - пыльцевого
зерна, состоящего из вегетативной клетки и двух спермиев
(мужские гаметы).
32
Рисунок 3.4. Развитие
пыльцевого зерна у
кукурузы: 1, 2 –
деление первичного
ядра микроспоры; 3, 4 образование
вегетативной и
генеративной клеток; 5,
6, 7 – деление в ядре
генеративной клетки
(спермиогенез); 8 –
образование спермиев;
9 – зрелое пыльцевое
зерно (по ПоддубнойАрнольди и Пащенко
из: Атабекова,
Устинова, 1971. С. 150).
5. Мегаспорогенез и развитие женского гаметофита.
В завязи пестика образуется семяпочка. Вначале
появляется небольшой бугорок, который быстро увеличивается в
размерах. Из верхней части бугорка образуется тело семяпочки –
нуцеллус, а из нижней – ножка семяпочки (фуникулюс). По бокам
нуцеллуса возникают специфические образования – покровы
семяпочки, называемые интегументы. Интегументы на верхушке
семяпочки не срастаются и образуют пыльцевход или микропиле
(рис. 3.5). В дальнейшем в субэпидермальном слое закладывается
крупная археспориальная клетка (у некоторых растений
закладывается несколько таких клеток). Далее археспориальная
клетка претерпевает деление путем мейоза. В результате
образуется тетрада мегаспор (макроспор), характерным
признаком которой является линейное расположение мегаспор,
определяющееся расположением веретен деления при первом и
втором делении мейоза. В дальнейшем происходит дегенерация
трех мегаспор и остается одна. Ядро этой клетки делится путем
митоза и образуется двухядерный зародышевый мешок. При этом
ядра отходят к полюсам клетки, а цитоплазма перегородкой не
делится. Далее происходят еще два деления ядер зародышевого
33
мешка путем митоза и последовательно образуются
четырехядерный и восьмиядерный зародышевые мешки. В
восьмиядерном зародышевом мешке у каждого полюса, т.е. на
микропилярном и халазальном концах зародышевого мешка
располагается по 4 ядра. Затем от каждого полюса по одному
ядру отходит к центру зародышевого мешка, где они обычно
сливаются, образуя центральное ядро зародышевого мешка с
числом хромосом, равном 2n. В других ядрах зародышевого
мешка число хромосом равно n. Затем происходит образование
клеток на противоположных концах зародышевого мешка. У
микропилярного конца формируется яйцевой аппарат:
яйцеклетка и две синергиды, а у халазального – три антиподы.
На этом заканчивается формирование зародышевого мешка или
женского гаметофита. Женской гаметой является яйцеклетка.
Подобный тип формирования зародышевого мешка называется
нормальный или Polygonum-тип.
6. Типы размножения растений.
Большинство растений размножаются половым путем, хотя в
отличие от животных они могут размножаться и вегетативно, т.е.
частями растения. При этом даже из отдельных клеток можно
получить нормальные растения, продуцирующие половые
клетки- гаметы. Эта способность растений широко используется
в биотехнологии, когда из отдельных клеток, и даже пыльцы,
получают нормально развитые фертильные растения.
При половом размножении в жизненном цикле высших
растений имеют место две фазы: диплофаза и гаплофаза (рис.
3.6). Эволюционные процессы, приведшие к становлению
высших растений, а также животных и человека, привели к тому,
что в их жизненном цикле преобладает диплофаза. Гаплофаза
свойственна только половым клеткам.
34
Рисунок 3.5. Развитие зародышевого мешка Polygonum-типа: 1 материнская клетка макроспоры; 2 - метафаза I; 3 - интеркинез; 4 метафаза II; 5 - тетрада макроспор; 6 - 11 - деление ядер
макроспоры; 12 - сформировавшийся зародышевый мешок (по
Шарпу из: Петров, 1954. с. 86).
35
Рисунок 3.6 Жизненный цикл растения.
7. Оплодотворение, развитие эндосперма и зародыша.
Процесс оплодотворения происходит у большинства
растений следующим образом. Пыльца, попав на рыльце пестика,
36
начинает прорастать, образуя пыльцевую трубку. Содержимое
пыльцевого зерна (два спермия и ядро вегетативной клетки)
постепенно переходит в пыльцевую трубку. Через некоторое
время, прорастая в тканях столбика, пыльцевая трубка достигает
зародышевого мешка и врастает в него. У большинства растений
пыльцевая трубка врастает через микропиле (порогамия), но
отмечены случаи, когда пыльцевая трубка врастает в
зародышевый мешок через халазу (халазогамия) или через
интегументы (мезогамия).
При попадании в зародышевый мешок пыльцевая трубка
лопается и изливает в него свое содержимое. Далее происходит
процесс так называемого двойного оплодотворения*. Один из
спермиев внедряется в яйцеклетку, и ядро спермия сливается с
ядром яйцеклетки. В результате образуется зигота с числом
хромосом = 2n. В дальнейшем из зиготы развивается зародыш
семени. Второй спермий сливается с центральным ядром
зародышевого мешка, имеющем 2n хромосом, в результате новое
ядро имеет тройной набор хромосом (3n). Деление этого ядра
дает начало развитию эндосперма. Поэтому ядра эндосперма
всегда триплоидны. Развитие эндосперма начинается раньше
развития зародыша и протекает в два этапа: рост эндосперма и
накопление в эндосперме запасных питательных веществ.
Образуется ткань, питающая зародыш при его развитии. Описано
три типа образования эндосперма: нуклеарный, целлюлярный и
базальный.
При нуклеарном типе деление ядер вначале не
сопровождается образованием клеточных перегородок. Они
появляются позже. При целлюлярном типе эндосперма деление
ядер сопровождается образованием клеточных перегородок.
Базальный тип образования эндосперма занимает промежуточное
положение между нуклеарным и целлюлярным. У некоторых
видов растений питательные вещества накапливаются в клетках
нуцеллуса и образуется так называемый перисперм.
Развитие зародыша начинается после того, как
сформируется эндосперм.
* двойное оплодотворение было открыто С.Г.Навашиным в 1898 г.
37
8. Явление ксенийности.
У растений процесс двойного оплодотворения является
причиной явления, получившего название ксенийность. Это
сравнительно редкое явление, при котором признаки отцовского
растения проявляются уже на гибридных зернах, развивающихся
на материнском растении. Так, у кукурузы окраска зерен зависит
от цвета алейрона, а не перикарпа (семенная оболочка). Если
растение с белыми зернами опылить пыльцой растения с
фиолетовыми зернами, то гибридные зерна на початке будут
фиолетовыми (алейрон фиолетового цвета) (рис. 3.7).
Рисунок 3.7. Ксенийные зерна в початке кукурузы (S. Borojevic, K.
Borojevic, 1976, p. 158).
9. Апомиксис.
У некоторых видов растений отмечено развитие
зародыша без оплодотворения – апомиксис. Существует четыре
типа
апомиксиса:
партеногенез,
апогамия,
апоспория,
адвентивная эмбриония.
Партеногинез. Описано два типа партеногенеза:
редуцированный и нередуцированный. При редуцированном
партеногенезе зародыш развивается из неоплодотворенной
яйцеклетки, имеющей число хромосом равное n. В дальнейшем
из такого зародыша развивается гаплоидное растение. Такие
растения полностью стерильны. Нередуцированный партеногенез
свойственен видам родов Poa, Ranunculus, Taraxacum и др. При
этом типе партеногенеза при развитии зародышевого мешка
38
мейоз отсутствует, его заменяет митоз. В этом случае яйцеклетка
в зародышевом мешке имеет нередуцированный набор хромосом
2n. Из такой яйцеклетки при нередуцированном партеногенезе
развивается вполне плодовитое растение.
Апогамия. При этом виде апомиксиса развитие зародыша
происходит из синергид или антипод. Подобный тип развития
зародыша встречается у льна и кукурузы. Растения при этом, как
правило, гаплоидны, т.е. имеют редуцированный набор хромосом
(n).
Апоспория. Зародышевый мешок развивается из клеток
семяпочки, нуцеллуса или интегументов. Редукции числа
хромосом при этом не происходит. Как правило, такие
зародышевые мешки после образования отмирают.
Адвентивная эмбриония – развитие зародыша из клеток
нуцеллуса (нуцелярная эмбриония) или из клеток интегумента
(интегументальная эмбриония). Первая встречается в семействах
пасленовых (Solanaceae), орхидных (Orchidaceae), мятликовых
(Poaceae) и др., а вторая описана для семейств гвоздичные
(Caryophyllaceae), луковичные (Alliaceae)и др.
Эволюционное значение апомиксиса до сих пор не совсем
ясно. Большинство исследователей согласны с гипотезой о
вторичности явления апомиксиса по сравнению с процессами
нормального оплодотворения (амфимиксис).
10.Ключевые слова и понятия.
амфимиксис
антиподы
апомиксис
бивалент
двойное
оплодотворение
диада макроспор
диада микроспор
диакинез
диплотена
женская гамета
женский гаметофит
зигота
зиготена
ксенийность
лептотена
мей-гены
мейоз
мужская гамета
мужской гаметофит
партеногенез
пахитена
синапсис
39
синаптонемный
комплекс
синергиды
яйцеклетка
40
Лекция 4. МЕНДЕЛИЗМ. ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ
ГЕНЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
Методология работ Менделя. – Наследование признаков при моногибридном
скрещивании. – Доминантность. – Рецессивность. – Единообразие первого
гибридного поколения. – Расщепление гибридов второго поколения. –
Анализирующее скрещивание. – Закон ―чистоты гамет‖. – Ключевые слова и
понятия.
1. Методология работ Менделя.
Начало ХХ в. ознаменовалось выходом в свет (1900 г.)
работ трех ученых: голландца Гуго де Фриза, немца Карла
Корренса и австрийца Эриха Чермака, в которых, независимо
друг от друга, авторы изложили результаты своих исследований
по изучению закономерностей наследования гибридами
признаков родительских форм . Однако, оказалось, что еще в
1865 г. в малоизвестным издании общества естествоиспытателей
в Брюнне (ныне г. Брно) была опубликована работа монаха
августинского монастыря Грегора Менделя под названием
―Опыты над растительными гибридами‖. В этой работе Мендель
изложил результаты своих опытов по скрещиванию гороха и
вывел законы наследования признаков гибридными организмами.
Приоритет Г. Менделя в этом вопросе был неоспорим и признан
учеными всего мира, и по выражению Н.И.Вавилова
―рассматривается в современной биологии как основной ключ к
пониманию явлений наследственности‖ (стр.98)*.
До Менделя многие ученые пытались понять закономерности,
лежащие в основе явлений наследственности. Однако отсутствие
четкой методики в подходах к изучению гибридов приводило к
обескураживающим результатам. В одном случае изучаемые у
гибридов признаки соответствовали признакам первого родителя,
в другом второго, в третьем проявлялись признаки обоих
родителей,
а
иногда
возникали
признаки,
вообще
отсутствовавшие у родительских форм.
_____________________________
Н.И.Вавилов Менделизм и его значение в биологии и агрономии. В кн.
Г.Мендель Опыты над растительными гибридами. М. 1965.
41
Мендель
разработал
собственную
методологию
проведения экспериментов, которая позволила избежать ошибок,
присутствовавших
в
работах
предшественников
и
современников.
Ее сущность заключалась в следующем:
 во-первых,
в
скрещивания
брались
растения,
различающиеся по одному или очень немногим
признакам;
 во-вторых,
учитывалось
наследование
каждого
отдельного признака;
 в-третьих, при анализах рассматривались в отдельности
каждое из растений;
 в-четвертых, в отдельности высевались семена от каждого
из гибридных растений;
 - в-пятых, им был применен математический анализ
изучения частот проявления альтернативных признаков
(семена гладкие - семена морщинистые, семена желтые –
семена зеленые и т.п.).
Закономерности, выявленные Менделем, легли в основу
принципов генетического анализа, до сих пор используемого в
генетических исследованиях.
Перед детальным рассмотрением закономерностей
наследования, открытых Менделем, следует ознакомиться с
принятой в настоящее время генетической символикой, которая
отличается
от
символов,
использованных
Менделем.
Общепринято, что родительские формы при скрещиваниях
обозначаются буквой Р (лат. parent-родители). Если берутся
несколько родительских форм, то они обозначаются цифрами: P1,
P2, P3 …Pn. Если данный родитель является материнской формой,
то он обозначается значком ♀ (зеркало Венеры) а если –
отцовской – значком ♂ (щит и копье Марса). Скрещивания
обозначаются знаком умножения ―х‖: P1 x P3. Родитель,
используемый в качестве материнской формы, всегда
записывается первым, а после знака ― х ‖записывается родитель,
взятый в качестве отцовской формы. Гибриды обозначаются
буквой F (лат. filius- сын). При этом первое поколение
записывается как F1, второе F2, третье F3 и т.д. до Fn.
42
2. Наследование признаков при моногибридном
скрещивании.
2.1. Доминантность и рецессивность. Единообразие гибридов
первого поколения.
Одним из основных объектов опытов Менделя был горох.
Горох является самоопылителем и с ним легко проводить
скрещивания, получать гибриды и наблюдать за гибридным
потомством. Мендель для своих экспериментов отбирал сорта,
различающиеся по окраске семенной кожуры (серая, прозрачная),
окраске незрелого боба (зеленый, желтый), длине стебля
(длинный, короткий), типу семян (гладкие, морщинистые),
окраске семян (желтые, зеленые), расположение соцветий
(пазушное, верхушечное). И первым его открытием было
выявление того, что из двух альтернативных (контрастных)
признаков при скрещивании в первом поколении проявляется
только один. Так, при скрещивании растений с незрелыми
зелеными бобами (материнская форма) с растением с незрелыми
желтыми (отцовская форма) в первом поколении все растения
имели незрелые зеленые бобы (рис.4.1).
Такая же картина имела место, если в качестве
материнской формы использовались растения с желтыми бобами,
а в качестве отцовской формы с зелеными. Подобные результаты
были получены Менделем и по другим, изучавшимся признакам.
В F1 проявлялись только такие признаки, как серая окраска
семенной кожуры, лущильный тип боба, гладкие семена, желтая
окраска семян, пазушное расположение соцветий, длинный
стебель. Признаки, которые проявлялись у гибридов в F1,
Мендель
назвал
доминантными
(преобладающими),
а
альтернативные признаки – рецессивными (отсутствующими).
Явление единообразия всех особей первого поколения по
преобладающему
признаку
было
названо
полным
доминированием.
В
дальнейшем
были
обнаружены
факты,
свидетельствующие о том, что полное доминирование является
не универсальным явлением. Так, при скрещивании линии
львиного зева (Antirrhinum majus) с красными цветками с линией
43
Рисунок 4.1. Наследование окраски незрелого боба у гороха (Pisum
sativum)
44
Рисунок 4.2. Наследование окраски цветка у львиного зева (Antirrhinum
majus).
Рисунок 4.3. Наследование гордеинов ячменя, контролируемых локусом
Hrd A. Электрофоретические спектры гордеина: 1- родительская форма
(Р1); 2 – F1 от скрещивания Р1 х Р2; 3 – F1 от скрещивания Р2 х Р1; 4 –
родительская
форма
Р2
(фото
любезно
предоставлено
А.А.Поморцевым).
45
с белыми цветками, все растения в F1 имели розовые цветки
(рис.4.2).
Наследование признаков подобного типа получило
название неполное доминирование. И, наконец, в потомстве могут
одновременно проявляться признаки обоих родителей. Этот тип
наследования получил название кодоминирование. Примером
кодоминирования может служить наследование групп крови у
человека (в системе АВ0) . Если один из родителей имеет группу
крови А, а другой В, то в крови детей присутствуют антигены,
характерные как для группы A, так и группы В. Наличие этих
антигенов определяется специальной антигенной реакцией.
Применительно к растениям это наследование различных типов
запасных белков у растений, выявляемых методом электрофореза
(глиадины, глютенины и гордеины) (рис. 4.3). Из рисунка 4.3
видно, что на электрофореграммах гордеинов гибридов, как от
прямого, так и от обратного скрещивания, присутствуют
белковые компоненты от обоих родителей. Иными словами,
электрофоретический спектр белков гибридов представляет
собой сумму всех белков, присущих родительским формам.
Вместе с тем, как видно на рис. 4.3, электрофореграммы
гордеинов гибридов от прямого и обратного скрещиваний
различаются между собой по относительной интенсивности
белковых полос.У гибрида Р1 х Р2 (прямое скрещивание)
интенсивнее
выражены
белковые
компоненты
первой
родительской формы, а у гибрида Р2 х Р1 (обратное скрещивание)
компоненты второй родительской формы. Это обусловлено тем,
что гордеины являются тканеспецифичными белками и
синтезируются только в эндосперме. Эндосперм же является
триплоидной тканью (3n), в клетках которой присутствует
двойной набор (2n) хромосом от материнской формы
(центральное ядро зародышевого мешка) и одинарный (n) – от
отцовской формы (спермий). Следовательно, аллели материнской
формы у гибрида представлены в двух дозах, а от отцовской в
одной. Именно по этой причине на электрофореграммах
гибридов
белковые
компоненты
материнской
формы
проявляются более интенсивно в сравнении с белковым
компонентом отцовской формы. При анализе электрофореграмм
запасных белков отдельных зерен F2 можно различить не только
46
родительские классы (гомозиготы), но и гетерозиготы можно
разделить на два различных класса, учитывая дозы аллелей
(таблица 4.1). В этом случае расщепление в F2 как по генотипам,
так и по фенотипическим классам (элетрофоретическим
спектрам) будет соответствовать отношению 1:1:1:1.
Таблица 4.1.
Расщепление в F2 по аллелям локуса,
контролирующего гордеин А
Генотип спермия
Генотип
центрального ядра
Р1 Р1
Р2 Р2
Р1
Р2
Р1 Р1 Р1
Р1 Р2 Р2
Р1 Р1 Р2
Р2 Р2 Р2
Следует отметить, что явление доминирования открытое
Менделем, не такое простое, как может показаться на первый
взгляд. Было установлено, что в ряде случаев доминирование
может видоизменяться под влиянием внешних условий, возраста,
пола, особенностей самого организма и других, часто не
установленных факторов. Так, у дурмана (Datura stramonium)
пурпурная окраска стебля растения доминирует над зеленой, если
растения выращиваются в полевых условиях. Однако, при
выращивании этих же гибридов в теплице, гибриды первого
поколения имеют значительно более светлую окраску стебля, чем
родительская форма с пурпурным стеблем. Имеется множество и
других примеров, свидетельствующих о случаях видоизменения
доминирования. Явление единообразия гибридов первого
поколения получило в дальнейшем название – первый закон
Менделя. При этом неважно, имеет ли исследователь дело с
фактом
полного
доминирования,
фактом
неполного
доминирования или случаем кодоминирования. Во всех этих
случаях исследователь имеет дело с единообразием особей
первого гибридного поколения.
47
2.2 Правило расщепления гибридов второго поколения.
Под
расщеплением
гибридов
понимаются
закономерности в распределении среди потомков F2 особей с
доминантными и рецессивными признаками.
Мендель, высевая семена, полученные на гибридных
растениях гороха первого поколения, в F2 получал растения с
признаками обоих родителей (рис. 4.1). Следовательно, в отличие
от первого поколения второе не было единообразным. Растений с
доминантными признаками было приблизительно в три раза
больше, чем с рецессивными. Причем, эта закономерность
наблюдалась по всем изучавшимся Менделем признакам (табл.
4.2). Высевая в дальнейшем семена, собранные с каждого из
растений F2, Мендель увидел, что некоторые растения с
доминантными признаками в F3 не расщеплялись, и все их
потомство было единообразным, тогда как другие такие же особи
давали расщепляющееся потомство. Причем соотношение особей
с доминантными и рецессивными признаками, как и в F2 было
3:1. Гибридные растения F2 с рецессивными признаками во всех
случаях давали нерасщепляющееся потомство. Соотношение
растений
с
доминантным
признаком,
не
давшими
расщепляющегося потомства, к растениям, давшим в F3
расщепление и к растениям с рецессивным признаком,
соответствовало 1:2:1. Мендель писал: ―… теперь ясно, что
гибриды по двум различающимся признакам образуют семена, из
которых половина дает вновь гибридную форму, тогда как другая
дает растения, которые остаются константными и в равных долях
содержат доминирующий и рецессивный признаки‖ (стр.20)*.
Таким образом, Мендель впервые показал, что внешний вид
растения (фенотип)** не всегда отражает наследственные
задатки (генотип).
Изучая последующие гибридные поколения, Мендель показал,
что от поколения к поколению число гибридных форм
уменьшается, а число нерасщепляющихся особей возрастает.
Явление расщепления во втором и последующих поколениях,
открытое Менделем, приложимо и к случаям неполного
доминирования (рис.4.2) и кодоминирования. Однако в этих
случаях потомство F2 может быть сгруппировано не в 2, а в 3
48
Таблица 4.2
Результаты опытов Г.Менделя.
Изучавщиеся
признаки
F1
Число растений в F2
с
с
доминантными рецессивным
признаками
и принаками
Соотношени
е
числа
растений с
доминантны
ми
и
рецессивным
и
признаками
гладкие1
морщинистые
семена
желтые и зеленые
семена
семенная
кожура
серая и прозрачная
гладкие
семена
5474
1850
2.96:1
желтые
семена
серая
семенная
кожура
длинный
стебель
пазушное
располож
ение
цветов
зеленый
цвет боба
6022
2001
3.01:1
705
224
3.15:1
782
277
2.84:1
651
207
3.14:1
428
152
2.82:1
лущильн
ый
тип
боба
882
299
2.95:1
длинный и короткий
стебель
пазушное
и
верхушечное
расположение
цветов
незрелые
бобы
зеленого и желтого
цвета
бобы лущильного и
сахарного типа
1
- первыми указаны доминантные признаки
класса: ¼ составляют особи с признаком первого родителя (Р1),
¼ - с признаком второго родителя (P2) и ½ потомства составляют
гибридные особи с выраженностью признака идентично F1.
Особи, несущие признаки родительских форм, при пересевах не
расщепляются.
________________________________________________________
*Грегор Мендель Опыты над растительными гибридами.М.1965.
**Термины фенотип и генотип были предложены В.Иогансеном в 1903 г.
49
Искусственное получение гибридов путем гибридизации,
а также факты расщепления гибридов во втором и последующих
поколениях позволили Менделю прийти к выводу, что подобные
результаты могут быть объяснены только, если предположить,
что половые гаметы (зачатковые и пыльцевые клетки по
Менделю) несут постоянные и обособленные единицы
наследственности - факторы (в 1909 г. В.Иогансеном названные
генами). По Менделю эти единицы наследственности в
неизменном виде передаются от одного поколения к другому.
Мендель ввел буквенные обозначения для факторов,
определяющих альтернативные признаки. При этом фактор,
детерминирующий доминантный признак, он обозначил
заглавными буквами латинского алфавита, а рецессивный –
строчными. Мендель совершенно правильно считал, что половые
клетки содержат только по одному фактору (гену), а гибридные
растения по два. Например, сорта гороха с гладкими семенами
несут гены АА, а с морщинистыми аа. В первом случае каждая из
половых клеток несет ген А, а во втором – а. При самоопылении
гены соединятся А+А=АА и a + а = aa. При скрещивании
растения с гладкими семенами с растением с морщинистыми
семенами картина будет следующая: А+а= Аа (F1). Формы, у
которых в зиготе объединяются два идентичных гена АА или аа
получили название гомозиготные*, а объединяющие два разных
аллеля Аа – гетерозиготные*.
Мендель пришел к выводу, что гибридные растения
образуют два типа половых клеток (и женских и мужских), один
с геном А, а другой с геном а. Оба типа половых клеток
образуются с равными частотами и имеют равные вероятности на
соединения в зиготе, что легко представить, используя решетку,
предложенную английским генетиком Р.Пеннетом. Так гибрид F1
Аа продуцирует гаметы А и а, образующиеся соответственно с
частотами ½ и ½. В данном случае решетка Пеннета имеет 4
клетки.
________________________________________________________
*Термины предложены У.Бетсоном в 1902 г.
50
Если сверху написать мужские гаметы, а слева женские, то
получим :
Мужские гаметы
Женские
гаметы
A
a
A
AA
Aa
a
Aa
aa
В каждой из клеток решетки записывается результат соединения
женской и мужской гамет, т.е. тип получаемой зиготы. Исходя из
приведенных данных мы имеем четыре комбинации: 1
гомозигота с доминантными генами (АА), 1 гомозигота с
рецессивными генами (аа) и 2 гетерозиготы (Aa). Если же
представить, что из этих зигот вырастут растения гороха, то мы
можем предвидеть, что растения с генотипом АА будут иметь
гладкие семена, как и растения с генотипом Аа, а вот растения с
генотипом аа будут иметь морщинистые семена. То есть
соотношение растений с доминантными и рецессивными
признаками будет 3:1. Соотношение же гомозигот к
гетерозиготам среди растений с доминантным признаком
составит 1:2.
Прямое доказательство гипотезы Менделя, что именно
половые клетки несут ― постоянные и обособленнные ‖ единицы
наследствеености (гены) было получено Демереку в 1924 г. при
изучении пыльцы гибрида между линиями нормальной и
восковидной кукурузы. Дело в том, что у большинства сортов
кукурузы накапливается в зернах крахмал. Однако имеются
формы, у которых вместо крахмала в эндосперме накапливается
декстрин (восковидная кукуруза). Детерминирует накопление и
крахмала, и декстрина ген waxy. Если этот ген в генотипе
растения находится в доминантном состоянии (Wx), то
накапливается крахмал, а если в рецессивном (wx), то декстрин.
При окрашивании йодом крахмалистого эндосперма он
окрашивается в синий цвет, а восковидный - в красный. Демереку
окрасил йодом пыльцу F1 гибрида с генотипом Wxwx (рис. 4.4) . В
результате ½ пыльцевых зерен окрасилась в синий цвет, а ½ - в
красноватый. Это очень интересный, но частный случай, т.к.
51
другие гены (а их множество) не поддаются локализации в
пыльце на основе гистохимических реакций.
Рисунок 4.4. Микрофотография пыльцы из пыльника кукурузы (генотип
Wxwx). Пыльца подверглась обработке йодом, делающим пыльцевые
зерна с геном Wx заметно темнее пыльцевых зерен с геном wx (по
Демереку из S.Borojevic, K.Borojevic, 1976. c.114).
3.Анализирующее скрещивание
Проверить образование того или иного типа гамет можно
при помощи анализирующего скрещивания, что и используется в
генетическом
анализе.
Анализирующим
скрещиванием
называется скрещивание гибридной формы с формой (например,
P2), рецессивной по изучаемому признаку:
F1 (Aa)
Гаметы
Потомство
x P2 (aa)
Aиa
a
Aa
aa
1 : 1
Так как P2 дает гаметы только одного типа, то выявление в
потомстве от анализирующего скрещивания двух типов особей
52
свидетельствует о том, что гибридная форма (F1) продуцирует
гаметы двух типов, а их соотношение 1:1, говорит о том, что
распределение доминантных и рецессивных генов в гаметах
происходит с равной частотой.
Мендель не знал о существовании хромосом, о
локализации генов в хромосомах, и о механизме клеточного
деления (мейоз), приводящего к редукции числа хромосом в
половых клетках. Значительно позже его работ было
установлено, что гены, отвечающие за одну пару признаков,
находятся в одинаковых точках (локусах) гомологичных
хромосом. В результате же мейоза гомологичные хромосомы
расходятся в половые гаметы. А так как одна половая клетка
содержит только одну из двух гомологичных хромосом, то в нее
и попадает только один из пары генов. Это хорошо видно на
примере генов, детерминирующих безостость – остистость
колоса у мягкой пшеницы (рис. 4.5 и рис. 4.6). При скрещивании
растений пшеницы с безостыми колосьями с растениями с
остистыми колосьями у растений F1 колосья безостые (генотип
Gg). При самоопылении F1 поколения (F1xF1) (рис.4.6) в
яйцеклетки и спермии попадают уже гены G и g и, соединяясь в
зиготе, дают генотипы 1GG : 2Gg: 1gg, из которых вырастут
растения пшеницы безостые и остистые в соотношении 75% :
25% (3:1). При образовании гамет у гибридов любая из них с
равной вероятностью может получить или ген G или g. При
соединении же в зиготе гены не смешиваются и в дальнейшем
такими же отдельностями переходят потомкам. Это правило
получило название: закон чистоты гамет.
53
Рисунок 4.5. Схема, иллюстрирующая поведение гомологичных
хромосом, при скрещивании безостой пшеницы с остистой (S.Borojevic,
K.Borojevic, 1976. с.110).
54
Рисунок 4.6. Схема, иллюстрирующая поведение гомологичных
хромосом и образование разных типов зигот у гибридов F1 пшеницы
(S.Borojevic, K.Borojevic, 1976. с.111)
4. Ключевые слова и понятия
Анализирующее
скрещивание
Генотип
Доминантность
Единообразие первого
поколения
Закон чистоты гамет
Кодоминирование
Локус
Моногибридное
скрещивание
Неполное доминирование
Рецессивность
Фенотип
55
Лекция 5. МЕНДЕЛИЗМ. ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ
ГЕНЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА.
Закономерности наследования признаков при дигибридном скрещивании. –
Закономерности наследования признаков при тригибридном скрещивании. –
Общие формулы расщепления при независимом наследовании. – Ключевые
слова и понятия
1. Закономерности наследования при дигибридном
скрещивании
Скрещивания,
в
которых
родительские
формы
различаются
по
одной
паре
признаков,
называются
моногибридными, по двум парам признаков - дигибридными, а
по многим - полигибридными*. В предыдущих разделах мы
рассмотрели закономерности наследования при моногибридном
скрещивании. Надо сказать, что Мендель интересовался и
закономерностями
одновременного
наследования
двух
признаков. В одном из опытов он произвел скрещивание
растений с круглыми желтыми семенами с растениями с
морщинистыми
и
зелеными
семенами
(дигибридное
скрещивание). Генотип первого родителя P1 был обозначен как
AABB, а второго P2 - aabb (рис. 5.1).
В F1 этого скрещивания было получено единообразие
всех растений по изучаемым признакам. Все растения имели
круглые семена желтого цвета. Генотип их может быть обозначен
как AaBb. Посев семян F1 дал расщепляющееся F2. При этом 9/16
семян были похожи на семена, полученные в F1, - круглые
желтые, 3/16 семян были круглые, но зеленые, 3/16 были
морщинистые, желтые семена и только 1/16 часть семян
походила на семена второго родителя и имела морщинистые,
зеленые семена (расщепление 9:3:3:1). Этот фенотипический
эффект мог быть объяснен только в том случае, если гибриды F1
продуцировали (рис. 5.1) гаметы четырех типов AB, Ab, aB и ab.
Мендель провел анализирующее скрещивание F1 (AaBb) x P2
_______________________________________________________
*В 1900 г. Г. де Фриз ввел термины моногибрид, дигибрид, тригибрид,
полигибрид.
56
(aabb) и получил четыре типа потомков: ABab : Abab : aBab :
abab, их соотношение было равно 1:1:1:1. Тем самым было
подтверждено образование гамет четырех типов: AB, Ab, aB и ab.
Из приведенной на рисунке 5.1 решетки Пеннета можно видеть,
что, как и при моногибридном скрещивании, число фенотипов
значительно уступает числу генотипов:
Рисунок 5.1. Наследование окраски и формы семян у гороха (Pisum
sativum) (Лобашов, 1967, с.129).
57
Частота
Генотип
Фенотип
семян
1/16
AABB
круглые желтые
В 9/16 зигот
присутствуют
оба доминантных
гена
2/16
AABb
круглые желтые
2/16
AaBB
круглые желтые
4/16
AaBb
круглые желтые
1/16
Aabb
круглые зеленые
2/16
Aabb
В 3/16 зигот
присутствует только
круглые зеленые доминантный ген A
1/16
aaBB
морщинистые желтые
2/16
aaBb
В 3/16 зигот
присутствует только
морщинистые желтые доминантный ген B
1/16
aabb
морщинистые зеленые
1/16 всех зигот не
имеет доминантных
генов
Следовательно, при расщеплении F2 по фенотипу в отношении
9:3:3:1, расщепление по генотипу составит 1:2:2:4:1:2:1:2:1.
В результате подобных опытов Менделем было
сформулировано очень важное положение, говорящее о том, что
гены, определяющие различные признаки, наследуются
независимо друг от друга. И, хотя позднее было показано, что
этот вывод справедлив только для генов находящихся в разных
хромосомах, закономерность, выявленная Менделем, получила
название закон независимого комбинирования признаков.
И еще одно важное обстоятельство следует отметить. При
независимой рекомбинации генов образуются женские и мужские
гаметы с новыми сочетаниями генов. При их слиянии могут быть
получены гомозиготные формы растений с новыми сочетаниями
признаков. В приведенном выше примере Мендель скрещивал
растение с круглыми желтыми семенами с растением с
морщинистыми
зелеными
семенами.
В
результате
продуцирования гибридами гамет с новыми сочетаниями генов
были получены гомозиготные рекомбинантные растения с
58
круглыми зелеными (AAbb) и морщинистыми желтыми (aaBB)
семенами. Подобный подход к получению и отбору
рекомбинантов является одним из основных при создании сортов
сельскохозяйственных культур.
2. Тригибридные скрещивания.
Подтверждение закона ―независимого комбинирования‖
было получено Менделем при скрещивании константных форм
растений различавшихся по трем признакам. Это хорошо видно
на следующем примере (рис. 5.2).
Признаки материнской формы (P1):
гладкие семена – AA
желтые семена – BB
серо-коричневая семенная кожура – CC
Признаки отцовской формы (P2):
морщинистые семена – aa
зеленые семена – bb
бесцветная семенная кожура – cc
P1
Гаметы
F1
Рисунок 5.2.
скрещивании.
AABBCC x
P2
ABC
aabbcc
abc
AaBbCc (тройная гетерозигота)
Схема
образования
зиготы
при
тригибридном
Семена F1 по фенотипу будут гладкими и желтыми, а
семенная кожура серо-коричневая. Растения первого гибридного
поколения образуют 8 типов гамет в равном соотношении, т.к.
вероятность попадания в гамету доминантного или рецессивного
гена из пары альтернативных признаков равна ½: 1/2 x 1/2 x 1/2 =
1/8.
Таким образом, мы имеем следующие типы гамет:
59
1/8 ABC
1/8 ABc
1/8 AbC
1/8 aBC
1/8 Abc
1/8 aBc
1/8 abC
1/8 abc
В свою очередь это определяет высокое разнообразие зигот, как
это видно из рисунка 5.3.
1/8
ABC
1/8
ABc
1/8
AbC
1/8
Abc
1/8
aBC
1/8
aBc
1/8
abC
1/8
abc
1/8
ABC
1/8
ABc
1/8
AbC
1/8
Abc
1/8
aBC
1/8
aBс
1/8
abC
1/8
abc
ABC
ABC
ABC
ABc
ABC
AbC
ABC
Abc
ABC
aBC
ABC
aBc
ABC
abC
ABC
abc
ABc
ABC
ABc
ABc
ABc
AbC
ABc
Abc
ABc
aBC
ABc
aBc
ABc
abC
ABc
abc
AbC
ABC
AbC
ABc
AbC
AbC
AbC
Abc
AbC
aBC
AbC
aBc
AbC
abC
AbC
abc
Abc
ABC
Abc
ABc
Abc
AbC
Abc
Abc
Abc
aBC
Abc
aBc
Abc
abC
Abc
abc
aBC
ABC
aBC
ABc
aBC
AbC
ABC
Abc
aBC
aBC
ABC
aBc
ABC
abC
аBC
abc
aBс
ABC
aBс
ABс
aBс
AbC
aBс
Abc
aBс
aBC
aBс
aBс
aBс
abC
aBс
abc
abC
ABC
abC
ABc
abC
AbC
abC
Abc
abC
aBC
abC
aBc
abC
abC
аbC
abc
abc
ABC
abc
ABc
abc
AbC
Abc
Abc
abc
aBC
abc
aBc
abc
abC
аbc
abc
Рисунок 5.3 Образование разных типов зигот при независимом
комбинировании трех пар генов в гаметах.
60
Таблица 5.1
Численность особей и их генотипы при тригибридном
скрещивании
(по Джонсу из Синнота и Денна с добавлениями)
Частота
генотипа
1/64
2/64
Генотип
2/64
AABbCC
Фенотип в F2
Частота
фенотипа
Не расщепляется
Расщепляется на круглые и
морщинистые 3:1
Расщепляется на желтые и
зеленые 3:1
AABBCC
AaBBCC
2/64
AABBCc
4/64
AaBbCC
4/64
AaBBCc
4/64
AABbCc
8/64
AaBbCc
1/64
2/64
AABBcc
AABbcc
2/64
AaBBcc
4/64
AaBbcc
Характер потомства в F3
Круглые,
желтые
семена,
оболочка
семени
светлокоричневая
27/64
Расщепляется на
Семена с серо-коричневой и
бесцветной оболочкой 3:1
Расщепляется на круглые,
морщинистые, желтые и
зеленые 9:3:3:1
Расщепляется на круглые,
морщинистые, с серокоричневой и бесцветной
семенной оболочкой 9:3:3:1
Расщепляется на желтые,
зеленые, с серо-коричневой и
бесцветной семенной
оболочкой 9:3:3:1
Расщепляется на круглые,
морщинистые, желтые,
зеленые, с серо-коричневой и
бесцветной семенной
оболочкой 27:9:9:9:3:3:3:1
Круглые,
желтые
семена,
семенная
оболочка
бесцветная
9/64
Не расщепляется
Расщепляется на желтые и
зеленые 3:1
Расщепляется на круглые и
морщинистые 3:1
Расщепляется на круглые,
морщинистые, желтые и
зеленые 9:3:3:1
61
1/64
2/64
AAbbCC
AAbbCc
2/64
AabbCC
4/64
AabbCc
1/64
2/64
aaBBCC
aaBbCC
2/64
aaBBCc
4/64
aaBbCc
1/64
2/64
aabbCC
aabbCc
1/64
2/64
aaBBcc
aaBbcc
1/64
2/64
AAbbcc
Aabbcc
Круглые,
зеленые
семена,
9/64
оболочка
семян серокоричневая
Не расщепляется
Расщепляется на окрашенные
и с бесцветной семенной
оболочкой 3:1
Расщепляется на круглые и
морщинистые 3:1
Расщепляется на круглые,
морщинистые, с серокоричневой и бесцветной
семенной оболочкой 9:3:3:1
Морщинистые,
желтые
семена, с серокоричневой
оболочкой
9/64
Морщинистые,
зеленые
семена,
с серокоричневой
оболочкой
Морщинистые,
желтые
семена,
бесцветная
семенная
оболочка
Круглые,
зеленые
семена, с
бесцветной
оболочкой
3/64
Не расщепляется
Расщепляется на семена с
серо-коричневой и
бесцветной семенной
оболочкой 3:1
3/64
Не расщепляется
Расщепляется на желтые и
зеленые 3:1
3/64
62
Не расщепляется
Расщепляется на желтые и
зеленые 3:1
Расщепляется на семена с
серо-коричневой и
бесцветной семенной
оболочкой 3:1
Расщепляется на желтые,
зеленые семена, с серокоричневой и бесцветной
семенной оболочкой 9:3:3:1
Не расщепляется
Расщепляется на круглые и
морщинистые 3:1
1/64
aabbcc
Морщинистые
зеленые
семена, с
бесцветной
оболочкой
1/64
Не расщепляется
Таким образом (табл. 5.1), соотношение фенотипических классов
при тригибридном скрещивании будет 27 : 9 : 9 : 9 : 3 : 3 : 3 : 1.
3.Общие формулы расщепления при независимом
наследовании генов
Сравнивая данные по моно-, ди- и тригибридному скрещиванию,
легко увидеть, что при увеличении числа изучаемых признаков
на один, число типов гамет возрастает каждый раз в 2 раза, как и
число фенотипов, а число генотипов в три раза (табл. 5.2).
Таблица 5.2
Общие формулы расщепления при независимом наследовании
генов
Число
пар
генов
Число
типов
гамет в F1
1
2
3
4
n
2
4
8
16
2n
Число
комбинаций
между
гаметами в F1
4
16
64
256
4n
Число
генотипов
в F2
Число
фенотипов
в F2
3
9
27
81
3n
2
4
8
16
2n
Следует отметить, что формула расщепления для
фенотипов, приведенная в табл. 5.2, будет справедлива только
для случаев полного доминирования. В случае неполного
доминирования или кодоминирования, гетерозиготные особи
будут фенотипически отличаться в первом случае от
родительской формы, несущей доминантные гены, а во втором
63
(кодоминирование) – от обеих родительских форм. Например,
Т.С. Фадеева (ЛГУ) изучала наследование окраски ягод и формы
чашечки у земляники (Fragaria resca). Она проводила
скрещивание формы с красными ягодами и нормальной
чашечкой (генотип AABB) с формой с белыми ягодами и
листовидной чашечкой (генотип aabb). Первое гибридное
поколение имело розовые ягоды и промежуточную чашечку
(генотип AaBb), т.е. по обоим признакам было выявлено
неполное доминирование. В F2 было получено расщепление на 9
фенотипических классов в отношении 1 : 2 : 2 : 4 : 1 : 2 : 1 : 2 : 1,
что отличается от расщепления при полном доминировании,
равном 9 : 3 : 3 : 1.
Не трудно подсчитать, что в случае, если в дигибридном
скрещивании только в одной из двух пар генов имеет место
неполное доминирование, то расщепление в F2 по фенотипу
будет иметь 6 классов - 3 : 6 : 1 : 2 : 3 : 1, а не 4.
4. Ключевые слова и понятия
дигибридное скрещивание
моногибридное скрещивание
закон
независимого
полигибридное скрещивание
комбинирования
тригибридное скрещивание
64
Лекция 6. МЕНДЕЛИЗМ. ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ
ГЕНЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА.
Контроль за расщеплением. – Условия осуществления менделевских законов. –
Обозначения генов. – Множественный аллелизм. – Ключевые слова и понятия.
1. Контроль за расщеплением.
В предыдущих лекциях были показаны основные
закономерности наследования при расщеплении гибридов. Эти
закономерности составляют основу генетического анализа,
применяемого при постановке экспериментов, связанных со
скрещиванием форм растений и животных. При этом
исследователь не только должен описать гибриды и произвести
подсчеты
потомства
второго
или
любого
другого
расщепляющегося поколения, но и получить свидетельство
совпадения ожидаемых и наблюдаемых чисел. Получение
подобного свидетельства связано с проведением специальных
биометрических расчетов. В основе применяемых методов лежит
положение, что какое-либо явление считается случайным, если
происходит реже, чем 1 раз на 20 случаев, т.е. с вероятностью не
превышающей 5% (0.05). При генетическом анализе характера
расщепления в потомстве гибридов применяется метод хиквадрат (2). Для ознакомления с этим методом попробуем
оценить данные Менделя, полученные им при дигибридном
скрещивании растений гороха, а именно соответствие
фактических данных расщепления в F2 двухгенной гипотезе
детерминации признаков гладкие - морщинистые и желтые зеленые семена. Процесс расчетов представлен в таблице 6.1. Как
видно из таблицы в опыте Менделя во втором поколении было
получено 556 семян, из которых 315 были гладкие желтые, 101 –
гладкие зеленые, 108 – морщинистые желтые и 32 –
морщинистые зеленые. Основываясь на данных предыдущих
разделов, мы вправе предположить, что имеем дело с
дигибридным скрещиванием и расщепление теоретически
должно соответствовать отношениям 9:3:3:1. Следовательно 556
семян составляют 16 частей. А одна часть равна 34.75 семян.
Умножив эту величину последовательно на 9, 3, 3 и 1, мы
получим теоретически ожидаемое по нашей гипотезе число семян
65
по каждому фенотипу (q). Затем вычисляется отклонение (d)
фактического значения расщепляющегося класса от теоретически
ожидаемого. Для ликвидации знаков + и – значение d возводится
в квадрат по каждому из фенотипов и делится на показатель q.
Хи-квадрат вычисляется по формуле 2= d2: q. Как видно из
таблицы 2 равен 0.45.
Таблица 6.1
Анализ расщепления в F2 гибридов гороха методом 2
Фенотип семян
Гладкие
Гладкие Морщинис- МорщинисДанные
Наблюдаемые
в опыте
Теоретически
ожидаемые
при
расщеплении
9:3:3:1 (q)
Отклонение (d)
d2
2
d :q
желтые
зеленые
тые желтые
тые зеленые
315
101
108
32
312.75
104.25
104.25
34.75
+2.25
5.1
0.02
-3.25
10.6
0.10
+3.75
14.1
0.13
-2.75
7.6
0.20
2 =  d2 : q = 0.02+0.10+0.13+0.20 = 0.45
Гипотеза не отвергается, если P не менее 0.05. P же
вычисляется по таблице 6.2.
В этой таблице в первой графе указано число степеней свободы
(n’), которое равно n-1, где n – число наблюдаемых классов
фенотипов при расщеплении. В первой горизонтальной графе
указаны величины вероятности (P), а в других горизонтальных
графах величины 2 при определенном числе степеней свободы.
В нашем опыте число степеней свободы равно 3 (n-1), а при
2=0.45 показатель вероятности находится между 0.95>P>0.90.
66
Таблица 6.2
Показатели вероятности (P) и значений 2 (по Фишеру с
сокращениями)
n'
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Р 0.99
0.0001
6
0.0201
0.115
0.297
0.554
0.872
1.239
1.646
2.088
2.558
0.95
0.0039
0.90
0.016
0.80
0.064
0.70
1.148
0.50
0.455
0.20
1.642
0.05
3.841
0.01
6.635
0.103
0.352
0.711
1.145
1.635
2.167
2.733
3.325
3.940
0.211
0.584
1.064
1.610
2.204
2.833
3.430
4.168
4.865
1.446
1.005
1.649
2.343
3.070
3.822
4.594
5.380
6.179
0.713
1.424
2.195
3.000
3.828
4.671
5.527
6.393
7.267
1.386
2.366
3.357
4.351
5.348
6.346
7.344
8.343
9.342
3.219
4.642
5.989
7.289
8.558
9.803
11.030
12.242
13.442
5.991
7.815
9.488
11.070
12.592
14.067
15.507
16.919
18.307
9.210
11.341
13.277
15.086
16.812
18.475
20.090
21.666
23.209
Следовательно фактические данные расщепления отклоняются от
теоретических незначительно. Это подтверждает нашу гипотезу о
влиянии на это расщепление двух пар аллельных генов.
Метод 2 не применим в тех случаях, когда в один из
теоретически рассчитанных классов попадает менее 5 особей, а
также к значениям, выраженным в процентах и относительных
числах.
2. Условия осуществления менделевских законов.
Мы уже говорили о применимости законов Менделя к
растениям, животным и человеку. Однако следует иметь в виду,
что действие этих законов может осуществляться только при
следующих условиях:
- скрещивания проводятся на диплоидном уровне;
- разные гены должны находиться в негомологичных
хромосомах (отсутствие сцепления);
- изучаемые организмы не должны иметь нарушений процесса
мейоза, а как результат, равновероятное образование гамет
всех возможных типов;
- одновременное созревание мужских и женских половых
клеток всех типов, обеспечивающее равновероятное их
соединение при оплодотворении;
- отсутствие селективности при оплодотворении гаметами
всех типов;
67
равновероятная выживаемость мужских и женских гамет
всех типов;
- отсутствие селективности в выживаемости зигот всех
возможных генотипов;
- равновероятная выживаемость взрослых организмов;
- эксперименты должны проводиться в условиях, не
препятствующих
нормальному
развитию
изучаемых
признаков;
- должно быть обеспечено получение сравнительно большого
числа особей в эксперименте.
Таков перечень основных условий, при которых
экспериментатор может быть уверен в отсутствии препятствий в
проявлении менделевских закономерностей.
-
3. Генетические обозначения.
Мендель был первым, кто ввел буквенное обозначение
для генов. При этом доминантный ген пары обозначался
заглавной буквой латинского алфавита, а рецессивный –
строчной: A – a, B – b, G - g и т. п. Пока было открыто для
каждого из изучавшихся видов небольшое число генов, то какой
буквой обозначался данный ген не имело принципиального
значения. Однако с открытием все новых и новых генов при
одинаковом их буквенном обозначении возникала путаница. В
настоящее время ген чаще всего обозначается первой буквой
(буквами) английского слова (слов), описывающих признак,
который данный ген контролирует (табл. 6.3).
Различия между
генами, находящимися в одном локусе,
возникают путем мутаций. Как правило, доминантный ген
мутирует в рецессивный A a. Но известны и обратные мутации
a  A. Таким образом возникли пары аллельных* генов.
Например (табл. 6.3), ген wx у кукурузы контролирует развитие
восковидного эндосперма, а аллель Wx нормального
крахмалистого эндосперма. У ячменя доминантный ген Li
определяет развитие лигул у листьев, а его рецессивный аллель li
– отсутствие лигул (безлигульность).
68
Таблица 6.3
Символы генов у разных видов сельскохозяйственных культур
Вид
Символ
гена
Название
Горох
(Pisum
sativum)
E
fla
Earliness
flower anomalies
fob
folia oblonga
fn
flower number
M
Marmoreus
na
Orc
t
Bg
nana
Orange
cotyledons
thin stem
Black glume
Hg
Hairy glume
Nra
Nitrate reductase
activity
Purple culm
Пшеница
мягкая
(Triticum
aestivum)
Pc
Tg
W
Ячмень
(Hordeum
vulgare)
al
Bt
cud
D
hap
li
or
Ws
Кукуруза
al
Tenacious
glumes
Waxiness
albinolemma
Bruttle rachis
Curly dwarf
Dwarf
haploid initiator
liguleless
orange seedling
Weakly attached
spikelet
Anthocyaninless
69
Признак,
контролируемый данным
геном
Раннее зацветание
Нарушения в строении
цветка
Редукция ширины
прилистников
Увеличение числа
цветков в кисти
Мраморный рисунок
семенной кожуры
Карликовость
Оранжевые семядоли
Тонкий стебель
Черная окраска
колосковой чешуи
Опушение колосковой
чешуи
Активность фермента
нитратредуктазы
Антоциановая окраска
стебля
Прочность колосковой
чешуи
Восковой налет на
растении
Белые цветковые чешуи
Ломкая колосковая ось
Карликовость
Карликовость
Образование гаплоидов
Безлигульность
Оранжевый проросток
Легко отламывающиеся
колоски
Отсутствие
(Zea mays)
C1
Mu
Colored aleurone
Mutator
sn
sugary
endosperm
wx
waxy endosperm
антоциановой окраски в
алейроне
Окрашенный алейрон
Увеличивает скорость
мутаций
Морщинистый
эндосперм сахарной
кукурузы
Восковидный эндосперм,
состоящий из
амилопектина
4. Множественный аллелизм.
Известно много примеров, когда в результате
мутирования возникает не два, а много аллелей одного гена. Но
при этом каждый диплоидный организм всегда несет в генотипе
только два (любых) аллеля одного гена. Классическим примером
множественного
аллелизма
является
серия
аллелей,
определяющих окраску меха у кролика (табл.6.4, рис.6.1).
Рисунок 6.1. Четыре фенотипа, возникающие при различных
комбинациях аллелей гена окраски меха кроликов (Айала, Кайгер. 1987,
с. 53).
70
Таблица 6.4
Генетическое определение окраски меха у кролика
(из Айала, Кайгер, 1987).
Аллель
C=c+
cch
ch
ca
Генотип
c c ; c+cch; c+ch; c+ca
cchcch;
ch h
c c ; cchca
chch; chca
c ac a
+ +
Фенотип (окраска меха)
Серая окраска (агути)
Шиншилла
Светлая шиншилла
Гималайский
Альбинос
При этом аллель C=c+ (обозначение дикого типа) доминантен по
отношению ко всем остальным аллелям, аллель cch проявляет
неполное доминирование по отношению к аллелям ch и ca,
поэтому у гетерозиготных особей (cchch и cchca) мех более
светлый, чем у шиншиллы. Аллель ch доминантен по отношению
к аллелю ca.
Рисунок 6.2. Механизм влияния генов самостерильности на процессы
прорастания пыльцы и оплодотворения (S.Borojevic, K.Borojevic, 1976,
p.146).
71
У ряда видов растений в процессе эволюции выработался
механизм препятствующий самоопылению. Так, у табаков
выявлена серия аллелей гена S: S1,S2,S3,S4,S5,……Sn. При этом при
попадании на рыльце пестика, прорастает только пыльца, не
несущая аллелей, идентичных аллелям генотипа данного
растения. Например, на пестике генотипа S1S2 не прорастает
пыльца, несущая аллель S1 или S2. А вот пыльца, несущая гены S3,
S4, S5, прорастает свободно, в результате чего происходит
оплодотворение и завязывание семян (рис.6.2).
В ряде случаев некоторые из серий множественных
аллелей влияют на комбинативное проявление признака на
различных частях организма. Примером таких аллелей является
серия аллелей гена R, влияющего на проявление антоциана у
кукурузы:
Rr
растение окрашено, алейрон окрашен
g
R
растение не окрашено, алейрон окрашен
rr
растение окрашено, алейрон не окрашен
rg
растение и алейрон не окрашены
Присутствие ―окраски‖ является доминирующим признаком над
ее отсутствием. Однако растение с генотипом Rgrr окрашено и
алейрон окрашен, как это имело бы место у особей с генотипом
RrRr или Rr-. Подобный тип доминирования получил название
мозаичное доминирование.
С множественным аллелизмом мы сталкиваемся и у
человека. Примером может служить система групп крови AB0,
открытая в 1900 г. К.Ландштейнером. Им было установлено
наличие четырех групп крови: группа A (в эритроцитах
содержатся антигены A, а в сыворотке антитела B), группа B (в
эритроцитах содержатся антигены B, а в сыворотке антитела A),
группа AB (установлено наличие антигенов A и B, а вот в
сыворотке антитела отсутствуют) и, наконец, группа 0 (антигены
отсутствуют, а присутствуют антитела A и B). Установление этих
групп спасло от смерти многих людей, подвергшихся
переливанию крови.
Дело в том, реакция различных групп крови (эритроцитов) на
введение сыворотки A и сыворотки B различна (см. рис. 6.3). Как
видно из рис. 6.3 эритроциты группы A агглютинируются при
введении сывороток групп крови 0 и B, эритроциты группы B
72
Рисунок 6.3 Антигенные реакции, используемые при определении
группы крови в системе АВО. В качестве тестера применяются
сыворотки крови каждой из четырех групп (Айала, Кайгер, 1987, с. 54).
агглютинируются при введении сывороток групп крови 0 и A,
эритроциты группы AB агглютинируются при введении
сывороток групп крови 0, A, и B, а вот эритроциты 0 группы не
агглютинируются при вливании ни одной из четырех типов
сывороток. Установлено, что группы крови определяются тремя
аллелями гена I: IA, IB и i (табл.6.5).
Таблица 6.5
Группы крови системы AB0 ( Айала, Кайгер, 1987).
Аллель
IA
IB
i
Генотип
IAIA; IAi
IBIB; IBi
IAIB
ii
Фенотип
A
B
AB
0
73
Группа
II
III
IV
I
Аллели IA и IB доминантны по отношению к аллелю i и
кодоминантны друг к другу.
Число различных генотипов при множественном
аллелизме зависит от числа аллелей и может быть рассчитано по
формулам, приведенным в табл. 6.6.
Таблица 6.6
Число возможных генотипов при заданном числе аллелей
( Айала, Кайгер, 1987)
Генотипов
Число
аллелей
1
2
3
4
5
n
Всего
Гомозиготных
Гетерозиготных
1
3
6
10
15
n(n+1) : 2
1
2
3
4
5
n
0
1
3
6
10
n(n-1) : 2
5. Ключевые слова и понятия
метод хи – квадрат
мозаичное доминирование
множественные аллели
74
Лекция 7. НАСЛЕДОВАНИЕ ПРИЗНАКОВ ПРИ
ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ГЕНОВ
Наследование формы гребня у кур. – Различия между взимодействием
доминантных и рецессивных генов. – Комплементарное взаимодействие генов.
– Супрессия. – Доминантный эпистаз. – Криптомерия. – Полимерия. –
Плейотропия. – Трансгрессия. – Гены модификаторы. – Пенетрантность и
экспрессивность генов. – Норма реакции. – Ключевые слова и понятия.
После переоткрытия в начале XX в. законов Менделя во
многих странах мира проводились интенсивные исследования по
генетическому анализу самых различных объектов. И чем шире
велись эти исследования, тем чаще генетики сталкивались со
случаями отклонения от менделевских закономерностей.
Детальное изучение подобных фактов позволило доказать
взаимодействие неаллельных генов. Приоритет в изучении этого
феномена принадлежит английскому генетику У.Бетсону. Не
вдаваясь в сложные генные взаимодействия, рассмотрим случаи
детерминации признаков в результате взаимодействия генов при
дигибридных скрещиваниях.
Рисунок 7.1 Четыре типа гребней у кур (петухи): а – простой, b –
гороховидный, с – розовидный, d – ореховидный (Baur, 1930, p. )
75
1. Наследование формы гребня у кур
Существуют четыре породы кур, каждая из которых
имеет характерные только для нее строение гребня (рис.7.1).
Куры породы леггорн имеют простой листовидный гребень,
брамы –гороховидный гребень, малайские – ореховидный
гребень, а виандотты – розовидный гребень (низкий, утолщенный
спереди и заостренный сзади). При внутрипородном
размножении каждая из этих пород дает чистое потомство . В
опытах У.Бетсона и Р.Пеннета
при скрещивании кур с
розовидным гребнем с курами с простым гребнем, доминировал
розовидный гребень, а в F2 наблюдалось расщепление 3:1. При
скрещивании кур с гороховидным гребнем с курами с простым
гребнем доминировал гороховидный гребень и в F2 также было
получено расщепление 3:1. А вот скрещивание особей с
розовидным гребнем с особями с гороховидным гребнем (рис.7.2)
привело к получению потомства F1 с ореховидным гребнем.
Расщепление в F2 в числовом отношении не отличалось от
обычного дигибридного скрещивания. 9/16 особей имели
ореховидные гребни, 3/16 –розовидные, 3/16 гороховидные и 1/16
листовидный. Однако присутствие в генотипе вместе двух
доминантных генов R+P приводит к новому качеству .
2. Различия между взаимодействием доминантных и
рецессивных генов
Примером
подобных
отличий
может
служить
генетическая детерминация плода у фигурной тыквы (Cucurbita
pepo). У нее отселектированы линии, отличающиеся по форме
плода. Сферическая форма плода у тыквы является рецессивным
признаком по отношению к дисковидной форме. От скрещивания
двух линий разного происхождения, но имевших сферическую
форму плода, было получено потомство (F1) с дисковидной
формой плода (рис.7.3). При расщеплении в F2 было получено
три типа растений, различающихся по форме плода: 9/16 из них
имели дисковидные плоды, 6/16 – сферические плоды и 1/16
часть растений имела плоды удлиненной формы. Это говорит вопервых о том, что изучающийся признак определяется двумя
парами генов, при этом каждый из неаллельных генов А и В.
76
Рисунок 7.2. Схема, показывающая взаимодействие между генами,
определяющими форму гребня у кур (Синнот, Денн, 1934, с. 93).
77
Рисунок 7.3 Наследование формы плода у фигурной тыквы (Cucurbita
pepo) при взамодействии двух пар генов ( Лобашов, 1967, с.164).
определяют образование одинаковой формы плода, их
взаимодействие дает другой результат, а их взаимодействие в
рецессивном состоянии приводит к появлению нового признака:
9А-В-:( 3A-bb+3aaB-) : 1aabb. Таким образом: - имеет место
фенотипическое сходство двух разных генотипов (Aabb и aaBB); F1 по изучавшемуся признаку отличается от обоих родителей;
- в F2 проявился новый признак.
3. Комплементарное взаимодействие генов.
Впервые подобный тип взаимодействия был выявлен
У.Бетсоном и Р.Пеннетом у душистого горошка ( Lathyrus
odoratus). При скрещивании двух линий с белыми цветками в
первом поколении все растения имели пурпурные цветки, а в F2
было получено 9/16 растений с пурпурными цветками и 7/16 с
белыми. Т.е. расщепление было близким к 9:7 (рис. 7.4).
78
Рисунок 7.4. Наследование окраски цветков душистого горошка
(Lathyrus odoratus) при взаимодействии двух пар генов. (Лобашов, 1967,
с. 158).
Так как число растений с пурпурным венчиком составило
9/16 от всех полученных растений, правомерно предположить,
что здесь взаимодействуют два независимых доминантных гена.
Белый цвет венчика вызван отсутствием в генотипе или какого-то
одного из этих доминантных генов или присутствуют оба гена в
рецессивном состоянии. Это предположение можно проверить,
построив решетку Пеннета (рис. 7.5) . На рисунке 7.5 один ген
обозначен через С, а другой через Р. Согласно предположению о
происхождени окрашенного венчика, генотип растений одной
линии обозначен как ССpp, а второй - сcРР. Первый родитель
дает гаметы Ср, а второй – сР. Соединение этих гамет приводит к
соединению доминантных аллелей генов С и Р и возникновению
пурпурного цвета венчика. F1 продуцирует четыре типа гамет СР,
Ср, сР и ср. Исходя из гипотезы, растения с пурпурным
венчиком дадут зиготы, в которых соединяться доминантные
аллели двух генов. Отсюда, как следствие, расщепление в
отношении:
9/16 ( С-Р-) : 7/16(3/16 С-рр+ 3/16 ссР- + 1/16 ссрр).
пурпурные
белые
79
Гены, дающие эффект подобно генам С и Р, получили название
комплементарных.
Р
ССрр
белый
Ср
гаметы
F1
х
ссРР
белый
сР
CcPp
пурпурный
гаметы
F2
СР , Ср , сР , ср
CP
Cp
cP
cp
ССРР
ССРр
СсРР
СсРр
пурпурный пурпурный пурпурный пурпурный
Cp
ССРр
ССрр
СсРр ссРр
пурпурный белый
пурпурный белый
cP
СсРР
СсРр ссРР
ссРр
пурпурный пурпурный белый
белый
cp
СсРр
Ссрр ссРр
ссрр
пурпурный белый
белый
белый
Рисунок 7.5 Расщепление по окраске цветка у душистого горошка
(Lathyrus odoratus).
CP
Приведем еще один пример взаимодействия комплементарных
генов у растений. У пшеницы имеются два гена гибридного
некроза Ne1 и Ne2. Генотипы Ne1Ne1ne2ne2 и ne1ne1Ne2Ne2
дают нормально развивающиеся растения. Скрещивание между
собой таких генотипов приводит к летальности или
сублетальности гибридов F1 в результате отмирания листьев. По
каждому из генов установлена серия аллелей. Для гена Ne1 это
Ne1w (слабый аллель - weak), Ne1 m (аллель средней силы medium) и Ne1s (сильный - strong), а для гена Ne2- аллели Ne2w,
Ne2wm, Ne2m, Ne2ms, Ne2s. Объединение в зиготе различных по
силе действия аллелей приводит к развитию растений с разной
степенью гибридного некроза в F1: от гибнущих в фазу 3х листьев
(генотип Ne1sne1Ne2sne2) до слегка ―угнетенных‖ или ―почти
нормальных‖(генотип Ne1wne1Ne2wne2). Последние, как правило,
80
завязывают зерна, высев которых в F2 дает расщепление в
соотношении:
9/16(Ne1w-Ne2w-)
:
7/16(3/16Ne1w-ne2ne2+3/16ne1ne1Ne2w+1/16ne1ne1ne2ne2).
некрозные
нормальные
Cуществуют сорта пшеницы, не несущие в своих генотипах
доминантных аллелей генов гибридного некроза (генотип ne1ne1ne2ne2). В этом случае говорят, что сорт ―свободен‖ от
генов гибридного некроза.
4. Эпистаз (супрессия).
Несколько другое расщепление в F2 получается при
взаимодействии генов по типу эпистаза. Это случаи, когда один
ген подавляет фенотипическое проявление другого, неаллельного
ему гена. Эпистаз аналогичен доминированию, однако при
доминировании оба гена аллельны, а при эпистазе находятся в
разных локусах. Подобные гены получили название
эпистатические гены. Как правило, их обозначают буквами I (от
слова inhibition) или S (suppression). Подавляемые гены называют
гипостатичными. Примером эпистаза может быть детерминация
окраски оперения у кур.
Куры породы леггорн имеют белые оперение, т.к. имеют
генотип CCII, где ген I является ингибитором по отношению к
гену C и подавляет фенотипическое проявление последнего.
Куры породы виандот имеют белое оперение, т.к. их генотип ссii.
При скрещивании курицы породы леггорн с петухом породы
виандот были получены результаты, приведенные на рисунке 7.6.
В этом случае расщепление в F2 отличается от обычного
дигибридного (9:3:3:1) и составляет 13 : 3 или 13/16 кур с белым
оперением : 3/16 кур с окрашенным оперением. В данном случае
имеет место действие двух генов на один тот же признак.
Леггорн х Виандот
CCII
ccii
(белые)
( белые)
гаметы
CI
ci
F1
CcIi (белое)
P
81
F2:
♂
Гаметы
CI
Ci
cI
ci
CCII
CCIi
CcII
CcIi
белые
белые
белые
белые
CCIi
Ccii
CcIi
Ccii
Ci
♀
белые
окрашенные
белые
окрашенные
CcII
CcIi
ccII
ccIi
cI
белые
белые
белые
белые
CcIi
Ccii
ccIi
ccii
ci
белые
окрашенные
белые
белые
Рисунок 7.6 Расщепление по окраске оперения при скрещивании кур
пород леггорн и виандот.
CI
5. Доминантный эпистаз.
Примером подобного взаимодействия генов являются
случаи наследования окраски наружной чешуи у лука. У лука
доминантный аллель гена R – вызывает развитие красной окраски
чешуи, сочетание двух рецессивных аллелей rr дает белую
окраску чешуи, доминантный аллель гена I детерминирует
развитие белой окраски чешуи и одновременно подавляет
―действие‖ гена R, а двойная рецессивная гомозигота приводит к
развитию желтой окраски чешуи. Взаимодействие всех этих,
вышеназванных генов, представлено на рис.7.7.
Из рисунка видно, что:
I-R- =
белая наружная чешуя (9)
I-rr- =
белая наружная чешуя (3)
iiR- = красная наружная чешуя (3)
iirr- = желтая наружная чешуя (1)
Следовательно, соотношение по окраске кожуры луковиц в
данном скрещивании будет 12: 3: 1.
82
P
IIrr
x
iiRR
чешуя белая
чешуя красная
гаметы
Ir
iR
F1
IiRr
чешуя белая
♂
Гаметы
IR
Ir iR
IR
IIRR
белая
♀
Ir
IIRr
ir
IiRR
белая
IiRr
белая
IiRR
IiRr iiRR
белая
белая
красная
IiRr
Iirr iiRr
белая
белая
красная
белая
iR
IIRr
белая
ir
Iirr
белая
IiRr
белая
Iirr
белая
iiRr
красная
iirr
желтая
Рисунок 7.7 Расщепление по окраске наружной чешуи у лука.
6. Криптомерия.
Примером взаимодействия, получившего название
криптомерия (рецессивный эпистаз), также может быть
детеминирование окраски наружной чешуи луковицы. У лука
белая окраска луковицы определяется рецессивным состоянием
гена с, доминантный же аллель дает желтую окраску наружной
чешуи. Имеется также два аллеля R и r , которые в сочетании с
геном С детерминируют или желтую или красную окраску
луковицы. Взаимодействие генов и влияние на расщепление по
окраске луковиц в F2 показано на рисунке 7.8.
P
CCrr
x
наружная чешуя желтая
гаметы
Cr
F1
CcRr
83
ccRR
наружная чешуя белая
cR
F2
♂
CR
Cr
cR
cr
CR
CCRR
красная
CCRr
красная
CcRR
красная
CcRr
красная
Cr
CCRr
красная
CCrr
желтая
CcRr
красная
Ccrr
желтая
cR
CcRR
красная
CcRr
красная
ccRR
белая
ccRr
белая
cr
CcRr
красная
Ccrr
желтая
ccRr
белая
ccrr
белая
♀
Рисунок 7.8 Наследование окраски наружной чешуи луковицы при
криптомерии.
В итоге :
С-R- = красная наружная чешуя (9);
C-rr- = желтая наружная чешуя (3);
cc-R- = белая наружная чешуя (3);
ccrr = белая наружная чешуя (1);
т.е. расщепление в F2 составило 9 : 3 : 4.
7. Полимерия.
Честь открытия взаимодействия генов по типу полимерии
принадлежит шведскому генетику Х.Нильсону–Эле (1909г.).
Сущность данного явления заключается в том, что неаллельные
гены оказывают сходное действие на один и тот же признак.
Подобные гены получили название полимерных, а если их только
два, то – дупликатных (duplicate faktors). Примером действия
подобных генов является наследование окраски зерновки у
84
пшеницы.* Нильсон-Эле показал, что признак ―окраска зерновки
обусловлен действием доминантных генов R1, R2, R3 . Если
краснозерный сорт несет один ген (генотип R1R1r2r2r3r3 или
r1r1R2R2r3r3, или r1r1r2r2R3R3), то при скрещивании с белозерным
(генотип r1r1r2r2r3r3) расщепление в F2 будет 3:1. Но, если этих
генов больше (два например) то расщепление на краснозерные и
белозерные
растения
будет
соответствовать
данным,
приведенным на рис.7.9 и составит 15 : 1.
Рисунок 7.9 Схема, показывающая результаты скрещивания между
краснозерной и белозерной пшеницей. Красный цвет перикарпа
(семенной оболочки) зависит от действия какого-либо из двух факторов
R1, R2 или обоих вместе. (Синнот, Денн, 1934. с. 112).
______________________________________________________
*Окраска зерновки зависит от окраски перикарпа, представляющего собой
материнское образование.―
85
Если же генов R будет 3, то расщепление (что не трудно
подсчитать) составит 63:1. Это интересный сам по себе факт, но
еще более интересно то, что интенсивность окраски зависит от
числа (дозы) доминантных аллелей R на зиготу. Растения с
генотипом R1R1R2R2 имеют темнокрасные зерна, с генотипом
R1r1R2r2 менее интенсивную окраску, а с генотипом R1r1r2r2 или
r1r1R2r2 – слабо-розовую окраску.
Т.е. полимерные гены
оказывают взаимоусиливающее действие. При этом полимерные
гены действуют аддитивно, поскольку это действие носит
комулятивный характер.
Открытие этого феномена имеет большое практическое
значение, т.к. большинство количественных признаков (высота
растения, число зерен, масса 1000 зерен и т.п.) определяются
полимерными генами и представляют собой предмет, изучаемый
генетикой количественных признаков. И еще одно замечание.
Т.к. полимерные гены действуют на один и тот же признак, то
они обозначаются одной и той же буквой, а разные аллельные
пары обозначаются цифрами: R1-r1, R2-r2, R3-r3.
8. Плейотропия
Плейотропия – явление, заключающееся в том, что один
ген оказывает влияние на несколько признаков. Так еще Мендель
заметил, что один из изучавшихся им генов, детерминировал
проявление красного пигмента на цветках - красные лепестки
цветка, на прилистниках- красные пятна, а также определял
бурую окраску семенной кожуры.
У человека рецессивный ген, вызывающий болезнь
фенилкетонурию
(накопление
в
крови
фенилаланина),
одновременно влияет на возникновение серьезных умственных
нарушений.
9. Трансгрессия.
Трансгрессия это явление усиления или ослабления
какого-либо признака у гибридов по сравнению с родительскими
формами. При этом усиление признака может быть получено при
скрещивании родительских форм с одинаковым по выраженности
признаком. Это явление также связано с полимерными генами.
Предположим, что имеются полимерные гены A1, A2, A3,
86
доминантные аллели которых усиливают какой-то признак, а
рецессвные ослабляют. В этом случае наибольшая выраженность
признака будет у растений F2 гомозиготных по доминантным
аллелям всех 3-х генов (положительная трансгрессия), а
наименьшая у растений не имеющих в генотипе ни одного
доминантного аллеля (отрицательная трансгрессия).
P
F1
F2
A1A1a2a2A3A3 x a1a1A2A2 a3a3
A1a1A2a2 A3a3
A1A1A2A2A3A3
a1a1a2a2a3a3
положительная
отрицательная
трансгрессия (+)
трансгрессия (-)
10. Гены модификаторы.
Исследования,
проводившиеся
по
изучению
взаимодействия генов, показали наличие генов двух типов. Одни
гены определяют развитие признака или свойства, а другие, не
определяя сами развитие этого признака, усиливают или
ослабляют действие основного гена. Такие гены были названы
гены модификаторы. Наглядным примером действия генов
модификаторов может служить пегая окраска шерстного покрова
у крупного рогатого скота, когда у одних особей развиваются
крупные пятна, а у других небольшие. Размер пятен зависит от
наличия генов модификаторов и от их числа.
11. Пенетрантность и экспрессивность генов.
В 1925 г. Н.В. Тимофеевым-Ресовским в научную
литературу были введены два понятия пенетрантность и
экспрессивность (рис. 7.10). Под понятием пенетрантности
понимают наблюдаемые различия в группе одинаковых по
генотипу особей по проявлению исследуемого признака.
Например, у дрозофилы есть ген vg (vestigial), детерминирующий
зачаточные крылья и жужальцы. Гомозиготные по этому гену
особи (vgvg) четче проявляют этот признак при понижении
температуры. Поэтому при колебаниях температуры разные
особи его проявляют по-разному. Пенетрантность определяется
долей особей, проявляющих определенный признак, среди всех
особей одинакового генотипа в опыте. Одновременно у особей,
87
имеющих изучаемый признак, он может быть выражен в большей
или меньшей степени. Это и есть экспрессивность, описывающая
в количественных значениях степень варьирования изучаемого
признака.
Рисунок 7.10 Схема, поясняющая варьирование экспрессивности и
пенетрантности признака. (Инге-Вечтомов, 1989, с.53).
12. Норма реакции.
Открытие пенетрантности и экспрессивности доказывает влияние
условий, в которых развивается организм, на проявление
определенных признаков и свойств этого организма. При этом
одни организмы сильнее реагируют на изменение внешних
условий, другие слабее. Естественно, что это прежде всего
зависит от генотипа определенного организма, от действия генов
в определенных средовых условиях. Реакция организма на
варьирующие условия внешней среды получила название нормы
реакции. Это очень важный показатель, особенно в селекционной
практике. Действительно, для ряда условий (южная засушливая
степь) необходимо создавать сорта растений с широкой нормой
реакции, а для других (сорта для теплиц с четко контролируемым
климатом) с узкой нормой реакции.
13. Ключевые слова и понятия
ген-ингибитор
ген-модификатор
88
ген-супрессор
доминантный эпистаз
комплементарное
взаимодействие генов
криптомерия
норма реакции
пенетрантность
плейотропия
полимерия
супрессия
трансгрессия
экспрессивность гена
эпистаз
89
Лекция 8. ХРОМОСОМНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛА.
Половые хромосомы. – Соотношение полов в природе. – Наследование
признаков, сцепленных с полом. – Наследование, сцепленное с полом, у
человека. – Нерасхождение Х-хромосом. – Балансовая теория определения пола.
– Нерасхождение хромосом у человека. – Наследование признаков,
ограниченных полом и зависимых от пола. – Практическое использование
признаков, сцепленных с полом. – Ключевые слова и понятия.
1. Половые хромосомы.
Большинство живых организмов нашей планеты
размножаются половым путем. Отсюда интерес, который
проявился учеными для объяснения генетических основ
определения пола и соотношения полов (мужского и женского) в
природе.
Было показано, что у насекомых, животных, человека и
некоторых растений существуют специфические хромосомы,
определяющие пол особи. Эти хромосомы получили название
половых, а все остальные хромосомы – аутосом. При этом у
подавляющего числа организмов клетки женских особей имеют
две одинаковые (морфологически) половые хромосомы, а клетки
мужских особей разные, одна из которых полностью
соответствует половым хромосомам женской особи. Естественно,
что в результате в половые гаметы (яйцеклетки) женской особи
попадают одинаковые половые хромосомы, а в мужские половые
гаметы
(сперматозоиды, спермии) – разные. Отсюда и
определение у подобных организмов женского пола, как
гомогаметный (гаметы по половым хромосомам похожи), а
мужского, как гетерогаметный (гаметы несут разные половые
хромосомы).
―Женские― половые хромосомы были обозначены как Х –
хромосомы, а мужские как Y (Э.Вильсон, 1905г.). Следовательно,
женские гомогаметные особи несут две Х хромосомы (ХХ), а
мужские, являясь гетерогаметными Х и Y хромосомы (ХY) (рис.
8.1). Подобное хромосомное определение пола было установлено
у человека, всех видов млекопитающих, дрозофилы и некоторых
видов растений (конопля, дрема, щавель и др.).
90
Рисунок 8.1. Самка и самец дрозофилы и их хромосомные наборы. Х и
У – половые хромосомы. (Baur, 1930, p. 175).
Наряду с этим оказалось, что у птиц, бабочек и некоторых
растений (земляника) гомогаметным является мужской пол (ZZ),
а гетерогаметным – женский (ZW). Третий тип определения пола
был описан у кузнечика и многих видов полужесткокрылых
(Hemiptera), прямокрылых (Orthotera). У них самки гомогаметны
и несут две Х- хромосомы (ХХ), а вот самцы, несут только одну
Х-хромосому (ХО). И, наконец, у мхов в клетках женских особей
присутствует одна Х-хромосома, а мужских – одна Y-хромосома.
Во всех, вышеописанных случаях, женские хромосомы по
размерам больше мужских.
Большинство видов растений являются однодомными. У
них в одном цветке образуются мужские и женские половые
органы и одновременно формируются мужские и женские
гаметы. И независимо от вида опыления (самоопыление или
перекрестное опыление) такие формы получили название
гермафродитных форм. Впервые половые хромосомы у растений
91
были открыты Алленом (1919), изучавшим печеночный мох
(Sphaerocarpus donnellii). Позднее половые хромосомы были
описаны у дремы, щавля, элонии, конопли и хмеля.
Определение
пола
особи
происходит
при
оплодотворении, что видно из следующей схемы:
а. Р1 женская особъ (ХХ)
Гаметы
Х
х
Х
Х
F1
XX
самка
в. Р1 женская особь (ZW)
Гаметы
Р2 мужская особъ (ХY)
Z
Y
XY
самец
х
Р2 мужская особь (ZZ)
W
Z
Z
F1
ZZ
самец
с. Р1 женская особь (ХХ)
Гаметы
F1
Х
WZ
самка
х
Х
Р2 мужская особь (ХО)
Х
ХХ
женская особь
О
ХО
мужская особь
И, наконец, интересно определение пола у пчел и муравьев. У
этих насекомых нет половых хромосом. Самки – диплоидные
особи и развиваются из оплодотворенных яиц, а самцы (трутни у
пчел) из неоплодотворенных:
92
пчела (2n=32)
трутень (n=16)
гаметы
n=16
n=16
х
n=16
неоплодотв.
↓
трутень
2n=32
(n=16)
пчела
Следует иметь в виду, что в процессе сперматогенеза у
трутней не происходит редукции числа хромосом.
2. Сотношение полов в природе.
Величина, получаемая от деления числа самцов на число
самок, называется отношением полов. Эта величина у
большинства организмов приблизительно равна 1 (табл. 8.1).
Таблица 8.1.
Частота рождающихся особей мужского пола у разных
организмов (Лобашов, 1967).
Организм
Человек
Лошадь
Осел
Овца
Свинья
Собака
Мышь
Курица
Утка
Голубь
%
51
52
49
49
52
56
50
49
50
50
Как видно из приведенных в таблице 8.1 данных, в природе
рождаются в равных количествах у каждого вида особи мужского
и женского пола. Это соотношение определяется хромосомным
механизмом определения пола, что хорошо видно на приводимой
схеме:
93
♀ХХ
Гаметы
х
♂ХY
Х
½X +
½Y
½ ♀ XX
½ ♂ XY
С возрастом соотношение между полами изменяется. Это
объясняется тем, что, практически, у всех эукариот эволюционно
сложилось положение, что мужские особи менее самок
устойчивы к неблагоприятным факторам внешней среды,
стрессам и различным катаклизмам. Это положение хорошо
иллюстрирует данные по соотношению мужских и женских
особей в человеческой популяции. По М.Е.Лобашову (1967) в
детском возрасте соотношение мальчиков и девочек выражается
цифрами 103:100, в юношеском 100:100, в 50-летнем возрасте
уже как 85:100, а в 85-летнем возрасте 50:100.
Подобные процессы наблюдаются и в популяциях
двудомных растений. Так, в опытах со щавелем (ВНИИССОК)
были высеяны мужские и женские растения в соотношении 1:1, а
через 2 года это соотношение составило 1:13.
У организмов (пчелы, муравьи и др.), где доля самок
зависит от числа оплодотворенных яиц, соотношение отличается
от 1. Подобное наблюдается и у организмов, у которых пол
определяется внешними условиями (эпигамное определение
пола). Например, у морского червя Bonellia. Дело в том, что если
личинка морского червя плавает свободно, она развивается в
самку. Но если она прикрепляется к телу взрослой самки, то под
действием гормонов из нее развивается самец.
3. Наследование признаков, сцепленных с полом.
Открытием связи определенных генов с определенными
хромосомами, мир обязан американскому генетику Т.Моргану и
его сотруднику К.Бриджесу. В качестве объекта исследований
они использовали дрозофилу (Drosophila melanogaster). В
скрещивания вовлекались линии дикого типа с красными глазами
и мутантная линия с белыми глазами. Полученные ими
94
результаты противоречили ожидаемым, на основе менделевских
законов (рис. 8.2, 8.3).
Рисунок 8.2. Сцепленное с полом наследование у дрозофилы. Скрещивание
красноглазой самки с белоглазым самцом. Показано наследование половых
хромосом, содержащих сцепленные с полом гены W и w от родителей до F2.
Слева – самки, справа – самцы. (из Моргана, Стертеванта, Меллера и Бриджеса
– по Синнот, Денн, 1934, с. 137).
95
Рисунок 8.3. Сцепленное с полом наследование у дрозофилы.
Скрещивание белоглазой самки с красноглазым самцом. Слева – самки,
справа – самцы. (из Моргана, Стертеванта, Меллера и Бриджеса – по
Синнот, Денн, 1934, с. 138).
96
Как видно из рис. 8.2 при скрещивании красноглазой
самки с белоглазым самцом, все мухи F1 (и самцы, и самки) были
красноглазыми. А вот в F2 все самки были красноглазыми,
красноглазыми же была половина самцов (50%), а вторая
половина самцов была белоглазыми. Скрещивание белоглазых
самцов F2 с белоглазыми самками показало, что самцы не несли
гена красной окраски. А вот скрещивание красноглазых самок F2
с белоглазыми самцами показало, что ½ их часть являются
гомозиготными по гену красной окраски (WW), а ½
гетерозиготными (Ww), т.е. несет аллель белоглазости – w.
При скрещивании белоглазой самки с красноглазым
самцом (рис. 8.3) результаты были иными. В F1 все самки были
красноглазыми, а самцы белоглазыми. В F2 50% самцов и самок
были красноглазыми, а 50% - белоглазыми. Все белоглазые мухи
F2 (самцы и самки) в потомстве не давали красноглазых особей,
красноглазые самцы также давали чистое потомство, а вот все
красноглазые самки были гетерозиготными (Ww).
Т.Морган предположил, что эти результаты могут быть
объяснены только, если принять постулат, что ген цвета глаз
(W/w) у дрозофилы расположен в Х-хромосоме, а вот Yхромосома этого гена не несет. Многократное повторение
подобных
экспериментов
полностью
подтвердило
предположение Т. Моргана и, следовательно, показало
сцепленность генов, детерминирующих красную и белую окраску
глаз дрозофилы с полом.
И еще одно. Самки получают по одной Х-хромосоме как
от матери, так и от отца и, в свою очередь, передают эти
хромосомы сыновьям и дочерям. В то же время самцы получают
Х-хромосому от матери и передают ее только дочерям. Поэтому
гены, находящиеся в Х-хромосомах самца попадают к внукам
только через дочерей. Подобное наследование получило название
―наследование крест-накрест‖ (criss-cross inheritance). Если ген в
клетке находится в одной дозе (ген W у самцов), то такое
положение получило название гемизиготное состояние гена.
У кур, бабочек, и других видов, у которых женские особи
являются гетерогаметными, а мужские – гомогаметными,
наследование признаков, сцепленных с полом происходит, как
показано на приведенных ниже схемах.
97
На схемах приведено наследование рябого оперения у
кур. Рябое оперение (ген В) доминирует над нерябым (ген b).
Р1
Рябой петух
курица
ZB ZB
Гаметы
ZB
F2 ZBZB
Р2
Zb
ZB Zb
Рябые петухи
W
ZB W
Рябые курицы
Zb
Рябой петух
(гомозиготный
по гену В)
Нерябая
Zb W
ZB
Гаметы
F1
Схема 1.
x
ZB
ZBZb
Рябой петух
(гетерозиготный)
98
W
ZBW
ZbW
Рябая курица
Нерябая курица
Р1
b
b
Z Z
Нерябой петух
Схема 2.
х
Р2 ZB W
Рябая курица
Гаметы Zb
ZB
W
ZB Zb
Рябые петушки
Гаметы
ZB
Zb
Zb W
Нерябые курочки
F2 ZB Zb
ZB W
F1
Zb
Zb Zb
W
Zb W
Рябые Нерябые
Рябые
Нерябые
петушки петушки
курочки
курочки
Хромосома W, по-видимому, идентична хромосоме Y и
получила название пустая.
3. Наследование, сцепленное с полом у человека.
Хромосомное определение пола у человека идентично
таковому у дрозофилы и осуществляется по следующей схеме:
Женщина
Мужчина
2n=46 (44 аут.+ХХ)
2n=46 (44 аут.+Х+Y)
Яйцеклетки
22+Х
22+Х сперматозо22+Y иды
44+Х+Х
44+Х+Y
девочки
мальчики
Естественно, что у человека никто не проводил искусственных
скрещиваний, однако анализ родословных* с ориентацией на
вышеприведенную
схему,
позволил
выявить
_______________________________________________________
* Характер распределения наследственных признаков в семьях.
99
100
Рисунок 8.4. Генеалогическое древо царствовавших семей Европы, иллюстрирующая наследование гена
гемофилии, локализованного в Х-хромосоме (Дубинин, 1976, с. 146)
гены, находящиеся в Х-хромосомах и наследующиеся по
половому признаку. При обсуждении вопроса о наследовании
признаков, сцепленных с Х хромосомой следует иметь ввиду, что
они (признаки) могут быть либо доминантными, либо
рецессивными. При этом женщина с двумя Х хромосомами
может быть или гомозиготной по мутантному гену, или
гетерозиготной. При этом у гетерозиготных особей рецессивный
мутантный ген не проявляется. А вот мужчины имеют только
одну Х хромосому. Поэтому у них проявляются как
доминантные, так и рецессивные мутантные гены. И еще одно.
По мужской линии, т.е. от отца к сыну, гены, находящиеся в Х
хромосоме не могут быть переданы, о чем говорилось выше.
Одним из классических примеров наследования
сцепленного с полом признака,
является наследование
рецессивного гена гемофилии A среди монарших домов Европы
(рис. 8.4). Носительницей гена гемофилии была английская
королева Виктория. Мутация гена, по-видимому, произошла в
половых клетках ее родителей или у нее. Об этом говорит факт
отсутствия больных среди ее предков и родственников. От
королевы Виктории ген гемофилии унаследовали испанские
принцы и сын Николая II – царевич Алексей. У женщины
гемофилия может проявиться только в случае ее гомозиготности
по рецессивному гену, т.е. в случае получения гена гемофилии от
каждого из родителей. Но подобная ситуация встречается крайне
редко. Подобным же образом наследуется и ген дальтонизма (rg).
Примером доминантного признака, сцепленного с Х
хромосомой, может быть гипофосфатимический рахит. Это
рахит не поддающийся лечению витамином D. Ген, вызывающий
этот тип рахита, мужчины и женщины передают потомству таким
же образом как и любой из аутосомно-доминантных признаков. В
целом же у человека описано около 60 признаков, сцепленных с
Ххромосомой.
Большинство
из
них
детерминируются
рецессивными генами и связаны с различными патологиями.
101
4. Нерасхождение Х-хромосом.
Как уже говорилось выше, при скрещивании белоглазых
самок дрозофилы с красноглазыми самцами в F1 все самки были
красноглазыми, а самцы белоглазыми. Однако, редко, не чаще
одного раза на 2000 случаев, в таких скрещиваниях появляются
исключительно белоглазые самки и красноглазые самцы. Эти
случаи были детально исследованы К.Бриджесом (1916 г.),
который показал, что данные отклонения объясняются
нарушениями мейоза и связаны с нерасхождением Х хромосом.
Результатом является образование яйцеклеток с двумя Ххромосомами и яйцеклеток вообще без Х-хромосом (рис. 8.5).
При оплодотворении этих яйцеклеток спермиями с Х и Y
хромосомами возможно образование четырех типов зигот: с
тремя Х-хромосомами (обычно погибают), с одной отцовской Ххромосомой, с двумя материнскими Х-хромосомами и одной Y
хромосомой и одной Y хромосомой (всегда погибают). Из зигот с
одной отцовской Х хромосомой развиваются красноглазые самцы
(стерильны), а из зигот с двумя материнскими Х хромосомами и
Y хромосомой – белоглазые самки (фертильны).
Фертильность самок с двумя Х хромосомами и одной Y
хромосомой, позволила К.Бриджесу продолжать эксперименты.
Он скрещивал таких самок с нормальными красноглазыми
самцами (рис. 8.6). В результате, как можно видеть на рис. 8.6,
происходит образование восьми типов зигот: 1 – с двумя Х
хромосомами (материнская и отцовская), из которых в
дальнейшем развиваются нормальные красноглазые самки; 2 – с
двумя Х хромосомами (материнская и отцовская) и одной Y
хромосомой (от белоглазой самки), из которых развиваются
красноглазые самки; 3 – c тремя Х хромосомами (две от матери и
одна от отца), такие зиготы обычно погибают; 4 – с одной Х
хромосомой (отцовской) и Y хромосомой от белоглазой матери,
из них развиваются красноглазые самцы (4%); 5 – с одной Х
хромосомой (материнской) и Y хромосомой отцовской, из
которых развиваются белоглазые самцы; 6 – с одной Х
хромосомой (материнской) и двумя Y хромосомами (материнская
102
Рисунок 8.5. Первичное нерасхождение Х-хромосом у дрозофилы. В левой
части рисунка для сравнения изображены результаты правильного расхождения
(Айала, Кайгер, 1987, т.1, с. 71).
103
Рисунок 8.6. Вторичное нерасхождение Х-хромосом у дрозофилы (Айала,
Кайгер, 1987, т. 1, с. 73).
и отцовская), из которых развиваются белоглазые самцы; 7 – с
двумя материнскими Х хромосомами и одной Y хромосомой, из
которых развиваются белоглазые самки в количестве 4%; 8 – с
двумя Y хромосомами (материнская и отцовская), такие зиготы
всегда летальны. Здесь интерес представляют 4% белоглазых
104
самок, которые обязаны своим происхождением вторичному
нерасхождению Х хромосом. При этом частота появления таких
мух, а следовательно вторичное нерасхождение Х хромосом
происходит с частотой 1:25, т.е. в 100 раз чаще, чем первичное
нерасхождение (1:2000). Это является свидетельством того, что
процесс
нерасхождения
Х
хромосом
генетически
детерминирован.
Однако нерасхождение Х хромосом у дрозофилы может
быть и результатом физического их сцепления. Это явление было
открыто Лилиан Морган в 1922г., изучавшей наследование цвета
тела. У мутантов дрозофилы желтый цвет тела определяется
аллелем у (yellow), находящимся в Х хромосоме. Этот ген
рецессивен по отношению к гену дикого типа у+ (серое тело).
Л.Морган при скрещивании некоторых мутантных (ген у) самок с
нормальными по окраске самцами (ген у+) получала потомство,
состоявшее всегда из дочерей с желтым телом и сыновей с
нормальной окраской тела (рис. 8.7). Эта особенность матерей
сохранялась и дочерьми. Цитологический анализ показал, что
клетки найденных Л.Морган самок содержали по две
соединенных одной центромерой Х хромосомы и одну Y
хромосому. При этом нерасхождение хромосом наблюдалось в
100% случаев.
♀ Хy XyY
желтое тело
Гаметы
♂ Xy+ Y
дикий тип
х
XyXy Y
F1 ♀Xy Xy Xy+
обычно погибают
Рисунок 8.7.
дрозофилы.
Xy+
Y
♀ Xy Xy Y
♂ Xy+ Y
♂YY
желтое тело
дикий тип
погибают
Результат
физического
105
сцепления
Х-хромосом
у
5. Балансовая теория определения пола.
Основанием для создания балансовой теории определения
пола послужили опыты Р.Гольдшмидта (1911 г.) с непарным
шелкопрядом (Lymantria dispar и L.japonica) и К.Бриджеса (1916
г.) с дрозофилой. В их опытах были получены серии переходных
форм от женских к мужским особям (интерсексы). Здесь
интересен тот факт, что у непарного шелкопряда гомогаметны
самцы (ZZ), а у дрозофилы – самки (ХХ).
К.Бриджисом было показано, что у дрозофилы на
выраженность пола оказывает влияние отношение числа Х
хромосом в организме к числу наборов аутосом (табл. 8.2).
Таблица 8.2.
Определение пола у Drosophila nolanogaster
(Айала, Кайгер, 1987).
Число Х
хромосом
Число наборов
аутосом (А)
Индекс (Х:А)
3
2
2
2
1,5
1
2
1
3
2
0,67
0,5
1
3
0,33
Фенотип
Суперсамка
Нормальная
самка
Интерсекс
Нормальный
самец
Суперсамец
У дрозофилы, однако, показано, что кроме соотношения числа Х
хромосом и наборов аутосом, на пол влияет ряд генов, которые
находятся в аутосомах.
Определенное
подтверждение
балансовая
теория
получила при изучении половых хромосом и фенотипа цветка у
дремы (табл. 8.3). У человека же обязательное условие
принадлежности к мужскому полу – наличие Y-хромосомы.
106
6. Нерасхождение хромосом у человека.
Нерасхождение как половых, так и аутосом встречается и
у человека. Все эти случаи отклонения от нормы приводят к
патологиям. В таблице 8.4 приведены результаты нерасхождения
половых хромосом.
Таблица 8.3.
Соотношение половых хромосом и фенотип
цветка у дремы (М.Е.Лобашова, 1967).
2А
2А
2А
3А
4А
4А
Набор
Половых
хромосом
ХХ
XYY
XY
XY
XY
XXYY
2А
3А
4А
4А
XXY
XXY
XXY
XXXXYY
4А
XXXXY
Аутосом
Индекс
X:Y
Пол цветка
0.0
0.5
женский
мужской
1.0
мужской
2.0
мужской
(встречаются
гермофродитные)
4.0
гермофродитный
(встречается
мужской)
107
Таблица 8.4.
Результат нерасхождения Х-хромосом у человека
(Фогель, Мотульский, 1989, с сокращениями)
Кариотип
XXY
XXXY
XXX
XO
Фенотип
Синдром Клайнфельтера*
Вариант
синдрома
Клайнфельтера
Легкая олигофрения
Синдром Тернера**
Частота
1:700 мужчин
1:2500 мужчин
1:1000 женщин
1:2500 женщин при
рождении
1:800 мужчин
Высокий
рост,
аномалии
поведения
*Синдром Клайнфельтера: недоразвитие яичек, гинекомастия, очень
длинные ноги, наличие полового хроматина, свойственного
женщинам.
**Синдром Тернера: низкий рост, низкое расположение ушных
раковин, недоразвитие матки и яичников, половой хроматин
отсутствует.
XYY
Что касается аутосом, то наиболее часты случаи
нерасхождения хромосом 21 пары и как результат – синдром
Дауна*. Следует заметить, что на частоту рождения детей с
синдромом Дауна оказывает возраст матери.(рис.8.8).
Рисунок 8.8. Распределение по возрасту матерей, у которых родились
дети с синдромом Дауна. I – общее распределение, II – распределение
при синдроме Дауна (Маккьюсик, 1967, с. 38).
_______________________________________________________
* Синдром Дауна: умственная отсталость, характерный разрез глаз, аномалии
сердца, короткие и короткопалые руки и ноги.
108
7. Наследование признаков, ограниченных полом и
зависимых от пола.
Признаками, ограниченными полом, называют признаки,
которые проявляются только у определенного пола. При этом
гены, детерминирующие развитие этих признаков могут
находиться как в половых хромосомах, так и в аутосомах.
Примерами подобных признаков являются молочность и
жирность молока коров и яйценосность кур. Гены,
детерминирующие эти признаки, несут как самки, так и самцы.
Но проявляются признаки только у одного из полов (в данном
случае – женского).
Пол (половые гормоны) оказывает влияние на доминирование
некоторых признаков. Такие признаки называются зависимыми
от пола. Примерами могут быть такие признаки, как развитие
рогов у самцов оленей и некоторых
пород овец, плешивость и борода у человека, развитие гривы у
самцов льва и т.п. Например, у дарсецкой породы овец развитие
рогов определяется доминантным геном Н, а отсутствие рецессивным h Однако ген Н доминантен по отношению к
аллелю h только у самцов. Поэтому у гетерозиготных самцов
(Hh) всегда развиваются рога, а гетерозиготные самки (Hh)
всегда безрогие. А вот в гомозиготном состоянии (HH, hh)
эффект генов одинаков у мужского и женского пола.
8. Практическое использование признаков, сцепленных с
полом.
Признаки, сцепленные с полом, у ряда организмов
успешно используются в хозяйственной деятельности.
Примерами могут служить методы разделения однодневных
петушков и курочек, а также разработанный В.А.Струнниковым
метод разделения грены (яйца) тутового шелкопряда на
мужской и женский пол, что очень важно, т.к. выход шелка из
коконов самцов на 30% выше, чем из коконов самок (рис. 8.9).
109
9. Ключевые слова и понятия.
аутосомы
балансовая теория пола
гемизиготный ген
гермафродитные формы
гетерогаметный пол
гомогаметный пол
наследование крест на
крест
наследование, сцепленное с
полом
нерасхождение хромосом
признаки, зависимые от
пола
признаки,
ограниченные
полом
соотношение полов
хромосомы
половые
Рисунок 8.9. Схема наследования сцепленного с полом признака
окраски грены у тутового шелкопряда. А – ген светлой окраски грены,
а – ген темной окраски грены. (Лобашев, 1967, с. 200).
110
Лекция 9. СЦЕПЛЕННОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ ГЕНОВ И
КРОССИНГОВЕР
Сцепление генов. – Кроссинговер. – Линейное расположение генов в
хромосоме. – Построение генетических карт. – Сопоставление генетических и
цитологических карт дрозофилы. – Ключевые слова и понятия.
1.Сцепление генов
В первые годы после переоткрытия законов Менделя
было проведено огромное число экспериментов и, в целом,
выводы Менделя подтвердились. Параллельно шло изучение
процессов митоза, мейоза и распределения числа хромосом по
гаметам и зиготам. Сопоставление результатов генетических и
цитологических экспериментов привело к тому, что независимо
друг от друга два исследователя У .Сетонн (США, 1902-1903 гг)
и Т. Бовери (Германия, 1902-1907 гг.) выдвинули гипотезу, что
гены расположены в хромосомах. Эта идея и положила начало
хромосомной теории наследственности. Но если это так, то и
возможно предположить, что какие-то из генов могут
наследоваться вместе. Это предположение было подтверждено
экспериментальным открытием явления сцепления генов. Честь
этого открытия принадлежит английским генетикам У. Бэтсону и
Р. Пеннету (1906), проводившим изучение наследования
признаков у душистого горошка. При этом изучали наследование
признаков: пурпурные цветки (Р), красные цветки (p),
удлиненная пыльца (L), круглая пыльца (l).
Было проведено два типа скрещивания:
А.
Р1
РРLL
(пурпурные цветки,
удлиненная пыльца)
F1
Численность
особей в F2
х
↓
Р2
ррll
(красные цветки,
круглая пыльца)
↓
Ll Pp
(пурпурные цветки, удлиненная пыльца)
↓
пурпурные пурпурные красные
красные
цветки,
цветки,
удлиненная круглая
пыльца
пыльца
4831
390
111
цветки,
удлиненная
пыльца
393
цветки,
круглая
пыльца
1338
Б.
Р1
F1
Численность
особей в F2
РРll
х
Р2
ррLL
↓
РрLl
(пурпурные цветки,
удлиненная пыльца)
↓
пурпурные
пурпурные красные
цветки,
цветки,
цветки,
удлиненная круглая
удлиненная
пыльца
пыльца
пыльца
226
95
97
красные
цветки,
круглая
пыльца
1
И если результаты, полученные в F1 полностью соответствовали
ожидаемым, то в F2 и в том и другом скрещивании, результаты
отличались
от
ожидаемых, исходя
из
менделевских
закономерностей: 9/16 : 3/16 : 3/16 : 1/16. Отсюда был сделан
вывод, что растения F1 продуцируют гаметы с различными
сочетаниями генов не в равных количествах, а преимущественно
родительских типов. То есть, здесь нет независимого
наследования генов. В дальнейшем подобные типы наследования
генов были открыты у дрозофилы (Т.Морган с сотрудниками),
кукурузы (Гетчинсон) и других организмов. При этом
исследователи начали использовать анализирующие скрещивания
для определения типа и частот образуемых гамет первым
гибридным поколением (F1). Идеология проведения подобных
экспериментов хорошо видна из опытов с кукурузой (рис. 9.1).
112
Рисунок 9.1. Схема, показывающая наследование хромосом,
содержащих сцепленные гены у кукурузы (Гетчинсон, по Синнот и
Денн, 1934, с. 155).
Из приведенной на рис. 9.1 схемы, хорошо видно, что в FВC
преобладают (96.4%) растения, несущие гены идентичные генам
Р1 и Р2, а вот новые сочетания генов С/c и S/s выявлены только у
113
3.6% особей. Этот результат мог быть объяснен, как результат
процесса взаимного обмена участками гомологичных хромосом в
процессе мейоза, то есть кроссинговером. Особи, возникшие в
3.6% случаев, получили название кроссоверы.
Цитологическое подтверждение гипотезы о роли
кроссинговера в процессах возникновения кроссоверов было
получено в опытах Г.Крейтона и Б.МакКлинток (1931 г.) (рис.
9.2).
Рисунок 9.2. Цитологические доказательства кроссинговера у кукурузы:
с+-окрашенный эндосперм, с – неокрашенный эндосперм, wx+ крахмалистый эндосперм, wx – восковидный эндосперм (Лобашев,
1967, с. 256).
Дело в том, что у кукурузы на некоторых хромосомах имеются
утолщения (узелки), получившие название ―knobs‖. Благодаря им
под микроскопом хромосомы кукурузы хорошо различимы. Как
114
видно из рис. 9.2 Г. Крейтон и Б. Мак Клинток имели дело с
формой кукурузы (Р1), у которой 9-я пара хромосом была
гетероморфной: одна хромосома нормальная, а вторая имела на
одном плече ‖knobs‖, а второе плечо было длиннее нормы. При
этом нормальная хромосома несла доминантный ген – wx+
(крахмалистый эндосперм) и рецессивный – с (неокрашенный
эндосперм), а измененная – ген wx (восковидный эндосперм) и
доминантный ген с+ (окрашенный эндосперм). Скрещивание этой
формы с формой имеющей нормальную 9-ую хромосому и
гомозиготной по рецессивным генам wx и с, позволило получить
FB*, в котором фенотипически хорошо выявлялись некроссоверы
и кроссоверы. Анализ хромосом у этих форм, в свою очередь,
подтвердил факт получения кроссоверов в результате
кроссинговера.
Таким образом, все вышеизложенное доказывает, что гены,
находящиеся в одной хромосоме, наследуются вместе и образуют
группу сцепления. Число групп сцепления у каждого
гомозиготного организма равно гаплоидному числу его
хромосом. Если сцепленные доминантные гены находятся в
одной хромосоме, то это обозначается, как фаза притяжения
(цис-положение), а если в разных, то как фаза отталкивания
(транс-положение).
2. Кроссинговер.
В связи с тем, что перекомбинация генов, находящихся в
одной хромосоме (сцепленных генов), обязана процессу
кроссинговера, последний представляет собой важное событие с
генетической точки зрения. Как было показано в лекции 3
кроссинговер происходит в профазе мейоза I. При этом имеет
место обмен гомологичными участками между хроматидами
сестринских (гомологичных) хромосом.
Различают такие типы кроссинговера как одинарный, двойной и
множественный. На приводимой ниже схеме показаны два типа
кроссинговера (рис. 9.3 ).
________________________________________________________________
* FB – беккроссное потомство (поколение)
115
А
А
Б
В
А
а
В
b
а
b
А
В
b
А
а
А
А
В
В
а
b
а
b
В
А
С
а
с
с
b
В
а
b
b
А
С
В
А
а
В
а
А
b
С
С
с
В
а
b
А
В
А
b
а
В
с
а
b
с
С
С
с
Рисунок 9.3 Схема одинарного (А) и двойного (В) кроссинговера.
Возможны и более сложные случаи обмена участками хроматид,
но для генетических исследований перекомбинации генов
используются эти два типа кроссинговера. Здесь следует
отметить, что при этих типах кроссинговера происходит обмен
равными участками хроматид с равным числом генов. Однако
встречаются (довольно редко!) случаи, когда происходит разрыв
хроматид в неидентичных точках и как следствие – обмен
неравными их частями (рис.9. 4).
116
Рисунок 9.4. Схема неравного кроссинговера в районе Bar Х-хромосомы
дрозофилы: В – ген Bar, f+ -нормальные щетинки, fu+ - нормальные
жилки, f – вильчатые щетинки, fu – слившиеся жилки крыловой
пластинки; 1, 4 - некроссоверные хромосомы; 2, 3 – кроссоверные
хромосомы.
Такой тип кроссинговера получил название неравный
кроссинговер. Часто он приводит к удвоению определенных
генных локусов или их нехватке, как показано на рисунке ...
Описан также соматический кроссинговер, который происходит
между хроматидами гомологичных хромосом на начальных
стадиях мейоза.
На частоту кроссинговера оказывают влияние такие
факторы, как-то генотип особи, пол, возраст особи, наличие
дополнительных хромосом, мутации хромосом, условия среды,
при которых развивается организм и др.
3. Линейное расположение генов в хромосоме.
Многочисленные опыты по изучению кроссинговера у
дрозофилы, проводившиеся в лаборатории Т.Моргана, не только
окончательно обосновали факт нахождения генов в хромосомах,
но и, что не менее важно, позволили установить, как гены
располагаются в хромосомах. Честь этого открытия принадлежит
А.Стертеванту, который и предложил гипотезу о линейном
117
расположении генов. При этом он исходил из предположения,
что при таком расположении генов по хромосоме, чем дальше
один ген расположен от другого, тем чаще между ними
происходит кроссинговер. Отсюда частота (%) кроссоверов с
учетом близлежащих генов значительно меньше, чем более
удаленных друг от друга. Это положение хорошо иллюстрируют
опыты А.Стертеванта с дрозофилой, в которых проводили
скрещивание мух, различавшихся по трем генам (трехфакторное
скрещивание), локализованным в Х-хромосоме.
Гомозиготную по трем рецессивным мутантным генам у
(желтое тело), w (белые глаза) и bi ( вильчатые крылья) самку
скрещивали с самцом дикого типа (серое тело, красные глаза,
нормальные крылья):
♀
♂
Гетерозиготных самок F1 скрещивали с гомозиготными по
изучавшимся рецессивным генам самцами (анализирующее
скрещивание):
♀
♂
В результате было получено потомство из 1218 мух
(учитывались сыны и дочери по материнской Х-хромосоме)
следующего типа:
118
Если за меру расстояния брать частоту рекомбинации*, то
эти три гена на карте должны быть расположены следующим
образом:
__________________________________________________________________
*В настоящее время единица расстояния между генами равная 1% перекреста в
генетической литературе получила название ―сантиморган‖ (от англ. centi
Morgan) и обозначается cM.
119
В данном примере учитывались только одиночные
обмены между генами. Однако в случае двойного кроссинговера,
число кроссоверных генотипов определенным образом
возрастает. Это хорошо видно на следующем примере. У
кукурузы на 2-й хромосоме располагаются три гена: lg1
(отсутствие лигулы у листьев), gl2 (листья проростков глянцевые)
и v4 (всходы светложелтые, постепенно зеленеющие). При
скрещивании растения с тремя рецессивными генами с
нормальным растением (генотип Lg1Gl2V4) в F1 получено
Таблица 9.1.
Расщепление в потомстве тригибридов кукурузы со сцепленными
генами при анализирующем скрещивании (Bianchi., 1962).
Гаметы
Генотип зигот
Число
особей
Некроссоверы
Lg1Gl2V4
Lg1Gl2V4 / lg1gl2v4
71
lg1gl2v4
lg1gl2v4 / lg1gl2v4
67
Кроссинговер
между Lg1 и
Gl2
Lg1gl2v4
Lg1gl2v4 / lg1gl2v4
18
%
138
50,5
13,2
36
lg1Gl2V4
Кроссинговер
между Gl2 и V4
Lg1Gl2v4
lg1Gl2V4 / lg1gl2v4
18
Lg1Gl2v4 / lg1gl2v4
46
lg1gl2V4
Кроссинговер
между Lg1 и
Gl2,
между Gl2 и V4
Lg1gl2V4
lg1gl2V4 / lg1gl2v4
43
Lg1gl2V4 / lg1gl2v4
3
lg1Gl2v4
lg1Gl2v4 / lg1gl2v4
7
89
10
Всего потомков
273
120
32,6
3,7
нормальное потомство, у которого листья имели лигулу и на них
нормально развивался восковой налет, а всходы были зелеными.
При скрещивании F1 с растением гомозиготным по всем трем
рецессивным генам было получено 8 типов потомков (табл. 9.1).
Исходя из приведенных данных, можно рассчитать частоты
рекомбинаций между генами, которые определяются частотами
кроссинговера между каждой парой генов.
Lg1 и Gl2 [(36+10):273] x 100=16,8%
Gl2 и V4 [(89+10):273] x 100 =36,3%
Lg1 и V4 [(36+89):273] x 100= 45,8%
Следует обратить внимание на класс растений, имевших в
F1 хромосомы с генами Lg1gl2V4 и lg1Gl2v4. Так как гены
располагаются линейно, то такой тип хромосом мог образоваться
только при двойном кроссинговере. Это самый редкий класс из
всех рекомбинантов, полученных в опыте. Его частота сотавила
10 : 273 = 0.037(3.7%). Он возникает только в результате
двойного кроссинговера:
Lg1
Lg1
gl2
V4
v4
Gl2
Однако его частота меньше теоретически ожидаемой,
которая может быть вычислена следующим образом. Частота
рекомбинации между генами Gl2 и Lg1 составила 0,168, а между
Gl2 и V4–0,363. Следовательно, частота рекомбинантного класса в
результате двойного кроссинговера должна составить 0,168 х
0,363 = 0,061(6,1%), что значительно выше (на 2,4%) реальной.
Такое расхождение между теоретически рассчитанной частотой и
фактической обязано феномену, получившему название
интерференция. Он заключается в том, что если между близко
лежащими генами уже произошел разрыв, то вторично в этом же
месте он маловероятен. Интерференция явилась причиной и того,
что расстояние между генами Lg1 и V4 в нашем примере меньше,
чем сумма расстояний между генами Lg1 - Gl2 и Gl2 - V4 на 7,3 сМ.
121
Статистически величина интерференции в каждом
конкретном случае оценивается по формуле I=1-C, где Cкоэффициент совпадения (коинциденции) вычисляемый, как
отношение наблюдаемой частоты двойных кроссоверов к
теоретически ожидаемой. В нашем примере C = 0,036 : 0,061 =
0,590 и, следовательно, интерференция будет равна 1 – 0,590 =
0,410. При близком расположении генов показатель
интерференции приближается к 1, а при генах, лежащих на
расстоянии более 50сМ к 0.
4. Построение генетических карт.
Генетические карты представляют собой схематические
изображения относительного расположения генов одной группы
сцепления. Для построения генетических карт любого вида
необходимо соблюдение двух принципов:
 число групп сцепления должно соответствовать
гаплоидному числу хромосом;
 гены должны располагаться упорядочено в линейном
порядке по хромосоме, что не должно противоречить
хромосомной теории наследования.
Локализация генов на карте осуществляется последовательным
учетом частот кроссинговера между близкорасположенными
генами. Это дает возможность определить последовательность
расположения генов. Цифры на карте выражает расстояние
каждого из генов от гена , являющегося первым в линейном ряду.
Они (цифры в сМ) вычисляются простым суммированием
промежуточных расстояний. В связи с тем, что на частоту
кроссинговера оказывают влияние внешние факторы, при
построении
генетических
карт
учитывают
результаты
нескольких опытов при тригибридных скрещиваниях и берут
среднюю величину.
122
Рисунок 9.4. Генетическая карта 2-й группы сцепления кукурузы: Арастение с листьями без лигулы и ушек (ген lg1) светложелтого цвета
(v4); Б – зерна с перикарпом шоколадного цвета (ген Ch); В –
недоразвитие воскового налета на листьях проростков (ген gl2); Г –
нормальный восковой налет (ген Gl2); Д – зерна с крахмлистым тусклым
эндоспермом (ген fl1 (Fondazione, Zapparoli, 1968, с.27).
Это хорошо видно, если сравнить данные приведенные на
рис. 9.4 и данные в разобранном выше примере по определению
расстояний:
123
Гены
lg1
gl2
gl2
v4
lg1
v4
Расстояние в сМ по
данным опыта
данным генетической карты
(сМ)
(сМ)
16,8
19,0
36,3
53,0
45,8
72,0
В связи с последовательным суммированием расстояний
между близлежащими генами общая длина карты может в ряде
случаев превышать 100 сМ.
5. Сопоставление генетических и цитологических карт
дрозофилы.
Известно, что у дрозофилы в слюнных железах находятся
гиганские (политенные хромосомы), которые состоят из более
чем 1000 хроматид каждая. При окрашивании на хромосомах
хорошо выделяются эухроматиновые (генетически активные) и
гетерохроматиновые
(генетически
неактивные)
участки.
Большинство известных генов расположены в эухроматических
участках. Приведенное сравнение генетических (построены на
расчетах частот кроссинговера) и цитологических (фотографии
политенных хромосом) карт у особей с мутациями хромосом,
когда отдельные участки определенной хромосомы удваиваются
(дупликации) или, наоборот, утрачиваются (делеции), показало
их относительное совпадение (рис. 9.6).
124
Рисунок 9.6. Сравнение генетических карт I, II и III хромосом
дрозофилы с цитологическими картами этих хромосом в метафазе на
основе данных по транслокациям. Sp – место прикрепления нитей
веретена. Остальными буквами обозначены различные гены. (по
Левитскому из Петров, 1976, с. 101).
125
И еще одно замечание к рис. 9.6. Некоторое несовпадение
физической и генетической карты хромосомы объясняется
варьированием в компактизации хромосом при использовании
различных фиксаторов.
6. Ключевые слова и понятия.
двойной кроссинговер
интерференция
коэффициент коинциденции
кроссоверы
неравный кроссинговер
одинарный кроссинговер
сантиморган
соматический кроссинговер
фаза отталкивания
фаза притяжения
126
Лекция 10. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ
НАСЛЕДСТВЕННОСТИ.
Доказательства генетической роли нуклеионовых кислот. – ДНК
трансформирующий фактор пневмококка. – Нуклеиновые кислоты
наследственный материал вирусов. – Феномен бактериальной трансдукции.
Строение нуклеиновых кислот. – Модель структуры ДНК Уотсона-Крика.
Ключевые слова и понятия.
–
–
–
–
1. Доказательства генетической роли нуклеиновых кислот.
К моменту начала широких исследований молекулярных
основ наследственности генетика прошла более чем полувековой
путь развития. Было показано, что наследственная информация
хранится в генах, которые, в свою очередь, находятся в
хромосомах. Но что представляет собой на уровне молекул сам
ген, как он организован, к началу 50-х годов прошлого века
известно не было. Выдвигались различные гипотезы, но только
гипотезы… Так, например, Н.К.Кольцов (1927) считал, что
хромосома – это большая белковая молекула, присоединяющая к
себе боковые радикалы, которые и представляют собой гены.
Реальные успехи в этом направлении наметились в 50-е годы
прошлого столетия, когда были получены доказательства
генетической роли дезоксирибонуклеиновой и рибонуклеиновой
кислот ( ДНК, РНК ).
1.1 ДНК – трансформирующий фактор пневмококка.
Первыми экспериментами, показавшими связь ДНК с
явлениями передачи наследственной информации были опыты
Д.Гриффитса (1928) со штаммами пневмококков (Diplococcus
pneumonie). Эти бактерии будучи введенными мышам, вызывают
у последних пневмонию, от которой мыши и гибнут. Различают
три штамма пневмококков: IS; IIS и IIIS. При размножении на
искусственной среде среди этих штаммов были обнаружены
мутанты IR; IIR и IIIR, введение которых мышам не приводило к
гибели последних.
Дело в том, что бактерии S штаммов имеют
полисахаридную капсулу, а R – штаммы ее лишены и при
введении в организм мыши уничтожаются лейкоцитами
127
животного. Поэтому, когда Граффитс разрушал нагреванием
капсулу штамма IIIS и вводил его мышам, те оставались живы.
Но когда он ввел штамм IIIS с разрушенной капсулой в смеси со
штаммом IIR, мыши погибли. Ему удалось выделить из
погибших животных бактерии штамма IIIS с капсулой. Гриффитс
пришел к выводу, что апатогенные клетки штамма IIR могут
трансформироваться в патогенные клетки штамма IIIS. Причина
этого феномена осталась неясной. Значительно позже О.Эвери,
К.Мак-Леод и М.Мак-Карти (1944), изучая спонтанный мутагенез
у штаммов пневмококка, показали, что убитые нагреванием
клетки штамма IIIS имеют какое-то вещество, определяющее
трансформацию безкапсульного штамма IIR в патогенный штамм
IIIS.
Этим
трансформирующим
веществом
оказались
дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Это было одним из
величайших открытий в генетике. И все же сомнения у ученых
оставались…
Рисунок 10.1. Опыты Ф. Гриффитса по трансформации пневмококка: А –
смерть мыши от введения штамма «III S», Б – введение штамма «II R»
безвредно для мыши, В – введение убитого нагреванием штамма «III S»
безвредно для мыши, Г – введение смеси штамма «III S», убитого
нагреванием, и штамма «II R» приводит к смерти животного, из которого
после этого был выделен нормальный штамм «III S».
128
2. Нуклеиновые кислоты – наследственный материал
вирусов.
Окончательное решение вопроса следует отнести ко
времени, когда одним из основных объектов генетических
экспериментов был избран бактериофаг Т2. Бактериофаги - это
вирусы, поражающие бактерии. Бактериофаг Т2 поражает
бактерию E.coli, также хорошо изученную с генетической точки
зрения. Бактериофаг Т2 состоит из белковой оболочки и ДНК,
которая в эту оболочку заключена (рис.10.2).
Рисунок 10.2 Строение бактериофага Т4. (Дубинин, 1976, с. 170)
Жизненный цикл фага Т2 длится около 30 минут (рис.
10.3). Он включает следующие этапы: 1 – присоединение фаговой
частицы к бактериальной клетке и ввод в нее ДНК фага; 2 –
разрушение бактериальной хромосомы ферментами фага (5-10
мин.); 3 – репликация ДНК фага и синтез белковых элементов
оболочки фага (6-15 мин.); 4 – сборка фаговых частиц (20 мин.); 5
– лизис клетки-хозяина и выход фаговых частиц во внешнюю
среду.
Роль каждого из элементов фаговой частицы в его
жизненном цикле была установлена экспериментами А.Херши и
М.Чейз (1952). Используя радиоактивные метки (изотопом 35S
метили белки фага, а изотопом 32P – ДНК), они показали, что для
129
образования новых копий фага необходима ДНК-фага, а белки
(белковая оболочка) не несут генетических функций (рис. 10.4).
Таким образом, была показана генетическая роль ДНК.
Следует отметить, что к этому времени было известно, что:

-наследование различных признаков у фага Т2 не
отличается от наследования признаков у эукариот;

-у фага Т2 обнаружены мутации и показана
возможность
рекомбинации
между
ними,
аналогично мутациям высших организмов.
Поэтому заключение о генетической роли ДНК было
воспринято, как само собой разумеещееся. Позднее,
эксперименты с ВТМ (вирус табачной мозаики), который
состоит из белковой оболочки, в которую заключена молекула
другой нуклеиновой кислоты - РНК, также показали
генетическую роль именно РНК, а не белковой оболочки.
Рисунок 10.3 Жизненный цикл бактериофага. (Айала, Кайгер, 1987, т. 1,
с. 16)
130
Рисунок 10.4. Схема опыта Херши - Чейза (Айала, Кайгер, 1987, т.1, с.
98)
3. Феномен бактериальной трансдукции.
Трансдукция – явление переноса и рекомбинации генов у
бактерий с помощью бактериофага. Трансдукция была открыта
Н. Цандером и Дж.Ледербергом (1952) при исследовании
мутантных штаммов бактерии Salmоnella typhimurium (вызывает
тифоидную лихорадку у мышей). Было показано, что ДНК фага
P22 может внедряться в хромосому S.tyhimurium и как бы
сосуществовать в ней некоторое время, а затем (при изменении
условий) вновь выделяются из нее разрушая эту хромосому и
стимулируя сборку новых фаговых частиц. При этом ДНК фага
может захватить часть ДНК (ген/гены) бактерии, а вновь
собранные фаги могут переносить эти гены в хромосомы других
бактерий. Этот тип трансдукции получил название общей
трансдукции, так как фаг P22 внедрялся в разные участки
хромосомы реципиента. Если же фаг внедряется в строго
определенные места бактериальной хромосомы, это называется
ограниченной трансдукцией. И, наконец, если фрагмент ДНК
(ген) клетки донора, перенесенный фагом в новую
бактериальную клетку, не включается в ее хромосому, но
131
проявляется, имеет место абортивная трансдукция. Эти
эксперименты окончательно подтвердили роль нуклеиновых
кислот, как носителей наследственной информации.
4. Строение нуклеиновых кислот.
Нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК) представляют собой
полимерные молекулы различной длины. Основной структурной
единицей нуклеиновых кислот является нуклеотид. Последний
представляет собой довольно сложное химическое соединение
(рис. 10.5), в состав которого входят дезоксирибоза ( у ДНК ) или
рибоза ( у РНК ), азотистое основание (пуриновое или
пиримидиновое), ковалентно связанное с первым атомом
углерода сахара и фосфатная группа. Ковалентное соединение
сахара с азотистыми основаниями формирует структуру,
получившую название нуклеозид. В состав ДНК входят четыре
азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г) - пуриновые
основания, цитозин (Ц) и тимин (Т) - пиримидиновые основания.
У РНК тимин замещен на урацил (У), который отличается от
тимина отсутствием метильной группы. Соответствующие
основаниям
нуклеозиды
у
ДНК
получили
название
дезоксиаденозин,
дезоксигуанозин,
дезоксицитидин
и
дезокситимидин. У РНК нуклеозиды носят название аденозин,
гунозин, цитидин и уридин. И еще одно замечание:
пиримидиновые основания отличаются от пуриновых тем, что
первые состоят из одного шестичленного кольца, а вторые из
одного шестичленного и одного пятичленного кольца (рис.10.5).
132
Рисунок 10.5. Строение нуклеотидов. (Айала, Кайгер, 1987, т. 1, с. 102).
И, наконец, третья составляющая нуклеотида –
фосфатные группы, которые посредством фосфорнодиэфирных
133
связей между 5’– атомом углерода одного сахара и 3’–атомом
углерода другого соединяют нуклеотиды в полимерные цепочки
(рис. 10.6).
Рисунок 10.6. Строение ДНК и РНК. (Айала, Кайгер, 1987, т. 1,
с. 103).
Длина этих цепочек различна. Интактная молекула ДНК
может содержать от нескольких тысяч до нескольких миллионов
нуклеотидов, а интактная молекула РНК от ста до ста тысяч и
более нуклеотидов (табл. 10.1).
134
Таблица.10.1
Число пар нуклеотидов на геном (Гершкович,1968)
Организм
Число п.н.
5-7 х 109
Человек, мышь, кукуруза
Дрозофила
8 х 107
Кишечная палочка
1 х 107
Бактериофаг Т4
2 х 105
При этом для ДНК Э.Чаргаффом (1950) было показано,
что независимо от видовой принадлежности организма молярное
содержание аденина равно молярному содержанию тимина, а
молярное содержание гуанина равно молярному содержанию
цитозина. Эта закономерность получила название ―Правило
Чаргаффа.‖А вот соотношение [А] + [Т] : [Г] + [Ц] изменяется в
зависимости от вида организма (табл. 10.2).
Таблица 10.2
Состав оснований ДНК различных организмов (по Lehninger из
Айала и Кайгера, 1987).
Организм
Человек
Овца
Курица
Лосось
Краб
Саранча
Пшеница
(зародыш)
Дрожжи
Кишечная
палочка
Бактериофаг
Т7
Состав по основаниям (моль%)
Соотношение
[A]+[T] : [Г]+[Ц]
A
30.9
29.3
28.8
29.7
47.3
29.3
27.3
Г
19.9
21.4
20.5
20.8
2.7
20.5
22.7
Ц
19.8
21.0
21.5
20.4
2.7
20.7
22.8
T
29.4
28.3
29.2
29.1
47.3
29.3
27.1
1.52
1.36
1.38
1.43
17.50
1.41
1.19
31.3
24.7
18.7
26.0
17.1
25.7
32.9
23.6
1.79
0.93
26.0
24.0
24.0
26.0
1.08
135
4. Модель структуры ДНК Уотсона–Крика.
Трехмерная структура ДНК была открыта в 1953 году
Д.Уотсоном и Ф.Криком. Они предложили модель, по которой
молекула ДНК представляет собой двойную спираль. Она
состоит из двух полинуклеотидных цепочек, соединенных
попарно через комплементарные взаимодействия между
нуклеотидами разных цепей. При этом всегда аденин (А)
соединен с тимином (Т), а гуанин (Г) с цитозином (Ц).
Соединяются нуклеотиды при помощи особых водородных
связей. Таким образом, если порядок оснований в одной цепочке
5’ – АГЦТAT- 3’*, то в другой, комплементарной, порядок будет
3’- ТЦГATA- 5’(рис. 10.7).
Рисунок 10.7. Два способа изображения двухцепочечной ДНК:
трехмерное (слева) и двумерное (справа) (Стил, Линдли, Бландэн, 2002,
с. 49)
_______________________________________________________
* 5’ (пять штрих) и 3’ (три штрих) – это обозначения левого и правого концов
последовательностей оснований ДНК и РНК. длина его составляет 34Å
(каждый нуклеотид занимает 3.4Å по длине нити).
136
Диаметр спирали постоянен и приблизительно равен 20Å,
так как пуриновые основания имеют длину кольца 12Å, а
пиримидиновые основания 8Å. На один виток спирали
приходится 10 пар оснований, а
Создавая модель ДНК, Уотсон и Крик ориентировались
на результаты ренгеноструктурного анализа ДНК, полученные
М.Уилкинсом и Р.Франклин. В результате их модель
представляла
двуцепочечную правозакрученную спираль (В-форма ДНК).
Позднее было показано, что существует и молекула ДНК –
левозакрученная
(Z-ДНК).
Ее
название
объясняется
зигзагообразным
характером
фосфодиэфирного
каркаса.
Обнаружены и другие структурные формы ДНК(см. табл. 10.3).
Таблица 10.3.
Структурные формы ДНК (Айала, Кайгер, 1987).
Признак
Спираль
Число пар оснований в одном
витке спирали
Угол
между
соседними
парами оснований
Расстояния между соседними
парами оснований
Угол наклона оснований к
оси спирали
Диаметр спирали
(приблизительно)
A
Правая
Форма
B
C
Правая Правая
Z
Левая
10.7
10.0
9.3
12
+33.6о
+36.0о
+38.6о
-30о
2.3 Å
3.4 Å
3.0 Å
3.8Å
+19о
-1.2о
-6о
-9о
23Å
20Å
19Å
18Å
РНК в отличие от ДНК представляет собой
одноцепочечные молекулы, которые могут складываться в
сложные структуры (рис. 10.8).
137
Рис. 8. Трехмерные структуры ДНК, РНК и белков (Стил, Линдли,
Бландэн, 2002, с. 54).
138
5. Ключевые слова и понятия
бактериофаг
двойная спираль
ДНК
нуклеозид
нуклеотид
основание
полуконсервативная
репликация
правило Чаргаффа
РНК
трансдукция
ограниченная трансдукция
абортивная трансдукция
139
Лекция 11. Молекулярные основы наследственности
(продолжение).
Общие особенности репликации ДНК. – Синтез ДНК у эукариот. – РНК как
генетический материал и ее репликация. – Генетический код. – Типы РНК в
полипептидном ситезе. – Информационная РНК. – Рибосомная РНК. –
Транспортная РНК.- Полипептидный синтез. – Транскрипция ДНК на матрице
РНК (обратная транскрипция).
1. Общие особенности репликации ДНК.
Создание модели ДНК послужило основанием для
понимания принципов репликации и передачи наследственной
информации. Дж.Уотсон и Ф.Крик (1953) первыми предложили
―гипотезу репликации ДНК посредством разделения нитей‖,
которая заключалась в том, что две цепи вначале разделяются, а
затем каждая из них строит комплементарную себе.
Эта гипотеза (хотя были и другие!), получила
подтверждение в опытах М.Мезельсона и Д.Сталь (1958). Авторы
работали с бактериями E.coli. Так как в состав пуринов и
пиримидинов входит азот (N), то для выращивания бактерий
использовали среду, содержащую тяжелый азот 15N (плотность
1.724 г/см3). Через 12 поколений тяжелый азот изотопа 15N
включался в состав ДНК. Затем бактерии переносили на среду,
содержащую изотоп легкого азота 14N (плотность 1.710 г/см3).
Через определенные промежутки времени отбирали пробы для
определения методом центрифугирования плотности ДНК. Было
показано, что после первого клеточного деления на среде с 14N
плотность ДНК была промежуточной между плотностью
―легкой‖ и ―тяжелой‖ ДНК, так как две цепи ДНК, содержащих
тяжелый азот, разъединялись и каждая из них пристраивала
комплементарную цепь, содержащую легкий азот. После второго
клеточного деления ―гибридная‖ ДНК расходилась и как легкая,
так и тяжелая цепь ДНК пристраивала себе комплементарную с
изотопом 14N. Это было подтверждено центрифугированием, в
результате которого было показано,что ½ цепей ДНК
представляет легкие молекулы, а ½ - гибридные (14N+15N).
В дальнейшем было проведено много экспериментов и, в
целом, они подтвердили правильность модели ДНК УотсоноКрика и их гипотезу о репликации ДНК после разделения нитей.
140
Такой
способ
репликации
ДНК
получил
название
"полуконсервативный‖, так как каждая из двух материнских
цепей ДНК пристраивает комплементарные дочерние. В
результате каждая, из вновь образовавшихся молекул ДНК,
состоит из одной материнской цепи и одной вновь
синтезированной. Этот процесс можно представить следующей
схемой (Стил, Линдли, Бландэн, 2002, с. 52):
2. Синтез ДНК у эукариот.
К настоящему времени (начало XXI в.) в плане изучения
синтеза ДНК у эукариот молекулярная генетика продвинулась
далеко вперед. Следует помнить (см. лекцию 2), что основная
масса ДНК у эукариот входит в состав хромосом. ДНК также
имеют хлоропласты и митохондрии. Синтез ДНК в клетке
приходится на период S клеточного цикла, когда содержание
ДНК в клетке удваивается, за счет репликации молекул ДНК. В
процессе репликации участвует большое количество различных
ферментов и белков. Очередность их действия может быть
представлена следующим образом:
1.Ферменты топоизомеразаI и топоизомеразаII снимают
суперсперализацию молекулы ДНК;
2.Фермент ДНК – геликаза (хеликаза) выпрямляет спираль
ДНК и разделяет цепи ДНК. Он движется по одной из двух цепей
ДНК и, разрывая водородные связи между основаниями,
разделяет цепи. Участок, где происходит расхождение цепей
ДНК получил название репликационной вилки, а точка на
хромосоме, где начинается репликация, называется точкой
начала репликации или ориджином;
3.Белки SSB связываются с одиночными цепями и
стабилизируют их состояние, одновременно оставляя их
доступными для ДНК – полимеразы.
141
4.ДНК – полимераза III осуществляет на этих одиночных
цепях синтез комплементарных цепей ДНК.
5. ДНК – праймаза – синтезирует короткую РНК затравку
для синтеза ДНК на матрице. Это необходимо, так как синтез
нуклеиновых кислот идет только от 5’ конца к 3’ концу молекулы
и для начала этого синтеза ДНК-полимеразе III необходимо
наличие нуклеотидной затравки, от 3’-конца которой она
начинает синтезировать новую цепь. Поэтому на одной из
родительских цепей (рис. 11.2) синтез одной из новых цепей идет
непрерывно, совпадая с движением топоизомеразы. Эта цепь
получила название ―ведущая‖. А вот другая цепь (―отстающая
цепь‖) синтезируется как-бы фрагментами (фрагменты Оказаки).
При этом ДНК–прймаза синтезирует РНК – праймер, который
служит заправкой для действия ДНК – полимеразы III;
Рисунок 11.2. Строение репликационной вилки (Жимулев, 2002, с. 115).
6. ДНК – полимераза I продолжает синтез цепи,
постепенно заменяя нуклеотиды РНК умежду фрагментами
Оказаки, отстающей цепи на нуклеотиды ДНК;
7. ДНК – лигаза сшивает фрагменты отстающей цепи.
142
Местоположение всех выше перечисленных белков и
ферментов в процессе репликации молекулы ДНК представлено
на рис. 11.3.
Рисунок 11.3. Расположение основных белков в репликационной
вилке (Жимулев, 2002, с. 115).
3. РНК как генетический материал и ее репликация.
Существует большая группа вирусов, поражающих
бактерии, растения и животных, генетическим материалом
которых является РНК. Типичным представителем группы
вирусов с однонитевой РНК является вирус табачной мозаики
(ВТМ). РНК в нем представлена в виде тяжа, радиусом 40Å
одетого белковыми субъединицами. Толщина наружного
белкового слоя накрывающего РНК равна 40Å , а внутреннего
20Å . Эксперименты по освобождению ВТМ от белковой
оболочки позволили установить, что ―чистая вирусная РНК
инфекционна и несет всю генетическую информацию,
необходимую для ее репликации‖(Гершкович, 1968). Сравнение
различных штаммов ВТМ показало, что их биологическая
143
активность определяется их нуклеотидным составом. Найдены
вирусы (раневой вирус, реовирус), которые содержат двунитевую
РНК. Репликация РНК вируса осуществляется ферментом РНК –
синтетаза,
ее
еще
называют
РНК-репликаза.
Как
одноцепочечные, так и двухцепочечные РНК несут гены,
кодирующие РНК-синтетазы. РНК – синтетазы используют
материнскую РНК как матрицу для синтезирования
комплементарных
молекул
РНК,
так
называемых
―минус‖молекул РНК. Эти молекулы в свою очередь служат
матрицами для синтеза копий родительских цепей РНК – ―плюс‖
молекул РНК. Таким образом, как и в случае с ДНК, перенос
генетической информации от родительской РНК к дочерней РНК
основан на принципе комплементарности оснований. Для ВТМ и
других растительных вирусов все эти процессы происходят в
клетках растений.
4. Генетический код.
Установление факта, что ДНК и РНК являются
носителями наследственной информации поставил вопрос о том,
как же эта информация закодирована и как она передается при
построении (синтезе) белков. Эта задача по дешифровке
генетического кода была полностью решена к 1966 г. Честь ее
решения связана с блестящими работами 1961-1966 гг. Ф.Крика,
С.Бреннера, Р.Холен, Х.Хорена и М.Ниренберга. Ими было
экспериментально показано, что каждая из 20 входящих в состав
белков аминокислот закодирована тремя нуклеотидами, то есть
код триплетний. При синтезе (сборке) первичных цепей белка
между ДНК и белком имеется посредник, который передает
информацию с ДНК к белку. Этим посредником является
специфическая РНК, на которую и переписывается с ДНК
информация о порядке сборки аминокислот в белок. Второй
особенностью кода является то, что одна аминокислота может
быть закодирована не одним, а несколькими триплетами
нуклеотидов и, как следствие, кодируется разным числом
триплетов (кодонов) (см.табл.11.1).
Как можно видеть из таблицы 11.1 метионин кодируется
одним кодоном АУГ; аспарагин – двумя: АAЦ, AAУ; изолейцин
– тремя AУA, AУЦ, AУУ, а валин – четырьмя ГУA, ГУЦ, ГУГ,
144
ГУУ. Эта особенность послужила основанием того, что код был
назван вырожденным. При этом показано, что если аминокислота
кодируется двумя и более кодонами, то при синтезе белков, они
(кодоны) ―используются‖ с разными частотами (табл.11.2).
Таблица11.1
Генетический код.*
Первая позиция
У
Ц
А
Г
УУУ
УУЦ
УУА
УУГ
ЦУУ
ЦУЦ
ЦУА
ЦУГ
АУУ
АУЦ
АУА
АУГ
ГУУ
ГУЦ
ГУА
ГУГ
Ц
Фен
Лей
Лей
Изол
Мет
Вал
УЦУ
УЦЦ
УЦА
УЦГ
ЦЦУ
ЦЦЦ
ЦЦА
ЦЦГ
АЦУ
АЦЦ
АЦА
АЦГ
ГУЦ
ГЦЦ
ГЦА
ГЦГ
Вторая позиция
А
УАУ
Тир
УАЦ
Сер
УАА
Ст.к.
УАГ
ЦАУ
Гист
ЦАЦ
Прол
ЦАА
Глут
ЦАГ
Аспар
ААУ
ААЦ
Треон
ААА
Лиз
ААГ
Асп.к.
ГАУ
ГАЦ
Алан
Глут.к
ГАА
.
ГАГ
Г
УГУ
УГЦ
УГА
УГГ
ЦГУ
ЦГЦ
ЦГА
ЦГГ
АГУ
АГЦ
АГА
АГГ
ГГУ
ГГЦ
ГГА
ГГГ
Цис
Ст.к.
Трип
Арт
Сер
Арг
Глиц
У
Ц
А
Г
У
Ц
А
Г
У
Ц
А
Г
У
Ц
А
Г
Третья позиция
У
*- Нуклеотиды первой позиции в кодоне (5’.конец) приведены в левой
колонке
** - Фен. – фенилаланин; Лей. - лейцин; Изол. – изолейцин; мет. –
метионин; Вал. – валин; Сер. – серин; Прол. – пролин; Треон. – треонин;
Алан. – аланин; Тир. – тирозин; Гист. – гистидин; Глут. – глутамин;
Аспар. – аспарагин; Лиз. – лизин; Асп.к. – аспарагиновая кислота;
Глут.к.- глутаминовая кислота; Цис. – цистеин; Трип. – триптофан; Арг.
– арганин; Сер. – серин; Глиц. – глицин; ст.к.- стоп кодоны.
145
Таблица 11.2
Частота использования разных кодонов, кодирующих лейцин и
аланин у дрозофилы (Ashburner, 1989, по Жимулеву, 2002).
Аминокислота
Лейцин
Аланин
Кодон
ЦУУ
ЦУЦ
ЦУA
ЦУГ
ГЦЦ
ГЦА
ГЦУ
ГЦГ
Число случаев
610
1096
538
3425
3534
926
1397
1159
Код считывается в направлении от 5’ конца к 3’ концу
неперекрывающимися триплетами, то есть каждый кодон
представлен тремя нуклеотидами, которые считываются друг за
другом в строгой последовательности. Триплеты не перекрывают
друг друга. При этом нуклеотид одного триплета не может
входить в состав другого. Возможны любые сочетания триплетов,
а следовательно в полипептидной цепи любые сочетания рядом
расположенных аминокислот. Разделительные знаки между
триплетами отсутствуют. Здесь надо заметить, что генетический
код всегда описывается в символах РНК, являющейся
посредником между ДНК и рибосомами, где происходит синтез
белка. Начало старта считывния любого гена является кодон АУГ
(инициирующий кодон), а вот окончание считывания определяют
стоп-кодоны УAA, УАГ или УГА, которые дают сигнал на
окончание синтеза белка, детерминированного тем или иным
геном. Расстояние между кодоном АУГ и стоп-кодонами
называется открытой рамкой считывания (ORF). Надежность
стоп-сигнала обеспечивается тем, что в конце, как правило,
располагаются друг за другом два или три стоп-кодона. Первым
всегда идет стоп-кодон УAA.
И, наконец, было показано, что код в целом универсален
для подавляющего числа живых организмов (см.лекцию 1). То
есть у всех организмов от бактерий до человека аминокислота
146
метионин закодирована триплетом AУГ. До недавнего времени
вообще считали, что это правило не имеет исключений. Однако
такие исключения были обнаружены и код получил название
―квазиуниверсальный.”
5. Типы РНК в полипептидном синтезе.
5.1. Информационная РНК.
Итак, как мы уже видели, посредником в передаче
генетической информации от ДНК к структурам, где происходит
синтез белка является специфическая РНК. Она получила
название матричной (messenger РНК) и обозначается как мРНК.
Перенос информации от ДНК к мРНК называется транскрипцией.
Это переписывание информации осуще ствляется с помощью
фермента РНК-полимераза по следующей схеме (Стил, Линдли,
Бланден, 2002, с.52):
Сам процесс транскрибирования происходит следующим
образом. В зоне синтеза мРНК происходит раскручивание
(рсплетание) нити ДНК на длину 16-18 пар оснований (два
витка). Считывание идет в направлении от 5’конца к 3’ концу.
Началом транскрипции является участок ДНК, называемый
промотор, а концом – терминатор. Эти нуклеотидные
последовательности цепи ДНК ―узнаются‖ специфическими
белками. Транскрипцию на мРНК у эукариот осуществляет
фермент РНК-полимераза II. Дойдя до терминатора РНКполимераза II прекращает синтез и отделяется от матрицы. По
окончании синтеза образовавшаяся мРНК переходит в
цитоплазму для трансляции и 5’-концом прикрепляется к малоой
субъединице рибосомы (органоид), в котором и происходит
синтез белков. РНК-полимераза II локализована в нуклеосоме.
147
5.2. Рибосомная РНК.
Рибосома содержит 64% рибосомной РНК (рРНК) и 36%
белка. Каждая из рибосом состоит из двух компонентов: малой и
большой субъединиц. Их размеры были определены методом
седиментации и измеряются единицами S. По молекулярной
массе рРНК малые и большие субъединицы различаются. Синтез
рибосомной РНК происходит на матрице ДНК в момент
образования
рибосом.
Этот
процесс
(транскрипция)
осуществляется также как и синтез мРНК, но в нем у эукариот
участвует РНК-полимераза I. РНК-полимераза I локализована в
ядрышке. В цитоплазме, как правило, рибосомы располагаются
группами, образуя так называемые полисомы.
5.3. Транспортная РНК.
Синтез, или сборка, белков происходит в рибосомах (об
этом подробнее ниже). Для этого к месту сборки должны быть
доставлены аминокислоты, Транспортировка аминокислот
осуществляется специфической РНК, получившей название
транспортная РНК. Матрицей для синтеза транспортной РНК
являются специальные последовательности ДНК. Он происходит
по той же схеме, как и в предыдущих случаях, но в нем у
эукариот участвует РНК-полимераза II, которая содержится в
нуклеоплазме. По своей пространственной структуре тРНК
весьма своеобразна и напоминает конфигурацию клеверного
листа (рис.11.4).
148
Рисунок 11.4. Типичная вторичная струтура типа кленового листа,
характерная для молекул т-РНК (Айала, Кайгер, 1987, т.2, с. 40).
Для каждой из 20 аминокислот существует не менее одной тРНК:
тРНКSer; тРНКMet; тРНКPhe и т.п. По нуклеотидному составу
(около 80 нуклеотидов) транспортные РНК различны. При этом
установлено среди нуклеотидов тРНК имеются необычные
основания, получившие название минорных и возникающие в
результате посттранскрипционной ферментативной модификации
обычных оснований. На сгибе молекулы тРНК находится три
нуклеотида, образующие антикодон, который комплементарен
соответствующему кодону на мРНК. На 3’ конце молекулы
расположен однонитевой фрагмент РНК из 4-х нуклеотидов. Три
из них (ЦЦА) являются сайтом ковалентного присоединения
соответствующей аминокислоты. Этот процесс обеспечивает
фермент аминоацил-тРНК синтетаза.
6. Полипептидный синтез.
Входящие в состав белка 20 аминокислот, по своему
химическому составу делятся на следующие группы:
1. Положительно заряженные (основные): аргинин,
гистидин, лизин.
149
Отрицательно заряженные (кислые): аспарагиновая
кислота, глутаминовая кислота.
3. Нейтральные неполярные: аланин, глицин, валин,
изолейцин, лейцин, метионин, пролин, фенилаланин,
триптофан.
4. Нейтральные полярные: аспарагин, глутамин, серин,
тирозин, треонин, серин, цистеин.
Синтез белка чрезвычайно сложный процесс. Он
проходит на матрице мРНК с участием множества РНК-рибосом
и белковых ферментов и состоящий из ряда этапов.(рис. 11.5).
Первым этапом является активизация определенной
аминокислоты и соединения с тРНК-синтетазой и молекулой
пирофосфата. Для каждой аминокислоты образуется свой
молекулярный комплекс с ферментом. Для серина это серилацил
– АМР, для валина валилацил – АМР и т.п. Вторым этапом
биосинтеза белка является образование пептидных связей между
отдельными аминокислотами. Это происходит с участием
рибосом. Рибосома присоединяется к 5’ концу молекулы мРНК и
считывает информацию от 5’ конца к 3’ концу, начиная от
стартового кодона. Транспортные тРНК, несущие аминокислоту,
внутри рибосомы связываются своими антикодонами с
соответствующими кодонами мРНК. В результате в процессе
синтеза выстраивается цепочка аминокислот в соответствии
закодированной информацией, находящейся на мРНК.
2.
150
Рисунок 11.5. Схема синтеза белка (Стил, Линдли, Бланден, 2002, с.
195).
Между аминокислотами под воздействием специальных
факторов рибосомы возникают прочные пептидные связи и
формируется аминокислотная (ферментная) цепочка. Когда
рибосома доходит до стоп-кодона, синтез белковой молекулы
прекращается и она отделяется от рибосомы. При этом
осободившаяся мРНК и рибосома могут снова быть вовлечены в
процесс синтеза новой белковой молекулы. При значительной
длине мРНК на ней одновременно могут работать несколько
рибосом (полисомы), находящихся на разных стадиях синтеза
соответствующего белка. После освобождения от рибосомы
белковая молекула приобретает вторичную структуру,
151
I
III
II
IV
Рисунок 11.6. Четыре уровня структуры белка (Шапвиль,
Энни, 1977, по Алтухову, 2003, с.61).
152
скручиваясь в альфа- или бета-спирали. Третичную структуру
белки приобретают, когда отдельные спирали объединяются в
глобулы. Четвертичную же белковую структуру представляют
ассоциации нескольких глобул. Эти преобразования белковых
молекул происходят с участием особых ферментов, получивших
название шапероны (chaperone) (рис. 11.6)
7. Транскрипция ДНК на матрице РНК (обратная
транскрипция).
Как мы уже видели центральной догмой молекулярной
биологии является передача информации в направлении ДНК →
РНК→ белок.
Однако где-то в конце семидесятых годов прошлого
столетия при изучении вирусов, вызывающих саркому у кур и
мышей, было обнаружено явление обратной транскрипции. Оно
заключается в следующем. Вирус проникает в клетку и на основе
своей РНК при помощи фермента обратная транскриптаза
синтезирует двухцепочечную комплементарную ДНК. Эта кДНК
содержит ту же генетическую информацию, что и вирусная РНК.
Эта копия ДНК встраивается в хромосому хозяина и при делении
клеток передается от клетки к клетке. В последствии вирусная
РНК может образовываться (или образуется) путем транскрипции
встроенной ДНК. Вирусы подобного типа получили название
ретровирусы. К подобным вирусам относятся вирусы,
вызывающие рак легких и лейкоз у человека, а также вирус
иммунодефицита человека (ВИЧ).
8. Ключевые слова и понятия.
генетический код
ведущая цепь днк
квазиуниверсальный код
кодон
обратная транскрипция рнк
отстающая цепь днк
полисомы
репликационная вилка
репликация молекул днк
фрагемнты Оказаки
153
Лекция 12. ГЕН В СОВРЕМЕННОМ ПОНИМАНИИ.
Центровая теория гена. – Структура гена у прокариот. – Структура гена у
эукариот. – Расположение генов в эукариотических хромосомах. – Мобильные
генетические элементы. – Геном эукариот. – Регуляция экспрессии гена у
эукариот.
1.Центровая теория гена.
В предыдущих лекциях было показано представление
Г.Менделя, его последователей, а также школы Т.Моргана о
генах, которое в целом, может быть сформулировано так: ген –
неделимая единица наследственности. Однако, в 1929 г. была
опубликована работа А.С. Серебровского и Н.П. Дубинина, в
которой авторы, изучая ген scute (вызывает развитие щетинок у
дрозофилы), показали делимость этого гена и сформулировали
центровую теорию гена. По этой теории (Дубинин, 1976):
 -ген дробим, он состоит из отдельных частей,
расположенных в нем в линейном порядке; эти части
могут независимо изменяться при мутациях;
 -ген не единица рекомбинации, ибо кроссинговер
может проходить внутри сложного гена;
 -ген – единица функции, но действие гена в целом
обусловливается интеграцией функций его отдельных
частей (центров).
Не
принятая
вначале
ведущими
генетиками
(Р.Гольдшмидт, Дж.Шульц и др.), центровая теория, в
дальнейшем
получила
полное
подтверждение.
Первое
подтверждение делимости гена было получено при изучении гена
lozenge (определяет структуру глаз) у дрозофилы (М.Грин,
К.Грин, 1949). Было показано,что структура глаза дрозофилы
сильно изменяется у гомозиготных особей lz8lz8 и lz50elz50e, а вот у
гетерозигот lz8lz50e структура глаза практически близка к дикому
типу (норма). Было введено понятие псевдоаллели – аллели,
возникающие в результате кроссинговера внутри гена.
В дальнейшем на основе результатов молекулярногенетических исследований прокариот было показано, что
кроссинговер может происходить между любой парой
нуклеотидов ДНК (У.Яновский, ), получивших название рекон.
154
А часть гена, определяющая определенную функцию, получила
название цистрон (С. Бензер, 1957). Каждый цистрон, в свою
очередь, состоит из отдельных отрезков – сайтов, мутации в
которых нарушают первичную структуру белка.
2. Структура гена у прокариот.
Структура гена прокариот сравнительно проста. Участок,
кодирующий определенный белок, представляет ряд нуклеотидов
(триплетных кодонов), которые транскрибируются на мРНК и
затем транслируются на рибосому. Более сложным является
система регуляции синтеза белка у бактерий. Как показали
исследования Ф.Жакоба и Ж.Моно (1961), приведенные на Е.coli
структурные гены, детерминирующие утилизацию этой
бактерией лактозы довольно тесно сцеплены и вместе с геном
промотором и геном оператором образуют оперон (рис. 12.1).
Рисунок 12.1. Транскрипция генов, регулирующих утилизацию лактозы
бактерией E.coli (Жимулев, 2002, с. 151).
Это так называемая кластерная организация генов. При
этом (рис.12.1) происходит транскрипция и трансляция единой
мРНК для генов Z,Y и A. Транскрипция инициируется геном –
155
промотором (Р). Важная роль отведена гену индуктору (I).
Заметим, что ген индуктор может располагаться от оперона,
активность которого он регулирует. Он кодирует белокрепрессор, который связываясь в определенный момент с ДНК –
оператора (0+) репрессирует транскрипцию мРНК со
структурных генов Z, Y и A. А если белок-репрессор связывается
с ДНК-индуктора, репрессор становится неактивным и белокрепрессор отделяется от ДНК оператора, РНК-полимераза
инициирует транскрипцию мРНК со структурных генов.
3. Структура гена у эукариот.
Молекулярная структура генов у эукариот оказалась
значительно сложнее прокариотических генов. Как правило,
протяженность эукариотических генов значительно больше, чем
прокариотических. При этом было установлено, что каждый ген
состоит из участков ДНК кодирующих синтез определенных
клеточных продуктов (белки, различные РНК и т.п.) и из
участков ДНК, которые не несут генетической информации, а как
бы разделяют кодирующие участки. Первые участки получили
название экзоны, а вторые – интроны. Число экзонов и интронов
индивидуально для каждого гена. По протяженности экзоны
короче интронов. Такое строение структурных генов определяет
особенность процесса синтеза мРНК. И, в свою очередь, различие
этого процесса у прокариот и эукариот (рис. 12.2).
156
Рисунок 12.2. Строение бактериального гена и однокопийного
эукариотического гена (Стил, Линдли, Бландэн, 2002, с.104).
При образовании мРНК транкрибируются все участки
экзонов и интронов и образуется молекула про-мРНК. Затем
внутриядерная органелла сплайсеосома определяет границы
между
интронами
и
экзонами,
вырезает
участки,
транскрибированные с интронов, и соединяет участки,
транскрибированные с экзонов. Этот процесс называется
сплайсингом. Затем зрелая мРНК переходит из ядра в
цитоплазму. Очень важным явилось открытие явления,
получившего название альтернативный сплайсинг. Оно
заключается в том, что с одного гена считывается более одного
типа мРНК. Механизмы этого явления пока недостаточно ясны.
4. Расположение генов в эукариотических хромосомах.
Как мы видели в разделе 2, структурные гены у прокариот
образуют опероны. У эукариот этого нет. Гены, контролирующие
последовательные биохимические процессы часто располагаются
в разных хромосомах. Одновременно ряд генов образует кластер,
располагаясь в одном участке, определенной(ных) хромосом.
Примером таких генов являются гены, детерминирующие
157
образование запасных белков (глиадины, глютелины, гордеины) у
злаков, а также гены количественных признаков (QTL-гены).
5. Мобильные генетические элементы
Американским цитогенетиком Барбарой Мак-Клинток в
конце 40-х годов прошлого столетия были открыты гены,
менявшие свое положение на хромосомах. В результате с
высокой частотой возникали нестабильные мутации окраски
эндосперма. Эти гены были названы ―контролирующие
элементы‖. Более того, было показано, что эти гены могут
перемещаться не только по определенной хромосоме, но и по
геному. У кукурузы это гены Ac, Dt, Ds и Spt. Принцип действия
двух из них показан на рис. 12.3 и заключается в следующем. При
расположении генов Ac, Ds и C, как показано на рис. 12.3а,
зерновка имеет окрашенный алейрон. Если ген Ac (продукт гена)
инициирует перемещение гена Ds* в ген С (рис.12.3б), последний
мутирует в рецессивный аллель с и зерновка имеет
неокрашенный эндосперм. И, наконец, при формировании
зерновок ген Ds может вырезаться из гена с (в некоторых
клетка), что приводит к образованию пятнистого алейрона (рис
12.3в).
Рисунок 12.3. Изменение окраски кукурузного зерна под влиянием
перемещений элементов Ac-Ds (Russel, 1998, по Жимулеву, 2002, с.
133).
_____________________________________________
* способностью к перемещению (транспозиции) обладает только ген Ds, но для
осуществления этого ему необходим продукт гена Ac.
158
Позже (70-тые годы) подобные гены были открыты у
бактерий, а также у дрожжей, растений, дрозофилы, грызунов и
человека. Типы (описано три типа) этих подвижных генов весьма
различны, но принцип действия весьма сходен. Одни из них
получили название инсерционных последовательностей (Is), а
другие – транспозоны (Tn).
6. Геном эукариот.
Геном эукариот представляет ДНК, распределенная в
гаплоидном наборе хромосом организма, а также ДНК
митохондрий и пластид (хлоропласты и др.).
Задача в расшифровке генома определенного вида прежде
всего заключается в определении последовательностей
нуклеотидов всей его хромосомной ДНК.
К настоящему времени эта задача практически решена по
геномам человека (Homo sapiens), мыши (Mus musculus),
арабидопсиса (Arabidopsis thaliana) и риса (Orisa sativa). Однако,
остается проблема составления детальных генетических карт.
Дело в том, что при известной последовательности нуклеотидов
нет полных данных о точных границах всех генов организма, о их
(генов) числе и функциях. В этом направлении предстоит
гигантская работа, и только по ее завершению можно будет
говорить о полной расшифровке генома того или иного
организма.
7. Регуляция экспрессии генов у эукариот.
Чрезвычайно сложным является ответ на вопрос, каким
образом осуществляется в клетке регуляция экспрессии гена у
эукариот. Как мы видели из вышеизложенного материала
генетическая информация с ДНК транскрибируется при
непосредственном участии РНК-полимеразы II. А окончание
транскрибирования связано с высвобождением мРНК от РНКполимеразы II. Что же стоит за этими процессами? Было
установлено, что ген эукариот включает ряд регуляторных
последовательностей нуклеотидов, которые, различаясь по своим
функциям, составляют ―домен активирования‖.
Основу этого домена составляют последовательности
нуклеотидов, входящие в состав промотора. Промотор всегда
159
расположен выше точки инициации транскрипции и
заканчивается
―TATA
последовательностью‖.
Это
специфическая фланкирующая последовательность из 7
нуклеотидов. В обобщенном виде ее можно представить
следующим образом:
A T
5/ - TATA A -3/
T A
1 234 5 6 7
TATA – последовательность располагается, как правило,
за 20-30 нуклеотидов от точки начала транскрипции. Особый
класс
регуляторных
последовательностей
нуклеотидов
составляют энхансеры, которые инициируют транскрипцию,
соединяясь при помощи петли с соответствующим промотором с
образованием петель ДНК. При этом установлены следующие
особенности энхансеров. Во-первых, они оказывают воздействие
на промотор, находясь от него на большом расстоянии (до
нескольких сотен и даже тысяч пар нуклеотидов), а во-вторых, их
активность не зависит от места расположения энхансера
относительно промотора, что хорошо видно из рис. 12.4.
Каждому из генов соответствует свой энхансер. Показано,
что на промотор воздействует не любой из энхансеров.
Существуют определенные нуклеотидные последовательности
ДНК, которые во-первых препятствуют соединениям энхансера с
неподходящим промотором, а во-вторых разделяют соседние
гены. Эти последовательности получили название инсуляторы.
Терминация (окончание) экспрессии гена определяется наличием
универсальных повторов типа 5 /- ААУAAA – 3/, которые играют
роль сигнала полиаденилирования новообразованных РНКтранскриптов. Следует иметь ввиду, что вышеизложенное
представляет несколько упрощенную схему инициации и
терминации экспрессии гена. Дело в том, что только в прцессе
транскрипции помимо РНК-полимеразы II принимают участие
около 50 специфических белков, образующих так называемую
транскриптосому.
160
Рисунок 12.4. Варианты взаимного расположения регуляторных и структурных
частей генов эукариот: а – ген альбумина, энхансер располагается перед
промотором; б – ген иммуноглобулина, энхансер расположен в центре гена
между последовательностями, кодирующими константную и вариабельную
часть белка; в- ген -глобина, энхансер расположен вслед за кодирующей
частью гена.
В общей форме Б. Люин (1987), выделяет четыре этапа регуляции
экспрессии гена:
активация структуры гена
↓
инициирование транскрипции
↓
процессинг транскрипта и его транспортировка в
цитоплазму
↓
трансляция мРНК.
161
Эти этапы составляют , как бы два уровня регуляции
экспрессии гена. Первые три – это ядерный уровень, а четвертый
– цитоплазматический.
Белки
подобного
типа
очень
специфичны
и
предназначены
для
распознавания
соответсвующих
нуклеотидных последовательностей в регуляторных сайтах генов.
Зоны ДНК, отвечающие за репрессию активности генов
получили название сайленсеры.
8. Ключевые слова и понятия
альтернативный сплайсинг
псевдоаллели
ген индуктор
рекон
ген оператор
сайты
ген промотор
сплайсинг
инсулятор
транспозоны
интрон
цистрон
мобильные генетические
энхансер
элементы
экзон
162
Лекция 13. ОСНОВЫ ГЕННОЙ ИНЖЕНЕРИИ РАСТЕНИЙ.
Выделение генов. – Трансформация. – Обеспечение эффективной экспрессии
клонированных генов. – Трансгенные формы растений. – Ключевые слова и
понятия.
Интенсивными исследованиями в области молекулярной
генетики к началу 70-х годов прошлого столетия были созданы
предпосылки к развитию работ в области генной инженерии. К
этому времени наметились основные элементы стратегии,
включающие:
- выделение отдельных генов и их консервацию;
- введение в ядро клетки чужеродных генов;
- обеспечение эффективной экспрессии введенных генов в
чужеродном геноме.
1. Выделение генов.
Выделение гена – это процесс выделения из генома
участка
ДНК,
представляющего
нуклеотидные
последовательности определенного гена. Этот процесс стал
возможным, благодаря открытию специфических ферментов –
рестриктаз. При помощи этих ферментов ДНК генома
разрезается в определенных точках (сайтах рестрикции). В
дальнейшем среди этих фрагментов ДНК различными
молекулярными
методами
проводится
поиск
последовательностей,
наиболее
полно
соответствующих
полноразмерному гену.
Второй подход – это выделение из клетки матричной
РНК. Далее при помощи обратной транскриптазы нарабатывают
комплементарные ДНК (кДНК), из которых выделяют
последовательности ДНК, соответствующие экспрессирующимся
в данное время в клетке генам.
Существуют и другие методы выделения генов, как то:
использование мобильных элементов (транспозонов), метод
―прогулки по хромосомам‖, метод использования гомологичных
генов и т.п. Все эти методы объединяет одно – все они
чрезвычайно трудоемки.
163
Для сохранения и реплицирования выделенных генов их
клонируют в плазмиды. Плазмида – это кольцевая молекула
ДНК, которую наряду с хромосомой несут бактериальные клетки
и которая реплицируется независимо от бактериальной
хромосомы. Используя ферменты рестриктазу (расщепляет
плазмиду в отдельных местах) и лигазу (сшивает разрезанную
плазмиду), ген или его часть ―вшивают‖ в плазмиду. Репликация
плазмид позволяет нарабатывать гены в необходимых для генноинженерных работ количествах.
2. Трансформация.
Непосредственный перенос гена в чужеродный геном
получил название генетическая трансформация. Система,
обеспечивающая такой перенос, получила название вектор.
2.1. Плазмидные вектора
В качестве векторов используются плазмиды бактерий и
для трансформации растений чаще всего Ti – плазмида (от англ.
tumor induction) почвенной бактерии Agrobacterium tumefaciens. В
природных условиях Agrobacterium tumefaciens проникают в
клетки корней растений и там размножаются. При этом часть
плазмидной ДНК (T-ДНК) встраивается в хромосомы
поврежденных (зараженных) клеток, индуцируя образование
галлов (опухолей). Это - какбы естественный вектор переноса
ДНК. При трансформации растений используют так называемую
разрушенную Ti-плазмиду, которая лишена онкогенов,
вызывающих образование галлов. Вместо этих генов в плазмиду
―вставляют‖ интересующие исследователя гены, а также так
называемые репортерные гены, позволяющие убедиться во
встраивании T-ДНК в геном растения. Это, в первую очередь,
такие гены, как гены неомицинфосфотрансферазы II (NPTII),
дигидрофолатредуктазы (
), гигромицинфосфотрансферазы
(НРТ), в результате экспресссии которых, трансформированная
клетка становится устойчивой к антибиотикам канамицину,
метатрексиату и гигромицину В.
При культивировании трасформированных клеток на среде с
данным антибиотиком, выживают только клетки, у которых Т164
ДНК включена в геном. Помимо ―встроенных‖ генов Ti-плазмида
должна содержать гены vir-областей (vir A, vir B, vir C, vir D, vir
G), обеспечивающих сам процесс встраивания T-ДНК в
хромосому. В последующем была создана, так называемая,
бинарная система трансформации, состоящая из небольшой,
реплицирующейся как в E.coli, так и в A.tumefaciens, плазмиды
(5-10 кб), несущей переносимые гены и Ti-плазмиды, несущей
vir-гены с делетированной Т-ДНК. Считается, что с
использованием
A.tumefaciens
легче
трансформировать
двудольные растения (горох, табак и т.п.), чем однодольные
(пшеница, кукуруза). Но это уже зависит от избранного метода
трансформации.
Вообще же к настоящему времени создано огромное
число плазмид, которые используются в качестве векторов при
трансформации как растений, так и животных.
2.2. Вирусные векторы.
В целях трансформации растений используют и векторы,
сконструированные на основе растительных вирусов. Однако их
набор ограничен. Это объясняется тем, что у большинства
растительных вирусов генетическим материалом является РНК,
и только у некоторых, как вирус мозаики цветной капусты
(СаМV) и группы вирусов Gemini, наследственным материалом
служит ДНК. Недостатком вирусных векторов является
ограниченная протяженность встраиваемых генов ( от 200 до 500
п.н.) и высокая специфичность по отношению к видам растений.
Так, вирус мозаики цветной капусты можно использовать только
при трансформировании растений, относящихся к семейству
крестоцветных.
165
2.3. Безвекторные системы.
2.3.1. Генная пушка (рис.13.1).
Рисунок 13.1. Схематическое изображение «генной пушки» (Цильке,
2001, с. 21).
Этот метод носит название ―биологической баллистики‖.
Он заключается в обстреле из вакуумной пушки (генная пушка)
суспензий клеток растений, протопластов и каллусов. Обстрел
растительных целей (тканей) производят частицами золота или
вольфрама (диаметр 0,6 – 1,2 мкм), на которые напылена
чужеродная ДНК. Растительные клетки располагают на
специальной целлофановой пластине. Частицы металла
пронизывают клетки, оставляя в них ДНК. Трансформируется
при этом около 10-15% клеток, часть из которых регенерирует в
нормальные растения. И хотя процесс трансформации все же
носит случайный характер, к настоящему времени этим способом
получены
трансгенные
растения,
преимущественно
из
однодольных культур (кукуруза, рис, пшеница и др.).
2.3.2. Метод электропорации.
Это один из методов прямого введения ДНК в клетку.
Растительные клетки погружают в среду с находящейся в ней
чужеродной ДНК. Через эту среду пропускают ( доли секунды ! )
электрический ток с напряжением 250-300 В. Через
166
расширившиеся поры ядерной мембраны чужеродная ДНК
проникает в ядра и включается в хромосомы.
2.3.3. Микроинъекции.
С помощью микроигл (наружный диаметр 2 мкм)
чужеродную ДНК вводят в ядра клеток, закрепленных на стекле
при помощи полилизина.
2.3.4. Использование ―агентов слияния‖.
В качестве ―агентов слияния‖ используют положительно
заряженные сферы липидов (липосомы), которые обволакивают
векторную ДНК, защищая ее от действия нуклеаз. Находящаяся в
липосомах ДНК проникает с их помощью в растительные клетки
(механизм изучен недостаточно) и включается в геном.
3. Обеспечение эффективной экспрессии клонированных
генов.
Важной проблемой при клонировании чужеродных генов
в
геном
растений
остается
проблема
экспрессии
(функционирования) этих генов. Как было показано выше
важную часть каждого гена составляет регуляторная часть. Часто
у клонированных в чужеродный геном генов регуляторная часть
(промоторы, энхансеры) не обеспечивают процесса транскрипции
и трансляции. Это объясняется тем, что она высокоспецифична
по отношению к естественным генетическим эффекторам
(рибосомы, РНК-полимеразы, факторы сплайсинга и т.п.). И чаще
всего не может функционировать в чужеродном геноме
(гетерологичное генетическое окружение). К настоящему
времени разработаны различные подходы для решения прблем
эффективного функционирования клонированных генов в
системе ДНК → РНК → белок. Основным фундаментом всех
подобных разработок служит универсальность генетического
кода, что создает принципиальную возможность создания
искусственных, но эффективно экпрессирующих генноинженерных конструкций, в частности рекомбинантных генов.
Это
ген,
у
которого
кодирующая
нуклеотидная
последовательность определенного гена соединена с промотором
другого гена, позволяющего с высокой эффективностью
167
экспрессироваться в неродственных геномах. В качестве
подобных промоторов при генноинженерных манипуляциях с
растениями чаще всего используют 35S – промотор вируса
мозаики цветной капусты (это один из редких растительных
вирусов, основу которого составляет ДНК) или промоторы
опиновых генов pTi – плазмиды (гены обеспечивающие синтез
необходимых для бактерии A.tumefaciens метаболитов).
4. Трансгенные формы растений.
Создание первых трансгенных растений датируется 1983
г. (США, Германия). К 1997 году были получены трансгенные
растения, относящиеся к 48 видам и число их нарастает с каждым
годом. Основные направления в создании трансгенных растений
следующие:
 создание растений, устойчивых к энто- и фитопатогенам
 создание растений, устойчивых к гербицидам, к
засолению почв и т.п.
 изменение качества прдукции растений (к-во волокна,
увеличение срока хранения плодов, повышение
содержания витаминов и сахара в семенах и плодах)
 создание
растений-фабрик
для
производства
специфических веществ и лекарств (см. табл. 13.2).
Примеры полученных трансгенных растений приведены в
таблице 13.1.К настоящему времени во многих странах (США,
Аргентина, Канада, Мексика, Румыния, Египет) трансгенные
растения выращиваются в производственных масштабах. Среди
возделываемых трансгенных растений наибольшие площади
занимает соя – 58%, далее идут кукуруза – 23%, хлопчатник –
12%, рапс – 7% и картофель – 0,01%. При этом по данным фирмы
Monsanto (2001) среди них доля устойчивых к гербицидам
составляет 74%, устойчивых к вредителям – 19% и комплексно
устойчивых к вредителям и гербицидам – 7%.
168
Таблица 13.1.
Трансгенные растения, полученные в разных странах
(Цильке, 2001).
Культура
Томат
Томат
Кукуруза
Хлопчатник
Хлопчатник
Картофель
Соя
Соя
Рис
Рапс
Измененный признак
Сохраняемость формы
плода при созревании
(FlavrSaмr)
Устойчивость
к
грибным болезням
Устойчивость
к
вредителям
Устойчивость
к
вредителям
Устойчивость
к
гербицидам
Фирма, год
Galgene,
Zeneca,
Monsanto, 1994-1996
Устойчивость
к
колорадскому жуку
Устойчивость к вирусам
Monsanto, 1996
Устойчивость
к
гербицидам
Устойчивость к вирусам
Monsanto, 1995-1996
Измененный
жирных кислот
169
состав
MOGEN, 1996-1997
Ciba Seeds, Monsanto,
1995
Monsanto, 1995
Monsanto, Du Pont,
1995-1996
Agr Evo, 1996
NARC, Plant Tech.,
1994-1995
Calgene, 1995-1996
Таблица 13.2.
Примеры использования растений для ―производства‖ масел,
углеводов и белков (Goddijn, Pen, 1995 – из Гапоненко, Долгов,
1997).
Источник
гена(ов)
Растениереципиент
Крыса
Табак
Водородные
бактерии
Alcaligenes
Арабидопсис,
рапс, соя
Продукт
гена(ов)
Липиды
Мононенасыщенные
жирные
кислоты
Полиоксимасляная кислота
Назначение
Пищевая
промышленность
Биоразлагающийся
пластик
eutrophus
Репа
Рапс
Насыщенные
жирные
кислоты
Картофель
Картофель
Энтеробактерия
Klebsiella
Картофель
Углеводы
Крахмал
(свободный от
амилазы)
Циклодекстри
ны
Пищевое
(кондитерское)
производство
Пищевая
промышленность
Пищевая и фармокологическая
промышленность
pneumoniae
Сенная палочка
(Bacillus subtilis)
Кишечная
палочка
(Escherichia coli)
Кишечная
палочка
(Escherichia coli)
Бактерии,
Табак, картофель
Фруктаны
Картофель
Увеличенное
количество
крахмала
Трегалоза
Табак
Табак,
Полипептиды
томаты,
170
Пищевая
промышленность
Пищевая
промышленность
Консервация
пищевых продуктов
Создание вакцин
вирусы
картофель, салат
Антигены
Человек
Табак
Человек
Табак
Эпидермальны
й фактор роста
Эритропоэтин
Форель
Табак,
арабидопсис
Гормон роста
Человек
Турнепс
Интерферон
Бактерии
Bacilus
Табак, люцерна
Пролиферация
специфичных клеток
Регуляция
уровня
эритроцитов
Стимуляция роста
Антивирусное
действие
Ферменты
Сжижение крахмала
α -амилаза
licheniformis
Паразитический
гриб
Trichoderma
Ячмень
Пивоварение
(1-3,1-4)-βглюканаза
reesei
Несовершенный
гриб
Aspergillus niger
Табак
Бактерия
Clostridium
Табак
Фитаза
Ксилоназа
termocellum
Производство
кормов
животных
для
Производство
кормов, бумажная
промышленность,
хлебопечение
Следует иметь ввиду, что до сих пор нет однозначного ответа
на вопросы:
 каковы экологические последствия введения в культуру
растений с вирусными и бактериальными генами?
 вредна или нет прдукция трансгенных растений для
организма человека и животных?
 нарушат ли возделываемые трансгенные растения при
горизонтальном
переносе
пыльцы
эволюционно
сформировавшуюся стабильность растительных и
почвенных биоценозов на нашей планете?
171

насколько велика опасность появления новых мутантов
энто- и фитопатогенов?
На все эти вопросы необходимы незамедлительные ответы,
так как по имеющимся данным площади под посевами
трансгенных растений постоянно (благодаря усилиям фирм типа
Monsanto) увеличиваются. И если в 1996 г. они составляли около
1.7 млн.га, то в 2000 году уже 44.2 млн га.
5. Ключевые слова и понятия
векторы
клонирование гена
генетическая трансформация
рестриктазы
генная пушка
172
Лекция 14. НЕХРОМОСОМНАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
Явление нехромосомной наследственности. – Пластидная наследственность. –
Митохондриальная наследственность. – Цитоплазматическая мужская
стерильность (ЦМС).
1. Явление нехромосомной наследственности.
Явление нехромосомной наследственности было открыто
в 1909 г. немецкими исследователями К.Корренсом и Э.Бауром и
относилось к наследованию пестролистности у растений. В
опытах с ночной красавицей (Mivabils jalapa) К.Корренс
обнаружил, что окраска листьев (зеленая или пестрая) зависит от
материнского растения (материнская наследственность). Если
пестролистное растение (♀) скрещивалось с зеленым (♂), то F1
было пестролистное, а если за мать брали зеленое растение, то F1
было зеленое. В экспериментах же Э.Баура на пестролистность F1
оказывали влияние оба родителя, но соотношение растений
отличается от менделевского (рис. 14.1).
Позднее явление материнской наследственности было
обнаружено у кукурузы (Zea mays), львиного зева (Antirrinum
majus), арабидопсиса (Arabidopsis thaliana), хлопчатника
(Gossipium arvense) и других культур, а также моллюсков
(Laminea
pereyra),
грибов
(Podospora),
водорослей
(Clhamydomonos reinhardi), дрожжей (Saccharomyces cereviseae),
насекомых (Drosophila tunebris). Все это говорит об
универсальности данного явления.
173
Рисунок 14.1. Наследование факторов, связанных с хлоропластами у
высших растений. А. Материнское наследование. Все потомство сходно
с женским родителем; от мужского родителя гены хлоропластов не
передаются. Б. Двустороннее наследование. Гены хлоропластов
передаются как от женского, так и от мужского родителя; получаются
неменделевские соотношения, которые могут изменяться под влиянием
генотипа и среды (Седжер, 1975, с. 199)
174
Многими исследованиями было показано, что явление
материнской
(нехромосомной)
наследственности
детерминируется мутациями генетического материала (ДНК),
находящегося не в ядре, а в других клеточных органоидах
(пластиды, митохондрии и др.) (рис. 14.2).
геном*
хромосомы
Весь генетический
материал клетки
гены
пластиды
плазмон
митохондрии
субмикроскопи-
плазмагены**
ческие частицы
цитоплазмы
Рисунок 14.2. Схема распределения генетического (наследственного)
материала клетки (Хагеман, 1962).
Наиболее полно изучены три типа нехромосомной
наследственности:
- пластидная;
- митохондриальная;
- цитоплазматическая мужская стерильность.
2.Пластидная наследственность.
Примером пластидной наследственности могут служить
опыты М.Роудса с кукурузой. М.Роудс изучал пестролистность,
называемую ioja, у кукурузы. Если в качестве материнского
растения бралось растение с зелеными листьями, а за отца растение с пестрыми листьями, то первое гибридное поколение
(F1) имело зеленые листья.
___________________________________
* термин предложен Винклером в 1920 г. для обозначения совокупности генов,
находящихся в гаплоидном наборе хромосом.
** термин предложен К.Карренсом в 1929г. для обозначения наследственных
факторов цитоплазмы.
175
В том же случае, когда в качестве материнского растения брали
растения с пестрыми листьями, а в качестве отцовского - с
зелеными, то в F1 получали растения с зелеными листьями, с
пестрыми листьями и с белыми листьями. То есть признак по
мужской линии не наследовался. Было показано, что пестрые
листья имеют три типа клеток: клетки с зелеными
хлоропластами, клетки с зелеными и белыми хлоропластами (не
способны осуществлять синтез хлорофилла) и клетки с белыми
хлоропластами.
При клеточном делении появление определенного типа
клеток, зависит от того, как пройдет образование клеточной
перегородки (рис. 14.3).
Рисунок 14.3. Схема случайного распределения белых и зеленых
пластид при клеточном делении (Мюнтцинг, 1967, с. 454).
Неспособность же хлоропластов осуществлять синтез
хлорофилла обусловлена нарушениями (мутациями) ДНК
хлоропластов. Интересно, что в ряде случаев в качестве
мутагенного фактора может выступать гомозиготное состояние
ядерного гена. Например, у кукурузы таким фактором является
гомозиготное состояние гена ij (генотип ij ij). Частота же
спонтанных мутаций хлоропластов колеблется по разным
сведениям от 0,02% до 0,5%.
Так как пластиды у большинства растений передаются по
материнской линии, то такой тип наследственности получил
название материнской. Следует отметить, что имеются растения,
у которых пластиды могут передаваться со спермиями
176
(например, герань). Однако, и в этом случае расщепление в
гибридных поколениях отличается от менделевского (рис. 14.4).
Рисунок 14.4. Нехромосомное наследование
кукурузы (Сэджер, Райн,1964, с. 288)
пестролистности
у
3. Митохондриальная наследственность.
Митохондрии являются клеточными органоидами,
имеющими ―собственную‖ ДНК. Митохондрии, как и пластиды,
передаются по материнской линии. Были обнаружены
митохондриальные мутанты petite (маленькая колония) у
дрожжей (Sacharamices cerevise) и poky (медленно растущий
177
мутант) у нейроспоры (Neurospora). Эти мутации обусловлены
изменениями в митохондриальной ДНК.
В связи с тем, что митохондрии передаются только по
материнской линии, результаты скрещиваний вышеназванных
мутантов как у дрожжей, так и у нейроспоры отличаются от
менделевских соотношений.
Рисунок 14.5. Генетическая карта митохондриального генома сахарной
свеклы. Заштрихованными прямоугольниками обозначены гены и ORF,
протяженностью более 100 аминокислот. Интроны показаны тонкой
линией. Гены вне круга транскрибируются по часовой стрелке. (Кubo et.
al., 2000 – по Даниленко, Давыденко, 2003, с. 142).
178
4. Цитоплазматическая мужская стерильность (ЦМС).
Мужская
стерильность
(стерильность
или
нежизнеспособность пыльцы) существует двух типов:
 генная мужская стерильность (определяется ядерными
генами);
 цитоплазматическая мужская стерильность (определяется
мутациями мт-ДНК).
4.1 Молекулярно-генетическая детерминация ЦМС.
Цитоплазматическая мужская стерильность описана белее
чем у 300 высших растений. Среди сельскохозяйственных
культур - это кукуруза, лук, фасоль, морковь, сахарная свекла,
сорго, просо и многие др. Первым растением, у которого была
открыта цитоплазматическая мужская стерильность, была
кукуруза. Честь открытия ЦМС в 1930-1932 гг. принадлежит
М.Хаджинову (бывший СССР) и М.Родсу (США). У кукурузы
различают три типа стерильности: молдавский (М), техасский (Т)
и бразильский (С). Было показано, что цитоплазматическая
мужская стерильность определяется особенностями цитоплазмы,
вызванными мутациями некоторых митохондриальных генов.
ЦМС связана с мутациями мт-ДНК. Установлено, что у кукурузы
с ЦМС Техасского типа выявлен митохондриальный ген Т-urf13,
детерминирующий образование белка 13 кД. Этот белоккодирующий ген образуется из генных фрагментов исходно
кодирующих РНК рибосом. У риса с ЦМС типа ЦМС–bо
(―Chinsurah boro II‖) показано наличие в мт-ДНК дополнительной
модифицированной копии гена atp6: ß-atp6, а у фасоли (виды
Phaseolus vulgaris и Phaseolus coccineus) область мт-ДНК,
вызывающая ЦМС, состоит из двух генов orf98 и оrf239. Продукт
гена orf239 обнаруживается только в генеративных тканях. У
редиса с ЦМС установлен на 5’-конце ген orf105, который
нарушает структуру рамки считывания гена atp6 и вызывает
ЦМС.
Цитоплазма у стерильных растений обозначается как
цитS, а у нормальных растений цитN.
179
4.2. Восстановление фертильности растений при ЦМС.
На
проявление
цитоплазматической
мужской
стерильности оказывают влияние и ядерные гены (rf).
Для кукурузы взаимодействие стерильной цитоплазмы с
ядерными генами выглядит следующим образом:
- цитS rfrf
стерильная пыльца
- цитS RfRf*
фертильная пыльца
- цитS Rfrf
фертильная пыльца
- цитN rfrf
фертильная пыльца
N
- цит RfRf
фертильная пыльца
- цитN Rfrf
фертильная пыльца
Линии
кукурузы,
пыльца
которых
закрепляет
стерильность, получили название ―закрепители стерильности‖.
Их генетическая формула – цитN rfrf. Если пыльца линий
восстанавливает фертильность, то такие линии называют
―восстановители фертильности‖. Их генетические формулы:
цитN RfRf и цитS RfRf.
При закреплении стерильности скрещивания проводят по
следующей схеме:
♀ цитS rfrf
х
♂ цитN rfrf
↓
F1
цитS rfrf
(первое поколение со стерильной пыльцой)
Для получения фертильного потомства скрещивание
проводят по схеме:
♀ цитS rfrf
х
♂ цитN RfRf
↓
F1
цитS RfRf
(фертильность пыльцы в F1 полностью восстановлена)
_____________________________
*для кукурузы установлены гены Rf1, Rf8
180
При получении коммерческих двойных межлинейных
гибридов схема скрещиваний выглядит, как показано на рис. 14.6.
Более сложная картина установлена для сахарной свеклы
(Оуэн, 1942). Она контролируется двумя рецессивными генами x
и z в сочетании со стерильной цитоплазмой цитS. Существуют
следующие типы стерильной цитоплазмы сахарной свеклы: S1, S2,
S3 и S4, которые различаются содержанием в митохондриях
плазмидоподобных колец a-, b-, c-, d-типов. Здесь описано два
типа стерильности цветков свеклы:
0 – полная мужская стерильность (генотип растений цитS xxzz)
1 – желтые пыльники содержат мелкие пыльцевые зерна.
Пыльники не вскрываются (генотипы растений цитS Xxzz, цитS
xxZz, цитS XXzz, цитS xxZZ).
Нормальные пыльцевые зерна развиваются у всех растений с
нормальной цитоплазмой (цитN), а также у следующих четырех
генотипов со стерильной цитоплазмой (цитS): XxZz, XXZz, XxZZ,
XXZZ. Растения с генотипом цитN xxzz являются закрепителями
стерильности.
4.3. Молекулярный уровень эффекта генов Rf на
митохондриальный геном.
На молекулярном уровне восстановление фертильность у
кукурузы с Т-типом стерильности происходит следующим
образом. Ядерный ген Rf1 снижает количество м-РНК гена urf13,
в результате транскрипт содержит неполную последовательность
гена urf13. Однако это не приводит к полному восстановлению
фертильности. Необходимо присутствие одновременно второго
ядерного гена Rf2, который кодирует белок, сходный с
митохондральной альдегиддегидразой. В результате полностью
восстанавливается фертильность пыльцы.
181
Рисунок 14.6. Схема скрещиваний
межлинейных гибридов на основе ЦМС.
182
при
получении
двойных
У фасоли (Phaseolus vulgaris) несколько иной (хотя в целом
и схожий) механизм восстановления фертильности. У нее
восстановление фертильности обеспечивают гены Fr и Fr2. Ген
Fr2 детерминирует уменьшение концентрации белка ORF239, что
в свою очередь нормализует развитие пыльников, а ген Fr
приводит к исчезновению из генома последовательности pvs,
входящей в ген orf239. В результате фертильность
восстанавливается.
5. Ключевые слова и понятия.
нехромосомная
наследственность;
митохондриальная
наследственность;
плазмон;
пластидная наследственность;
цитоплазматическая мужская
стерильность
.
183
Лекция 15. МОДИФИКАЦИОННАЯ И МУТАЦИОННАЯ
ИЗМЕНЧИВОСТЬ.
Модификационная изменчивость. - Наследственная изменчивость. –
Комбинативная изменчивость. – Мутационная изменчивость. – Спонтанные
мутации. – Прямые и обратные мутации. – Жизнеспособность мутантов. – Закон
гомологических рядов наследственной изменчивости Н.И. Вавилова. Ключевые слова и понятия.
По словам М.Е. Лобашова (1967) ―изменчивость есть
процесс, отражающий взаимосвязь организма со средой‖
(стр.285)*. Все живые организмы развиваются, живут и приносят
потомство при определенных, часто весьма разнообразных и
непрерывно изменяющихся, условиях внешней среды. В процессе
индивидуального развития взаимодействие среды и организмов
приводит к определенной их изменчивости.
При
этом
различают
два
типа
изменчивости:
модификационную**, которая не передается потомству и
мутационную, которая отражает изменение генотипа и
наследуется из поколения в поколение.
1. Модификационная изменчивость.
Один из примеров модификационной изменчивости мы
уже проводили во введении, говоря о стрелолисте. Здесь
целесообразно рассмотреть и другие примеры. Например, у
мягкой пшеницы (разновидность эритроспермум) в условиях
прохладного лета ости колоса белого цвета, а в условиях жаркого
– черного. В последнем случае разновидность определяется, как
нигриаристатум . Цвет остей в обоих случаях зависит от
условий выращивания. Растения примулы, выращивающиеся при
tо =15-20оС имеют цветки красного цвета, а при tо =30-35оС –
белого. У дрозофилы встречаются мухи с мутацией ―vestigial‖,
вызывающей недоразвитие крыльев. Так вот, если этих мух
выращивать при температуре 14оС у них крылья практически не
развиваются, а при t0=31оС развиваются почти нормальные
крылья. Уровень развития же крыльев у потомства этих мух, в
____________________________________________________
* М.Е. Лобашов. Генетика. И-во ЛГУ. 1967.с.285.
** Термин модификация предложен К. Негли (1865).
184
свою очередь будет зависеть от температуры, при которой они
будут выращиваться.
Реакция организма на изменение внешних условий не
беспредельна и определяется его генотипом. Например, растения
одного и того же вида гороха по-разному реагируют на засуху.
При определенном уровне влагообеспеченности одни растения
гибнут, вторые не завязывают семян, а третьи выживают и дают
неплохой урожай семян. Иными словами каждый организм
обладает индивидуальной изменчивостью.
Пределы
реакции
определенного
организма
на
изменчивость внешних условий получили название норма
реакции генотипа.
Для сельскохозяйственной практики нашей страны
наибольшую ценность представляют генотипы с широкой
нормой реакции. Это объясняется ежегодно меняющимися
условиями вегетационного периода: засушливое лето, дождливое
лето, паровые и непаровые предшественники и т.п. Например, в
бывшем СССР возделывались два сорта озимой мгкой пшеницы
Украинка и Безостая 1. Оба обладали зерном высокого качества.
Но вот сорт Украинка сохранял высокое качество клейковины
зерна при посеве как по черному пару, так и по занятым парам, а
сорт Безостая 1 только при посеве по черному пару. И еще одно.
Каждый организм в любом живом сообществе, будь то растения
какого-то сорта зерновой культуры, деревья в лесу, животные
или человек имеет свои строго индивидуальные особенности. Это
явление получило название индивидуальной изменчивости. Эта
изменчивость для каждого организма может быть двух типов:
количественная (определяется метрическими мерами: вес, масса,
рост и т.п.) и качественная (окраска, форма семян и т.п.).
Последняя, как правило, не может быть определена
метрическими мерами.
В основе этих двух типов индивидуальной изменчивости
лежит закон, открытый впервые бельгийским ученым Кетле
(1846)*. Согласно Кетле, существует некая средняя величина,
характеризующая определенную совокупность значений по
какому-то признаку (измерение растений определенного сорта).
________________________________
*Цитир. по Ю.А.Филипченко. Генетика Гос.Издат. М-Л., 1929 (стр.56).
185
В этой совокупности любая из особей в той или иной степени
отклоняется по рассматриваемому признаку (его величине) от
средней. Величина этого отклонения у одних особей больше, у
других меньше (рис. 15.1.). В целом же все особи изучаемого
сообщества, как это видно на рис. 15.1, составляют некий ряд
(вариационный ряд), в котором все особи (варианты)
симметрично распределяются около некой средней.
Рисунок 15.1. Нормальное распределение вероятностей на примере 5494
семян фасоли сгруппированных по массе (по Иоганнсену из: Брюбекер,
М. 1966. с.15.
Закономерности распределения особей (вариантов)
изучает статистика, оперируя такими показателями как дисперсия
(величина
рассеивания
показателей
вокруг
средней
арифметической) и связи (корреляция, коварианса).
186
При этом вычисляют среднюю арифметическую и вариансу
(дисперсию), пользуясь следующими формулами:
х
Х
n
где х – средняя арифметическая;
– сумма наблюдений Х;

n – число наблюдений.
Дисперсия же (õ2) вычисляется по формуле:

2
Х

2
 ( Х ) 2 / n
n 1
Наиболее
часто
в
статистике
при
изучении
количественных признаков применяется варианса, как важная
статистическая
величина,
показывающая
изменчивость
изучаемого количественного признака. Корень квадратный из
вариансы называется стандартным отклонением (õ), а отношение
стандартного отклонения к среднему арифметическому ( х ),
называется коэффициентом вариации (V%). Он применяется при
сравнении данных, полученных при использовании разных
единиц измерения см.(высота особи), г. (масса особи) и т.п.
И еще один показатель, это распределение исследуемых
значений около средней арифметической. На рисунке 15.1
показано нормальное распределение семян фасоли по массе, при
этом 95% семян фасоли находятся в пределах от х +2õ до х -2õ.
Отклонения,
превышающие
2õ,
считаются
достаточно
значимыми и требуют дополнительных исследований для
установления причины этого факта.
Часто ненаследственная изменчивость в научных работах
называется паратипической.
187
2. Наследственная изменчивость
Наследственная изменчивость бывает двух типов:
 комбинативная;
 мутационная.
2.1. Комбинативная изменчивость.
Комбинативная изменчивость является результатом
перекомбинации генов при половом размножении организмов. В
результате возникают организмы с новым сочетанием генов,
которые отличаются от материнского и отцовского генотипов.
Часто такое сочетания генов создает определенные преимущества
нового организма перед его собратьями и, следовательно,
повышают конкурентноспособность. В дикой природе это
приводит к увеличению особей с подобным сочетанием генов и
определенным образом сказывается на направленности
эволюционных процессов, а также противостоянию растительных
и животных сообществ антропогенной деятельности человека.
Комбинативная
изменчивость
является
основой
синтетической селекции. При выведении новых сортов
селекционеры стремятся так подбирать исходный материал для
скрещиваний, чтобы в результате получить форму обладающую
новым сочетанием хозяйственно-ценных признаков. Примером
может служить схема создания сорта пшеницы, одновременно
устойчивого к двум болезням – бурой листовой ржавчине и
мучнистой росе. Предположим, что сорт A несет ген Lr13,
детерминирующий устойчивость к ржавчине, а сорт B – ген Pm6,
определяющий устойчивость к мучнистой росе. Селекционер,
скрестив сорт А с сортом В, во втором гибридном поколении
отбирает растения устойчивые к обоим болезням, а в Fn по
потомству отдельных растений отбирает формы с генотипом
Lr13Lr13Pm6Pm6, которые дают нерасщепляющееся по
селектируемым признакам потомство:
188
Сорт А
(генотип Lr13Lr13pm6pm6)
х
Сорт В
(генотип lr13lr13Pm6Pm6)
↓
Lr13lr13Pm6pm6
↓
самоопыление
↓
lr13lr13Pm6- + Lr13-Pm6- + lr13lr13pm6pm6 + Lr13-pm6pm6
( брак )
(брак)
(брак)
↓
Fn Lr13Lr13Pm6Pm6
F1
F2
2.2. Мутационная изменчивость.
Приоритет в создании теории мутаций принадлежит
русскому ботанику С.И.Коржинскому, опубликовавшему в 1899
г. работу ―Гетерогенезис и эволюция‖, и голландскому генетику
Г. де Фризу, обосновавшему в своей работе ―Теория мутаций‖
(1901), значение мутаций* (внезапных наследуемых
изменений). В научных трактатах (средневековые) и статьях
(более позднее время) существовало много примеров
мутационных изменений. Например:
 описано в 1590 г. появление формы чистотела
(Chelidonium majus) в саду аптекаря Шпренгера в
Гейдельберге, которая отличалась от обычных форм этого
растения перистораздельными листьями;
 в 1761 г. в Версале среди растений обыкновенной
земляники (Fragaria vesca) появилось растение с
цельными простыми листьями яйцевидной формы;
 в 1791 г. в Массачусете родился родоначальник
(единственный)
анконовской
породы
овец,
характеризующейся короткими, кривыми ногами и
длинной изогнутой спиной.
___________________________________
*Термин ―мутация‖ предложен Г. де Фризом (1901).
189
И многие другие примеры были широко известны ученым, но
только С.И. Коржинский и Г. де Фриз правильно оценили
значение подобных внезапных изменений в эволюции
растительного и животного мира. Но, если первый свои выводы
сделал на основе обобщения литературных данных, то Г. де Фриз
- на основе собственных экспериментов* с энотерой Ламарка
(Oenothera lamarckiana). Де Фриз сформулировал следующие
законы мутационной теории, которые мы приводим в
современном понимании:
1. Возникновение мутаций происходит внезапно.
2. Мутантные формы константны с момента своего
возникновения.
3. Мутационная изменчивость не связана с модификационной и
независима от нее.
4. Мутации происходят во всех возможных направлениях.
5. Одни и те же мутации могут возникать повторно.
В то же время следует отметить, что основоположники
мутационной теории ошибались, считая, что мутация сразу же
приводит к возникновению нового ―элементарного вида‖. В
действительности любая мутация является лишь ―материалом‖
для естественного отбора.
2.3. Спонтанные мутации.
Спонтанные (случайные) мутации возникают постоянно
как
у
самоопыляющихся
растений,
так
и
у
перекрестноопыляющихся. При этом следует признать, что часто
бывает довольно сложно отличить возникшую мутацию от
редкой рекомбинации, особенно при сильном сцеплении генов.
При этом следует иметь в виду, что отличить выщепление
редких
комбинаций
генов
значительно
сложнее
у
перекрестников, чем у самоопылителей. Дело в том, что у
самоопылителей
гомозиготность,
а
следовательно
и
константность, достигается значительно быстрее.
___________________________________
*Опубликованы в труде Г. де Фриз ―Мутационная теория – опыты и
наблюдения над происхождением видов в растительном царстве‖. Т.1 (1901) и
Т.2 (1903).
190
Считается, что естественный отбор отсеивает вредные
мутации, сохраняя только те, которые содействуют повышению
жизненности организма. Здесь следует помнить, что характер
реакции мутации меняется в зависимости от окружающей среды
и генотипа. Мутации в естественных условиях возникают
случайно и частота их зависит от гена. Мутации одних генов
возникают значительно чаще, чем других (табл. 15.1).
Чем это вызвано сказать трудно. Многие спонтанные
мутации растений оказались очень полезными для селекции.
Хорошим примером этого является выявление безалкалоидного
мутанта желтого люпина Р. Зенгбушем и Е. Бауром в Германии.
Этот мутант дал начало безалколоидным сортам желтого люпина
во многих странах мира.
Общая мутабильность организма может повышаться при
наличии генов - мутаторов (мобильные элементы), а также при
определенных биохимических и физиологических изменениях в
клетках.
Таблица.15.1.
Частота спонтанных мутаций у кукурузы ( по Stadler L.J. из
Ф.Эллиота, 1961).
Ген
Число
изученных
гамет
Обнаружен
о мутаций
R – фактор окраски
алейрона
I – ингибитор окраски
Pr
окрашенный
алейрон
554786
273
Частота
мутаций на
1 000 000
гамет
492.0
265391
647102
28
7
106.0
11.0
Su
–
эндосперм
1678736
4
2.4
Y – желтый эндосперм
1745280
4
2.2
Sn–морщинистый
эндосперм
2469285
3
1.2
1503744
0.
0.0
Wx
эндосперм
сахаристый
мучнистый
191
2.4. Прямые и обратные мутации.
Большинство
спонтанных
мутаций
является
рецессивными, то есть доминантный аллель гена мутирует в
рецессивный: А  а. Это ―прямая мутация‖. Встречаются и
―обратные мутации‖, когда мутантный рецессивный аллель
мутирует в доминантный:
а  А.
Однако в этом случае вновь возникший аллель А1, по своему
действию, как правило, несколько отличается от аллеля A. Это
положение очень хорошо показано на экспериментах с
нейроспорой
(Neirospora
crassa)
и
различными
микроорганизмами. Дело в том, что большинство мутантов
микроорганизмов утрачивают способность к синтезу какой-либо
аминокислоты. Поэтому такой мутант не способен расти на
средах, лишенных этой аминокислоты. Однако, если происходит
обратная мутация, то отдельные колонии начинают расти.
2.5. Жизнеспособность мутантов.
Подавляющее большинство возникших мутантов, как
правило, менее жизнеспособно по сравнению с нормальными
формами. В предыдущем разделе мы говорили о мутантах
микроорганизмов, которые не способны синтезировать
аминокислоты, необходимые для их роста. Многие рецессивные
мутантные гены в гомозиготном состоянии вызывают летальный
эффект. Так, у ячменя с частотой 1:10000 возникают мутантыальбиносы, у которых мутировал ген, детерминирующий
нормальный синтез хлорофилла. Такие растения гибнут. Это
рецессивная мутация. Доминантные мутации также могут
вызывать летальность. Например, у человека ген брахидактилии
в гомозиготном состоянии уже на ранних этапах развития
зародыша вызывает его гибель. Поэтому у всех носителей этого
гена он находится в гетерозиготном состоянии. Примером
сублетальных мутаций, когда рецессивные гомозиготы живут
какое-то время, а затем гибнут, могут быть такие болезни
человека как пигментная ксеродермия (болезнь кожи) и
гемофилия (несвертываемость крови).
192
2.6. Закон гомологичных рядов в наследственной изменчивости
Н.И.Вавилова.
Исследуя изменчивость близких (гомологичных) видов
растений, в пределах одного и того же рода, Н.И.Вавилов (1920)
установил закономерность, показывающую сходные направления
этой изменчивости. Например, у вида мягкой пшеницы
(T.aestivum L.) существует множество разновидностей и
физиологических рас, различающихся по следующим признакам:
1. остистые, безостые, полуостистые колосья;
2. белые, красные, серые, черные колосья;
3. колосья с гладкими чешуями и опушенными;
4. зерна белые и красные;
5. озимые и яровые формы.
Родственные T.aestivum виды T.compactum и T.spelta имеют
разновидности и расы со всеми этими признаками. Подобную
параллельность в наследственной изменчивости Н.И.Вавилов
обнаружил и у диких видов пырея Agropyrom repens и A.cristatum,
а также у многих других родственных видов. В целом
исследование растений по группам видов, родов и семейств
позволило Н.И.Вавилову прийти к следующим выводам*:
1. Виды и роды, генетически близкие между собой,
характеризуются тождественными рядами наследственной
изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм для
одного вида, можно предвидеть нахождение тождественных
форм у других видов и родов. Чем ближе генетически
расположены в общей системе роды и линеоны, тем полнее
тождество в рядах их изменчивости.
2. Целые семейства растений в общем характеризуются
определенным циклом изменчивости, проходящей через все
роды, составляющие семейство. И еще очень интересное
замечание Н.И.Вавилова**: ―Природа оказывается бессильной до
бесконечности разнообразить виды и роды и производит нередко
аналогичные или почти тождественные формы у разнообразных
родов, семейств и даже порядков‖.
__________________________________
*Н.И.Вавилов. Доклад на III Всероссийском селекционном съезде в г.Саратове.
4 июня 1920 г.Саратов 1920, 16 с.
** там же, с. 16.
193
Следовательно, если на данный момент формы с
определенными признаками не найдены, то можно предвидеть их
нахождение. К примеру, долгое время у вида T.durum (твердая
пшеница) были неизвестны озимые формы, но затем они были
обнаружены в Иране (Д.Д.Букинич, 1918).
Н.И.Вавилов предложил формулу закона гомологической
изменчивости, которая выглядит следующим образом:
L1 (а+b+c+d+e+f+g+h+i+k…)
L2 (a+b+c+d+e+f+g+h+i+k…)
L3 (a+b+c+d+e+f+g+h+i+k…),
где L1, L2, L3 – радикалы отличающие данные виды друг от друга;
a, b, c, d… - варьирующие признаки, такие как окраска чешуй,
листьев, выполненность стебля, наличие лигулы и т.п. (табл.
15.2).
3. Ключевые слова и понятия.
вариационный ряд
дисперсия
жизнеспособность мутантов
изменчивость
количественная
изменчивость качественная
комбинативная
изменчивость
коэффициент вариации
модификационная
изменчивость
мутационная изменчивость
норма реакции организма
обратные мутации
прямые мутации
спонтанные мутации
194
Таблица 15.2.
Общая схема сортовой (расовой) изменчивости видов семейства
Graminece (Вавилов,1935. с.75-128, с сокращениями).
Наследственно
варьирующие
признаки
Рожь
Пшени
ца
мягкая
Ячмень
Соцветие:
зерно пленчатое
зерно голое
колос остистый
колос безостый
ости зазубренные
ости гладкие
+
+
+
+
+
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
Зерно:
белое
красное
зеленое
черное
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
+
+
-
+
+
+
+
+
+
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
+
+
+
-
Вегетативные
признаки:
листья с язычком
листья без язычка
всходы фиолетовые
всходы зеленые
листья голые
листья опушенные
соломина желтая
соломина
фиолетовая
восковой налет на
стебле есть
воскового
налета
нет
Биологические
признаки:
образ жизни:
озимый
яровой
образование
альбиносов
195
Овес
Просо
Рис
Пыре
й
Лекция 16. МОДИФИКАЦИОННАЯ И МУТАЦИОННАЯ
ИЗМЕНЧИВОСТЬ (продолжение)
Индуцированные мутации. – Физические мутагенные факторы. – Дозы
излучения и поглощения. – Химические мутагены. – Классификация мутаций. –
Изменения структуры хромосом. – Изменение положения и порядка генов на
хромосомах. – Изменение структуры гена. – Точковые мутации. – Сдвиг рамки
считывания. – Репарация поврежденной ДНК. – Инсерционный мутагенез. –
Ключевые слова и понятия.
1. Индуцированные мутации.
С момента опубликования работ С. Коржинского и Г. де
Фриза прошел значительный период времени (вплоть до 30-х
годов прошлого столетия), во время которого накапливались
факты спонтанных мутаций разных типов у различных
организмов (преимущественно растений). Однако причины
мутационных изменений оставались загадкой.
И вот в 1925 г. учеными Ленинградского радиевого
института Г.А.Надсоном и Г.С.Филипповым впервые в мире при
воздействии на низшие грибы Mucor genevensis и Zygor hyches
лучами радия были получены мутации. В 1927 г. Г.Меллер
(США) публикует работу, в которой описаны мутанты
дрозофилы, полученные при облучении мух лучами рентгена. В
этот же период проведены эксперименты по получению мутаций
в результате рентгенооблучения у львиного зева (Штейк, 1926),
ячменя и кукурузы (Стадлер, 1928, 1930), табака (Губспид, 1928,
1929), пшеницы (Делоне, 1928, 1930) и др. В целом было
показано, что в первую очередь на частоту появления мутаций
оказывают влияние ионизирующие излучения. Несколько
позднее (Сахаров, 1934; Лобашов, 1934; Рапопорт, 1947; Ауэрбах,
1947) было установлено, что и ряд химических веществ
действуют на микроорганизмы, насекомых, животных и растения
как факторы, вызывающие мутации.
Так и подразделяются в настоящее время мутагенные
факторы на: физические и химические.
196
2. Физические мутагенные факторы (мутагены)
К физическим мутагенам относятся:
 рентгеновские лучи
 -лучи
 -лучи
 протоны
 нейтроны
 α-частицы
 ультрафиолетовый свет (неионизирующее излучение).
Рентгеновские лучи и -лучи, представляют собой
электромагнитные излучения с различной длиной волны. -лучи
встречаются в природе и испускаются такими элементами как
60
Co и радий.
-лучи, протоны, нейтроны и α-частицы состоят из
корпускулярных потоков атомных частиц.
Ультрафиолетовый свет оказывает свое действие путем
возбуждения атомов, приводя их в состояние более высокой
энергии.
3. Дозы излучения и поглощения.
Показателем действия радиации на живые организмы
является количество энергии, поглащаемой клетками облучаемой
ткани. При этом необходимо знать дозу излучения,
приходящуюся на облучаемый объект, а также дозу энергии
поглащенной облученными тканями.
Единица дозы облучения – один рентген (р), а единица
дозы поглощения – один рад. Они соотносятся между собой как
1.07(р):1(рад).
Облучение может быть двух типов: однократным
(острым) и хроническим (на протяжении длительного времени
организм подвергается облучению). Показано, что зависимость
частоты мутаций от дозы облучения носит линейный характер и
выражается прямой линией, исходящей из нулевой точки (рис.
16.1).
197
Рисунок 16.1. Зависимость частоты видимых мутаций у нейроспоры от
дозы рентгеновского облучения (по М.Демереку из Жимулева, 2002, с.
62)
Ионизирующие излучения вызывают преимущественно
хромосомные перестройки.
4. Химическме мутагены.
Химические мутагены – это вещества, вызывающие
мутации у организмов (растений, насекомых и т.п.). Первыми
веществами, использовавшимися в качестве мутагенов, были
10%-ный йодистый калий (Сахаров, 1932), аммиак (Лобашов,
1933), иприт (Ауэрбах, Робсон, 1946), формальдегид (Рапопорт,
1946). Их число было небольшим. Но к настоящему времени
список
химических
мутагенов
насчитывает
десяток
наименований. Все они классифицируются следующим образом:
1. Ингибиторы азотистых оснований нуклеиновых кислот (ДНК,
РНК).
198
2. Аналоги
азотистых
оснований,
включающиеся
в
нуклеиновую кислоту.
3. Алкилирующие агенты.
4. Окислители, восстановители и свободные радикалы.
5. Акридиновые красители.
Доза химического мутагена это % вещества, которым
обрабатывают семена и т.п. (~ 0,01-0,04%). Химические мутагены
вызывают преимущественно генные (точковые) мутации.
5. Классификация мутаций.
Классификация мутаций весьма разнообразна. Наиболее
стабильна классификация ядерных мутаций, представляющих
следующие три типа (по Ш.Ауэрбах, 1978):
1. изменение числа хромосом;
2. изменение расположения и порядка генов на хромосомах;
3. изменение индивидуальных генов.
Первый тип мутаций будет рассмотрен в следующей лекции, а
здесь расссматриваются второй и третий тип мутаций.
6. Изменение структуры хромосом (аберрации).
Изменения структуры хромосом связаны с разрывами
хромосом (аберрации) при воздействии на ядро радиации или
химических веществ. При этом действует эволюционно
отлаженный механизм восстановления разорванной хромосомы, в
результате чего оторванные куски хромосом (фрагменты) опять
воссоединяются с хромосомой. Но это при условии, что фрагмент
остается в непосредственной близости с хромосомой, от которой
он отделился. Разрыв могут захватывать, как целые хромосомы
(период G1), так и хроматиды (периоды S и G2), а разрывы
происходят в теломерных участках или в районе центромеры. На
одну хромосому может приходиться несколько разрывов. При
этом фрагменты ―вставляются‖ в ином порядке. Многие из
перестроек и новых конфигураций хромосом хорошо
просматриваются под микроскопом (рис. 16.2 и 16.3) в анафазе и
телофазе. По частоте аберраций судят о степени воздействия
мутагенных факторов на организм.
199
Рисунок 16.2. Структурные изменения в разделившихся хромосомах
(Робертис, Новински, Саэс, 1962, с.353).
200
Рисунок 16.3. Структурные изменения в неразделившихся хромосомах
(Робертис, Новински, Саэс, 1962, с.353).
.
И еще одно. В результате разрыва на стадии G2 может
быть оторвано одно плечо. А оставшиеся хроматиды
расположатся тет-а-тет около центромеры, образуя как бы два
плеча. Такая хромосома получила название изохромосома.
201
7. Изменения положения и порядка генов на хромосомах.
1. Делеции (нехватки)*. Затрагивают число генов на
хромосомах. Различают 2 типа – терминальная (с потерей
концевого участка хромосомы) и интеркалярная (потеря участка
в середине любого плеча) делеции:
2. Дупликации (удвоение). В результате мутации один из
участков хромосомы представлен два раза:
3. Инверсии.
Возникают в результате двух разрывов в одной хромосоме и
повороте этого участка на 180о.
а. Перицентрическая инверсия (включает центромеру):
б. Парацентрическая инверсия.
Участок хромосомы, совершивший поворот на 180о, не
затрагивает центромеру:
__________________________________
* Схемы структурных изменений хромосом даны по Айала, Кайгер, 1987 (с.).
Буквами обозначены гены на хромосомах
202
4. Транслокации (обмен участками негомологичных хромосом).
а. Реципрокные транслокации. Возникают когда разрывы
приводят к обмену участками негомологичных хромосом.
б. Нереципрокные траслокации (транспозиции). Участок
хромосомы меняет свое положение, оставаясь в той же
хромосоме. Это событие происходит в результате трех разрывов:
Следует иметь ввиду, что при ―перемещении‖ может
изменяться проявление гена. Проявляется так называемый
―эффект положения гена‖.
8. Изменение структуры гена.
Ген, как было показано выше, представляет собой отрезок
двухцепочной ДНК, состоящей из определенного числа пар
нуклеотидов. На основе генетического кода происходит синтез
самых разнообразных белков. Любое изменение молекулярной
структуры ДНК приводит к изменению ―эволюционно
установившегося порядка‖ синтеза определенных белков в
клетке.
8.1. Точковые мутации.
В ДНК может мутировать любая пара оснований – точковые
мутации. Они существуют двух типов: транзиции и
трансверсии. В первом случае один пиримидин заменяется на
другой или один пурин заменяется на другой. Например,
пара А-Т заменяется на Г-Ц или Г-Ц заменяется на A-T. При
203
трансверсиях происходит замена пиримидина на пурин или
наоборот: АТ - ТА или ЦГ - ГЦ.
Установлено, что отдельные гены имеют сайты, в
которых мутации происходят в десятки раз чаще, чем при
случайном распределении. Такие сайты (здесь ―сайт‖ – одна пара
оснований) получили название ―горячие точки‖.
8.2. Сдвиг рамки считывания.
Под воздействием акридиновых соединений происходит
деформирование спиральной структуры ДНК. В результате при
репликации ДНК происходит выпадение или вставки
дополнительных пар оснований. Подобные мутации получили
название ―мутации сдвига рамки считывания‖.
Все вышеперечисленные типы генных мутаций по своим
последствиям различаются. Так, мутации не приводящие к
каким-либо заметным изменениям называются ―молчащие
мутации‖. В свою очередь различают два типа таких мутаций.
Первый тип, это когда замена основания не приводит к замене
определенной кислоты. Второй тип – консервативная
(нейтральная)
мутация.
Например,
точковая
мутация,
заменяющая кодон ЦУУ на AУУ и приводящая к замене лейцина
на изолейцин. Обе аминокислоты нейтральные неполярные.
Функции белка, как правило, при этом не изменяются.
Наиболее
серьезные
генетические
последствия
происходят при наличии вставок или потерь нескольких
оснований в участках кодирующих аминокислот. При этом
последовательность аминокислот в белке будет иной, что чаще
всего приводит к появлению стоп-кодонов (TAA, TAГ, TГA),
которые останавливают преждевременный синтез белка.
Мутации инактивирующие ген, получили название
―прямые мутации‖. Положение может быть исправлено только в
результате ―обратной мутации‖ (реверсии). Например, если пара
Г-Ц заменена парой A-T, то реверсия заменяет пару A-T на Г-Ц.
9. Репарация поврежденной ДНК.
В процессе эволюции у прокариот и эукариот возникли
системы исправления (системы репарации) повреждений или
204
ошибок при репликации ДНК, к которым относятся (по Льюину,
1987):
 введение одноцепочечных разрывов;
 удаление основания, в результате чего его гомолог
остается неспаренным;
 превращение одного основания в другое, которое
неправильно спарено с основанием партнером;
 введение ковалентных связей между основаниями на
одной цепи ДНК или между основаниями на
противоположных цепях.
В процессах репарации участвует большое число ядерных
генов, и детерминированные ими ферментативные и белковые
системы. К настоящему времени описано семь систем репараций
у различных представителей животного мира.
Наиболее распространенными являются: эксцизионная
репарация и рекомбинационная репарация.
Системы эксцизионной репарации удаляют химически
поврежденные основания из ДНК и синтезируют новую
последовательность
ДНК.
Системы
рекомбинационной
репарации восстанавливают нормальную цепь ДНК, замещая
брешь, оставленную во вновь синтезированной цепи напротив
сайта нерепарируемого повреждения.
Схематически первый тип репарации представлен на рис. 16.4.
Как показано на рис. 16.4 участок вокруг поврежденного
или неспаренного основания вырезается эндонуклеазами. Пробел
заполняется в направлении от 5’ к 3’ в результате репаративного
синтеза ДНК с участием -полимеразы. Матрицей служит
противоположная цепь. Восстановление же непрерывности цепи
ДНК осуществляется ДНК-лигазой.
205
Рисунок 16.4. Репарация ДНК (Стил, Линдли, Бландэн, 2002, с. 62).
10. Инсерционный мутагенез.
Инсерционные мутации – это мутации, вызываемые
перемещением мобильных элементов в растительной клетке.
Независимо от способа перемещения* мобильные элементы
влияют на экспрессию генов вблизи места своего встраивания, а
также вызывают делеции, инверсии и дупликации вблизи места
своей интеграции.
________________________________________
* Мобильные элементы растений делятся на две группы. К первой относят
элементы, способные к независимым перемещениям. Ко второй относят
неавтономные элементы, которые в транс-положении активируются
автономными.
206
В настоящее время инсерционный мутагенез с
использованием т-ДНК Agrobacterium tumefaciens широко
используют для идентификации и выделения растительных генов.
11. Ключевые слова и понятия.
аберрация
делеция
дупликация
единица облучения
единица поглощения
инверсия
инсерционный мутагенез
мутации индуцированные
обратная мутация
острое облучение
прямая мутация
репарация ДНК
точковая мутация
транслокация
физические мутагены
химические мутагены
хроническое облучение
эффект положения гена
207
Лекция 17. ПОЛИПЛОИДИЯ И ДРУГИЕ ИЗМЕНЕНИЯ
ЧИСЛА ХРОМОСОМ
Полиплоидные ряды в природе. – Автополиплоидия. – Аллополиплоидия. –
Анеуплоидия. – Гаплоидия. – Ключевые слова и понятия.
Полиплоид (от греч. poly- много и ploos – складывать) –
организм, происходящий от одной или двух родительских форм
путем удвоения числа хромосом, а само же явление изменения
числа хромосом – полиплоидией. Это удвоение может быть
спонтанным или искусственно индуцированным. Впервые
явление полиплоидии* было открыто И.И. Герасимовым (1890).
Он воздействовал на водоросль спирогиру (Spirogira)
пониженными температурами, что вызывало задержку деления и
увеличение размера ядер. У мхов подобные изменения были
получены под воздействием хлоралгидрата и низкой температуры
(Bеттстайн, 1924) и др.
1.Полиплоидные ряды в природе.
Эволюционное становление высших растений тесно
связано с явлением полиплоидии. Практически половина
возделываемых человеком культурных растений являются
полиплоидами. При этом число хромосом разных видов одного
рода кратно одному общему числу, получившему название
основное число хромосом и обозначаемое как х. Такие виды
составляют полиплоидные ряды. Примером может служить род
Triticum L. Входящие в него виды имеют число хромосом кратное
7 (основное число):
T.monococcum (2n=2x=14)
T.durum (2n=4x=28)
T.timopheevii (2n=4x=28)
T.dicoccum (2n=4x=28)
T.aestivum (2n=6x=42)
T.spelta (2n=6x=42)
________________________________________________
* Термин предложен Т.Винклером в 1916 г.
208
У большинства родов в природе основное число
хромослом редко превышает 12. Примером высокого основного
числа хромосом являются виды родов Populus (тополиные) и Salix
(ивовые), у которых х=19.
Происхождение полиплоидных рядов в природе было
выяснено в результате экспериментов. Различают:
 автополиплоидию –чисто количественное увеличение
числа хромосом внутри вида;
 аллополиплоидию – суммирование в организме числа
хромосом от разных видов;
 эндополиплоидию – простое увеличение числа хромосом в
одной клетке или в клетках целой ткани (тапетум).
Обобщенная
схема
возникновения
(получения)
полиплоидов представлена на рис. 17.1.
Рисунок 17.1. Схема митотической (1), зиготической (2) и мейотической
(3) полиплоидизации: (а – исходные диплоидные клетки, б – гаметы, в –
зиготы, г, д – соматические клетки организма (Лобашов, 1967, с.351).
209
Как видно из приведенной схемы (рис. 17.1), митотическая
полиплоидизация происходит в результате удвоения числа
хромосом в соматической клетке без последующего образования
клеточной перегородки. При зиготической полиплоидизации
образование зигот идет нормально, но первое деление по типу
митоза в зиготе не сопровождается разделением зиготы на две
клетки. В результате клетки образовавшегося зародыша будут
иметь двойной набор хромосом (4х). И, наконец, мейотическая
полиплоидизация имеет место при отсутствии рудукции числа
хромосом в генеративных клетках (яйцеклетка, спермии).
Спонтанная полиплоидизация – явление крайне редкое. В
исследованиях для получения полиплоидов использовали чаще
всего тепловой шок и закись азота. Однако, настоящий прогресс в
изучении полиплоидии и практического ее использования
прозошел после открытия Блексли и др. в 1937 г. алкалоида
калхицина (С22Н26О6), получаемого из безвременника (Colchicum
autunale). С тех пор он с успехом применяется для получения
полиплоидов у сотни видов растений. Колхицин воздействует на
веретено деления в клетке, препятствуя расхождению хромосом к
полюсам на стадии анафазы, и тем самым способствует удвоению
их числа в ядре (рис. 17.2).
Рисунок 17.2. Схема, показывающая различие между нормальным и
колхициновым митозом (Мюнтцинг, 1967, с.409).
210
Воздействию колхицином подвергают меристематические
ткани точки роста, что позволяет получать вполне плодовитые
формы растений с удвоенным числом хромосом.
2. Автополиплоидия.
Автополиплоид – это организм, возникший путем
спонтанного или индуцированного прямого увеличения числа
хромосом вдвое. Примером спонтанного автополиплоида является
мутация gigas, описанная Гуго де Фризом у энотеры Ламарка
(Oenotera Lamarckina) и имевшая 28 хромосом вместо 14.
Увеличение числа хромосом в клетках автополиплоидов
приводит к увеличению размеров ядра и клетки в целом. В свою
очередь это влечет за собой увеличение размеров устьиц,
волосков, сосудов, цветков, листьев, пыльцевых зерен и т.п.
Увеличение числа хромосом связано с увеличением в целом всего
растения и его отдельных органов (рис. 17.3).
Рисунок 17.3. Гаплоидное, диплоидное, триплоидное и тетраплоидное
растения паслена черного (Solanum nigrum) (по Jorgensen, из - Baur, 1930,
p. 339).
211
К физиологическим особенностям автополиплоидов
следует отнести:
 замедление клеточного деления;
 увеличение вегетационного периода;
 низкое осмотическое давление;
 понижение устойчивости к абиотическим факторам
внешней среды и др.
Как правило, автополиплоиды отличаются пониженной
плодовитостью. Это объясняется особенностями мейоза. Дело в
том, что у них в каждой клетке находится по четыре
гомологичных хромосомы. В результате в поцессе мейоза
образуются биваленты, квадриваленты, триваленты и даже
униваленты (рис. 17.4).
Рисунок 17.4. Хромосомный набор в МI у ежи сборной (Dactylis
glomеrata; 2n=28). Этот вид является автотетраплоидом в результате чего
в М1 образовалось 5 квадривалентов (Б, Г, Ж, З, И) и 4 бивалента (А, Б,
Д, Е) (Мюнтцинг, 1967, с. 403).
Это приводит к нарушениям в процессе мейоза и, в свою
очередь, к образованию гамет с различными неправильностями в
числе хромосом. Многие гаметы (мужские и женские) с
несбалансированным числом хромосом погибают, часто вызывая
частичную стерильность автополиплоидов.
Наследование признаков у автополиплоидов также
отличается от диплоидов, так как в их геноме каждый ген
представлен в четырех дозах. Поэтому, например, гетерозиготный
тетраплоид ААаа при полной доминантности образует следующие
гаметы: 1АА + 4Аа + 1аа. Соотношение (число) гамет
212
определенного типа зависит
хромосом несущих гены А и а:
А
а
от
вероятности
коньюгации
А
а
При самоопылении он даст в F2 потомство следующих пяти
генотипов:
Гаметы
1АА
4Аа
1аа
1АА
1АААА
4АААа
1ААаа
4Аа
4АААа
16ААаа
4Аааа
1аа
1ААаа
4Аааа
1аааа
Эти пять генотипов получили название: квадраплекс
(АААА), триплекс (АААа), дуплекс (ААаа), симплекс (Аааа) и
нулиплекс (аааа), согласно дозе доминантных аллелей. В целом
соотношение будет 35:1, в отличие от менделевского расщепления
при моногибридном скрещивании у диплоидов равного 3:1.
При анализирующем скрещивании F1 автополиплоида
(гаметы 1АА + 4Аа + 1аа) с рецессивной формой (гаметы аа)
соотношение доминантных и рецессивных генотипов будет 5:1, в
отличие от обычного анализирующего скрещивания на
диплоидном уровне 1:1.
В дикой природе, а также в культуре автополиплоиды
изолированы от диплоидов преградой нескрещиваемости,
определяемой отсутствием обычно нормального прорастания
пыльцевых трубок на рыльце пестиков, нарушением развития
зародыша и эндосперма. В последнем случае зародыш погибает
на ранних этапах развития.
Увеличение размеров растений, крупности цветков, семян
и т.п. привело к использованию автополиплоидов в декоративном
цветоводстве (сорта хризантем, астр и др.) и селекции полевых
213
зерновых и кормовых
тетраплоидный клевер).
культур
(тетраплоидная
рожь,
2.1 Автотриплоиды.
Было установлено, что у некоторых видов растений
семена могут завязываться при скрещивании тетраплоидных
растений с диплоидными. Выращенные из этих семян растения
полностью стерильны. Однако такие растения оказались
полезными с хозяйственной точки зрения. Так автотриплоид
сахарной свеклы содержит в корнях на 1-2% больше сахара, чем
диплоид и тетраплоид. Поэтому оказалось выгодным на основе
цитоплазматической мужской стерильности получать триплоиды
по следующей схеме:
♀ 4х (2n=36) х ♂2х (2n=18)
↓
3х (2n=27)
К естественно возникшим в природе автотриплоидам относят
гигантские осины (3х=2n=57).
3.Аллополиплоидия.
Аллополиплоид – это организм, возникший от объединения
хромосомных наборов разных видов. Одним из первых, подобный
гибрид был получен в начале 20-х годов прошлого века
отечественным генетиком Г.Д. Карпеченко при скрещивании
редьки (Raphanus sativas) с капустой (Brassica oleracea). Оба вида
имеют диплоидное число хромосом равное 18 и относятся к
разным родам. Растения, получаемые в результате скрещивания,
обычно полностью стерильны. Однако в одном из скрещиваний
спонтанно объединились гаметы с нередуцированным числом
хромосом, в результате чего было получено вполне плодовитое
растение с 2n=36 (18+18). Оно получило название
Raphanobrassica (редечно-капустный гибрид) (рис. 17.5). С
открытием колхицина, получение подобных гибридов проблемы
не представляет.
214
Рисунок 17.5. Стручки и соматические наборы хромосом редьки (А)
(Raphanus), капусты (Г) (Brassica) и их диплоидного гибрида (Б) и
аллотетраплоида (В) (Мюнтцинг, 1967, с. 422).
Примерами
получения
хозяйственно-ценных
аллополиплоидов, могут быть работы по созданию сортов новой
зерновой культуры тритикале. Тритикале – это гибрид между
пшеницей и рожью, который получают по следующей схеме:
♀ T.durum (2n=28)
x
♂ S.cereale (2n=14)
↓
F1 (2n=21)
↓
колхицин
↓
тритикале ( 2n=42)
Спонтанная аллополиплоидия сыграла большую роль в
эволюции как диких, так и окультуренных растений. Установлено,
что в природных условиях большинство членов полиплоидных
рядов являются аллополиплоидами.
215
4. Анеуплоидия.
Анеуплоид – это организм, по числу хромосом
отличающийся от основного диплоидного числа на одну или
несколько хромосом. Наиболее часто встречаются следующие
типы анеуплоидов:
 нуллисомики 2n-2;
 моносомики 2n-1;
 трисомики
2n+1;
 тетрасомики 2n+2.
Моносомики, то есть диплоидные организмы, у которых
не хватает одной хромосомы (2n-1) и нуллисомики (2n-2) не
выживают у большинства растений. Однако существуют и
исключения. Так, американский генетик Р. Сирс в Колумбийском
университете создал моносомную серию мягкой пшеницы сорта
Чайнз Спринг.
Нуллисомики (2n-2) получают при самоопылении
моносомиков. У этих растений отсутствуют оба гомолога
определенной хромосомы. Фенотипический эффект нуллисомии у
мягкой пшеницы показан на рисунке 17.6. Моносомики и
нулесомики используются генетиками для определения
расположения генов на определенных хромосомах. Моносомики
легче всего получить у растений с высокой плоидностью. Полный
ряд моносомиков получен кроме мягкой пшеницы, также у овса
(Avena sativa, 2n=42) и табака (Nicotiana tabacum, 2n=48).
У моносомиков, как правило, понижена фертильность, за
счет того, что мужские гаметы (n-1) практически не выживают, а
из яйцеклеток выживает едва ли половина.
Трисомики (2n+1) чаще всего получают скрещивая
триплоиды с диплоидами. При этом трисомики выживают и у
растений с небольшим числом хромосом, тогда как моносомики у
этих растений полностью нежизнеспособны (например, томаты).
216
Рисунок 16.6. Колосья 21 нуллисомика пшеницы Triticum aestivum сорта
Chinese spring, полученные Сирсом (Лобашов, 1967, с. 372 – с
дополнениями).
217
Рисунок 16.6 (продолжение).
Полный ряд трисомиков (по всем хромосомам) получен у:
пшеницы (T.aestivum, 2n=42);
овса (Av.sativa, 2n=42);
томата (L.esculentum, 2n=24);
шпината (S.oleracea, 2n=24);
перца (C.annuum, 2n=24);
ржи (S.cereale, 2n=14);
риса (O.sativa, 2n=24);
сарго (S.vulgare, 2n=20).
Способность растений-апомиктов размножаться без
оплодотворения приводит к тому, что растения этих видов могут
иметь практически все возможные числа хромосом – от диплоида
до октоплоида. К таким растениям относятся мятлик (Poa
pratensis), ежевика (Rubus caesins) и чеснок (Allium sativum).
5. Гаплоидия.
Гаплоид – организм, имеющий в соматических клетках
полный для данного вида набор негомологичных хромосом (n).
По внешнему виду гаплоиды полностью соответствуют
218
диплоидным растениям, но значительно мельче, так как имеют
мелкие клетки с мелкими ядрами. Мейоз нарушен, так как
хромосомы не имеют гомологов. В АI к полюсам расходится
различное число хромосом, что в свою очередь приводит к почти
полной стерильности растений. Однако иногда все хромосомы в
АI отходят к одному полюсу, что приводит к формированию
нормальных гамет (и при микро- и при макроспорогенезе). В этом
случае в результате самоопыления на гаплоидном растении могут
образоваться зерна. Однако это чрезвычайно редкое событие.
Гаплоиды представляют большой интерес для генетиков и
селекционеров. У гаплоидов рецессивные гены не ―закрыты‖
доминантными аллелями, что способствует их выявлению. Если
же у гаплоида удвоить при помощи колхицина число хромосом,
то получим диплоидную особь, гомозиготную абсолютно по всем
генам, что при обычных скрещиваниях и отборах получить
нереально.
В настоящее время из разработанных способов получения
гаплоидов наиболее распространены:
1. метод антрогенеза, при котором гаплоидные растения
получают из пыльцевых зерен (табак, пшеница, ячмень);
2. метод опыления неродственной пыльцой (пыльцой
продюсера). Например, на пестик пшеницы наносят
пыльцу кукурузы, что стимулирует деление гаплоидной
яйцеклетки;
3. метод бульбозум. В качестве опылителя для ячменя
используют пыльцу H.bulbusum, 2n=14. При этом
происходит нормальное оплодотворение, но затем
хромосомы H.bulbusum в зиготе элиминируются, а
гаплоидный зародыш дает начало гаплоидному растению
ячменя (рис. 17.7).
219
Рисунок 17.7. Схема получения сорта ячменя БИОС-1
Как можно видеть из схемы на рис. 17.7 вначале было
проведено скрещивание ячменя сорта Боратинский 1 с
селекционной линией 5343. Колосья растений F1 кастрировали и
220
опыляли пыльцой H.bulbosum. В результате элиминации
хромосом H.bubosum были получены зерновки с гаплоидными
зародышами. Проросшие зерновки обработали колхицином, в
результате чего получили диплоидные растения ячменя
полностью фертильные и полностью гомозиготные. В
дальнейшем высевали отдельно потомство каждого колоса. В
результате полевых испытаний была выделена одна наилучшая
линия, явившаяся родоначальником сорта БИОС-1.
В природе гаплоиды могут возникать и спонтанно, но
частота таких событий чрезвычайно редка и составляет,
например, у кукурузы 1:1000 зерновок, а у хлопчатника 1:3000
семян.
6. Ключевые слова и понятия.
автополиплоид
автополиплоидия
аллополиплоид
аллополиплоидия
андрогенез
анеуплоид
бульбозум-метод
гаплоид
моносомик
нуллисомик
основное число хромосом
полиплоид
полиплоидия
полиплоидный ряд
тетрасомик
трисомик
триплоид
эндополиплоидия
221
Лекция 18. ОТДАЛЕННАЯ ГИБРИДИЗАЦИЯ РАСТЕНИЙ.
Значение отдаленной гибридизации. – Барьеры нескрещиваемости при
отдаленной гибридизации. – Способы преодоления нескрещиваемости. – Работы
И.В. Мичурина по преодолению нескрещиваемости у плодовых культур. –
Особенности гибридов в первом и последующих поколениях. – Преодоление
бесплодия отдаленных гибридов. – Особенности формообразовательных
процессов отдаленных гибридов. – Интрогрессия генов при отдаленной
гибридизации. – Геномный анализ. – Культура протопластов. – Ключевые слова
и понятия.
1. Значение отдаленной гибридизации.
Скрещивание форм, относящихся к разным видам и
родам, называется отдаленной гибридизацией. Скрещивание же
форм, относящихся к одному виду, носит название
внутривидовых скрещиваний (внутривидовая гибридизация).
Значение отдаленной гибридизации для науки и практики
трудно переоценить. С теоретической точки зрения это проблема
эволюции и филогинии различных групп растений. С
практической точки зрения это получение новых форм растений,
обладающих принципиально новыми хозяйственно-ценными
признаками, как–то устойчивость к фитопатогенам и стрессовым
факторам внешней среды, а также принципиально новые качества
производимой продукции.
2. Барьеры нескрещиваемости при отдаленной гибридизации.
В процессе эволюции растений были отселектированы
механизмы, облегчающие внутривидовые скрещивания и
препятствующие отдаленным, так называемые барьеры
скрещиваемости у растений.
Описаны следующие барьеры скрещиваемости у растений
(по А.Блексли, 1945, с дополнениями):
 Географическая изоляция.
 Отсутствие цветения, как результат фотопериодической
реакции растений.
 Цветение растений в разные сроки
 Сортовые различия, предотвращающие скрещивания.
 Самонесовместимость.
 Перекрестная несовместимость.
222


Разделение полов.
Непрорастание пыльцы из-за подавления секреторной
функции клеток пыльцы. Они не выделяют фермент,
способствующий прорастанию пыльцы.
 Разрыв пыльцевых трубок.
 Изменение направления роста пыльцевых трубок.
 Слишком медленный рост пыльцевых трубок, так что они
не достигают зародышевого мешка.
 Отсутствие оплодотворения, несмотря на то, что
пыльцевые трубки внедряются в зародышевой мешок.
 Оплодотворение происходит, но зародыш прекращает
свое развитие на стадии нескольких клеток (у злаков это
происходит из-за недоразвития эндосперма).
 Зародыш хорошо развивается, но его рост прекращается
до образования жизнеспособных семян.
 Скрещивание приводит к образованию стерильных
растений. В одном случае это происходит в результате
нарушения мейоза, а в другом – в результате
взаимодействия ядра и цитоплазмы (ЦМС).
 Существуют генные системы, влияющие на процент
завязывания. Например, доминантные гены Kr1, Kr2, Kr3,
Kr4 у пшеницы при скрещивании ее с рожью. Они
действуют в фазу проникновения пыльцевых трубок ржи
в
зародышевой
мешок
пшеницы,
препятствуя
оплодотворению).
И все же, несмотря на многочисленные барьеры, у
растений было описано довольно много спонтанных межвидовых
и межродовых гибридов. Так, естественные гибриды A.bysantina
x A.fatua были описаны Н.И.Вавиловым в Бразилии (1933),
гибриды между A.fatua x A.sativa наблюдал Р.Деррак в Англии
(1933), гибриды между T.dicoccoides x T.durum были описаны
М.Якубцинером в Азербайджане (1932), а гибриды между
T.dicoccoides и Aegilops наблюдал Ааронсон в Палестине (1908).
Спонтанные гибриды между рожью и пшеницей были найдены в
массовом количестве Г. Мейстером в Саратове (1918) и т.п.
Появление спонтанных отдаленных гибридов чаще всего
объясняется особыми условиями внешней среды. При этом
223
большинство таких гибридов в F1 полностью стерильно и не
оставляет потомства.
3. Способы преодоления нескрещиваемости при отдаленной
гибридизации.
Важным является разработка методов, позволяющих
преодолевать генетические барьеры нескрещиваемости и
получать вполне жизнеспособное гибридное потомство.
Разработаны следующие методы преодоления генетических
барьеров нескрещиваемости:
1- обработка гибридных растений колхицином для изменения их
плоидности, что в свою очередь нормализует фертильность
гибрида;
2- выделение образовавшегося зародыша и культивирование его
на искусственной среде;
3- подбор определенных сортов (например, сортов пшеницы с
генами Kr в рецессивном состоянии) и использование
реципрокных скрещиваний;
4- регулирование to и относительной влажности воздуха при
проведении скрещиваний и хранении пыльцы;
5- воздействия на растения различными методами, с целью
синхронизации цветения (например, холодом на ирисы и
эфиром на сирень и т.п.);
6- воздействие на пыльцу и рыльце биологически активными
веществами типа ауксинов, каратиноидов, цитокининов,
модифицирующих рост пыльцевых трубок;
7- снятие ферментативной блокировки прорастанию пыльцы на
рыльце путем удаления рыльца и части столбика и нанесение
пыльцы на срез;
8- изменение уровня плоидности растений перед скрещиванием;
9- оплодотворение в пробирке (in vitro), при котором за
несколько дней (~ 4) до раскрывания цветка извлекают
семяпочки и помещают на питательную среду, а затем их
опыляют чужеродной пыльцой, добиваясь оплодотворения
(например, опыты Терновского по скрещиванию видов
табака).
224
4. Работы И.В.Мичурина по преодолению нескрещиваемости
у плодовых культур.
Большой вклад в разработку методов преодоления
нескрещиваемости при отдаленной гибридизации у плодовых
культур, внес И.В.Мичурин. Им были разработаны следующие
подходы:
1. Метод посредника
Он заключается в следующем. Представим себе, что вид А не
скрещивается с видом В, но скрещивается с видом С. Вид же С
скрещивается и с видом В. В таком случае следует провести
скрещивание вида А с видом С, а затем первое поколение
гибрида (―посредник‖) скрещивается с видом В: F1(А х С) х В.
Этот метод был с успехом применен И.В.Мичуриным при
скрещивании персика (Persica vulgaris) с диким миндалем
(Amygdalus nana). Прямое скрещивание этих видов невозможно.
Тогда И.В.Мичурин скрестил дикий миндаль с персиком Давида
(Persica davidiana) и уже F1 (―посредник―) с персиком
(P.vulgaris). В дальнейшем этот метод с успехом применяли при
скрещивании разных видов табака: (N.sylvestris x N.repanda) x
N.tabacum.
2. Опыление смесью пыльцы.
При попадании чужеродной пыльцы на рыльце пестика,
происходит подавление секреторной функции клеток рыльца.
Клетки не выделяют ферменты, способствующие прорастанию
пыльцы. И.В. Мичурин предложил метод опыления смесью
пыльцы: своя + чужая. В этом случае секреторные функции
клеток не подавляются, что способствует прорастанию и
чужеродной пыльцы. При этом процент чужеродного
оплодотворения, хотя и невелик, но достаточен для получения
интересующих исследователя гибридов. Применяя этот метод,
И.В.Мичурин успешно осуществил скрещивания: вишня х
черемуха, абрикос х слива, роза х шиповник и др.
В дальнейшем этот метод широко применялся при
межвидовых скрещиваниях злаков и других культур.
3. Метод предварительного вегетативного сближения.
И.В.Мичурин прививал в крону взрослого дерева груши черенки
яблони и рябины. Образовавшиеся на этих черенках цветки
опылял пыльцой груши и получил гибридные семена. Таким
225
образом ему удалось осуществить скрещивание. Это объясняется
тем, что в результате поступления питательных веществ из
подвоя меняется химический состав выделений на рыльце
пестика. Этот же метод был использован В.Е. Писаревым с
сотрудниками при скрещивании пшеницы с рожью. Они
прививали зародыш пшеницы на эндосперм зерновки ржи. При
этом выросшие растения пшеницы значительно повышали
процент завязывания зерен при опылении пыльцевой ржи.
4. Особенности отдаленных гибридов в первом и
последующих гибридных поколениях.
Подавляющее большинство отдаленных гибридов в первом
поколении бесплодно или имеет пониженную плодовитость. Если
же в F1 они и образуют единичные зерна, то второму и
последующим гибридным поколениям также свойственна
пониженная плодовитость. Основными причинами этого
являются:
1. Недоразвитие генеративных органов (чаще всего пыльников).
2. Нарушение процессов мейоза. Например, при скрещивании
мягкой пшеницы (T.aestivum, 2n=42) с твердой (T.durum,
2n=28) в F1 получают растения с 2n=35. В процессе мейоза
образуется 14 бивалентов + 7 унивалентов. В анафазе I
хромосомы 14-и бивалентов расходятся по 7 к каждому
полюсу, а вот расхождение 7-и унивалентных хромосом
носит случайный характер. В следствии этого как мужские,
так и женские гаметы будут нести от 14 до 21 хромосом.
Большинство из них (особенно мужских!) будет
нежизнеспособно. Слияние же (при самоопылении)
жизнеспособных, но с самым разным чмслом хромосом,
дадут гибридные зародыши (а затем и растения) с 2n= от 27
до 43. При этом анеуплоиды с 2n=27, 29, и 41
маложизнеспособны.
226
Рисунок 18.1. Частота встречаемости (%) растений с разным числом
хромосом в F2 в гибридной комбинации к-45365 (2n=42) x Народная
(2n=28): 1 – теоретически ожидаемая; 2 – 1977 г.; 3 – 1979 г (теплица); 4
–1979 г. (вегетационный домик) (Пухальский В.А. и др., 1983).
3. Структурная дивергенция хромосом. Часто в процессе
эволюции в результате транслокаций, инверсий и других
мутационных изменений хромосомы отдельных видов, даже
относящихся к одному семейству, очень сильно дивергируют
(различаются). В результате при скрещивании таких видов
мейоз полностью нарушен, а F1 стерильно. Так, невозможно
получить
фертильное потомство при скрещивании
подсолнечника H.annus (2n=34) с видами H.orgialis (2n=34),
H.gigantheus (2n=34) и H.mollis (2n=34).
4. Несовместимость ядра с цитоплазмой. Несовместимость ядра
одного вида с цитоплазмой другого приводит к
цитоплазматической мужской стерильности. Примером
227
может служить скрещивание видов пшеницы T.timopheevii x
T.aestivum. В этих скрещиваниях растения F1 всегда
стерильно.
5. Преодоление бесплодия отдаленных гибридов.
Для преодоления бесплодия отдаленных гибридов в
основном используют следующие методы:
1. Беккроссы, то есть опыление растений F1 одной из
родительских форм. Как правило, это растения культурного
сорта: F1 (T.aestivum x Ae.speltoides) x T.aestivum. Дело в том,
что у отдаленных гибридов в F1, как правило, пыльца
полностью стерильна, а вот некоторые (единичные)
яйцеклетки фертильны. Опыление фертильной пыльцой
культурного сорта приводит к завязыванию единичных зерен.
На следующий год беккросс повторяют и т.д. Здесь следует
иметь ввиду, что чем больше число беккроссов, тем больше
гибридный организм уклоняется в сторону реккурентного
родителя, пыльцу которого используют для беккроссов, а
гены дикаря теряются.
2. Колхицинирование растений F1.
3. Реципрокные скрещивания. Они чаще всего используются
при несовместимости ядра одной родительской формы с
цитоплазмой другой. Так, в комбинациях T.timopheevii x
T.aestivum, как было показано в предыдущем разделе F1
стерильно, но, если в качестве материнской формы
используется мягкая пшеница (T.aestivum x T.timopheevii), то
F1 фертильно.
6. Особенности формообразовательных процессов у
отдаленных гибридов.
В первом гибридном поколении отдаленным гибридам
свойственен промежуточный тип наследования признаков. Если
же в скрещивание вовлечены дикие формы растений, то в F1 чаще
всего доминируют признаки дикаря. В F2 (при условии
завязывания жизнеспособных зерен в F1) наблюдается широкий
формообразовательный процесс.
228
Рисунок
18.2.
Выщепление
плодовитых
и
константных
комбинационных типов в скрещиваниях форм с инконгруентными
геномами: А – Aegilops ventricosa, B – Triticum durum, C – константный
гибрид 5-го поколения между А и В (Сорокина, по Карпеченко, 1935, с.
316).
Это определяется:
 случайным перераспределением хромосом в мейозе и
образованием анеуплоидов;
 различиями в экспрессии генов, находящихся в
гемизиготном состоянии (одна доза);
 спонтанными мутационными процессами (например,
отдельные хромосомы* эгилопса и пырея могут вызывать
мутации);
____________________________________________________
* эти хромосомы получили название ―хромосомы-кукушки‖.
229



существование генетических систем, контролирующих
передачу унивалентных хромосом;
преимущественное участие в процессах оплодотворения
гамет со сбалансированными наборами хромосом;
летальность гамет, зигот и семян с несбалансированными
наборами хромосом.
7. Интрогрессия генов при отдаленной гибридизации.
Практическая значимость отдаленных скрещиваний
заключается в стремлении исследователей передать в генотип
культурного растения хозяйственно-ценные гены (чаще всего это
гены устойчивости к фитопатогенам) от растений другого вида
или даже семейства.*
Передача генов может происходить в результате:
 замещения хромосом одного вида на хромосомы другого;
 транслокаций.
Транслокации предпочтительнее, так как чужеродные
хромосомы, чаще всего, через некоторое время полностью
элиминируются из генома, спонтанно замещаясь на хромосомы
своего вида. К тому же целые чужеродные хромосомы превносят
в геном помимо одного ценного гена многие другие гены,
определяющие развитие отрицательных признаков.
Транслокации же, представляя собой нерегулярные
рекомбинации между хромосомами разных видов, способствуют
передаче отдельных генов или небольших групп генов.
Например, в результате транслокаций в геном мягкой пшеницы
были переданы гены:
 устойчивости к желтой ржавчине (Puccinia striiformis) от
Ae.comosa (R.Riley,1958);
 устойчивости к листовой бурой ржавчине (Puccinia
recondita tritici) от A.elongatum(E.Sears, 1972);
_______________________________________________________
*Как правило, в скрещивания вовлекаются или родственные виды, или
дикие сородичи культурных растений. С развитием методов генетической
инженерии появилась возможность прямого переноса определенных генов
от неродственных семейств и родов.
230

устойчивости к твердой головне (Tilletia carries) от
A.intermedium (Г.Д.Лапченко, …);
 устойчивости к вирусу полосчатой мозаики от
A.intermedium (R.Wang, 1977).
Транслокации представляют собой сравнительно редкие и
случайные явления. Для увеличения их частоты используют
различные методы и подходы. Чаще всего это облучение (γ-лучи)
пыльцы растений донора, облучение соцветий F1 в период мейоза
или воздействие шоковыми температурами (до 30о С) на соцветия
F1 в период мейоза.
20II + 1I
x
21II
Моносомик по
Рекуррентный
хромосоме 5В
сорт пшеницы*
20II + 1I
F1 моно по хромосоме 5В
x
20II + 7I
F1 без хромосомы
5В
x
7II
Рожь
Эгилопс
21II
Трехкратный беккросс
на рекуррентный сорт
самоопыление ВС3
21II
Чужеродные рекомбинанты
Рисунок 18.3. Схема использования моносомной по хромосоме 5В
линии для получения чужеродных рекомбинантов (Feldman, Sears,
1968).
Кроме этого есть и другие подходы. Например, было
показано (R.Riley, 1958), что в хромосоме 5В пшеницы
находится ген Ph, который в доминантном сотоянии
препятствует гомеологичной конъюгации хромосом. В связи с
этим была разработана целая система подходов для
―нейтрализации‖ этого гена. Во-первых, это использование
мутантов мягкой и твердой пшениц с генотипом phph. Ген ph
(рецессивное
состояние)
не
препятствует
________________________________________
*Рекуррентный сорт – сорт, в который исследователь хочет перенести
определенный ген от ржи или эгилопса.
231
конъюгации гомеологов не только при скрещивании пшениц
различных видов, но и пшениц с ее дикими сородичами. Вовторых, использование в скрещиваниях моносомных по
хромосоме 5В линий (рис. 18.3). В-третьих, подавление действия
гена Ph генами-супрессорами из геномов эпилопса (Ae.mutica,
Ae.speltoides, Ae.lovgissima).
7. Геномный анализ.
Геномный анализ* был предложен О.Розенбергом в
1909г. И заключается в изучении мейоза при скрещивании
аллотетраплоида и его предполагаемого диплоидного дикого
предка. Если при этом число бивалентов в МI гибрида равно
основному числу хромосом, геном диплоидного вида считается
гомологичным
(идентичным)
одному
из
геномов
аллополиплоида.
На основе метода геномного анализа было установлено
происхождение многих видов культурных растений (рис 18.4,
18.5, 18.6, 18.7), и даже ресинтез** некоторых из них.
У культурной сливы не существует дикого предка.
Методом геномного анализа (Рыбин, 1935) было показано, что
она произошла на Кавказе от скрещивания терна с алычой и
спонтанного удвоения хромосом (рис. 18.4).
Терн (Prunus spinosa 2n=32) x Алыча (Prunus divivicata 2n=16)
↓
спонтанное удвоение хромосом
↓
Слива домашняя (Prunus domestica 2n=48)
Рисунок 18.4. Происхождение сливы домашней (Рыбин, 1935).
_____________________________________________________
*Термин ―геном‖ был предложен Х.Винклером в 1920г.
**Ресинтез – экспериментальное воссоздание существующих видов методом
отдаленной гибридизации..
232
Рисунок 18.5. Схема происхождения видов пшеницы.
Методом
геномного
анализа
было
показано
происхождение в Индии сарептской горчицы (рис.18.6) и в
Средиземноморье брюквы (рис. 18.7).
233
Черная горчица
х
(Brassica nigra, 2n=16)
Сурепка
(Brassica campestrics, 2n-20)
↓
Спонтанное удвоение хромосом F1
↓
Сарептская горчица (Brassica juncea, 2n=36)
Рисунок 18.6. Происхождение сарептской горчицы (Thompson,
1956).
Репа
(Brassica rapa, 2n=20)
х
Капуста
(Brassica oleracea, 2n=18)
↓
Спонтанное удвоение хромосом
↓
Брюква (Brassica napus, 2n=38)
Рисунок 18.7. Происхождение брюквы (Thompson, 1956).
8. Культура протопластов.
Протопласт – это растительная клетка без оболочки. Был
разработан метод слияния с помощью электрического разряда
содержимого клеток разных видов растений, лишенных
оболочки, а затем регенерации каллуса и полноценных растений.
При этом эти растения вполне фертильны, так как их клетки
несут полные диплоидные наборы хромосом обоих видов.
Объединение протопластов, получило название парасексуальная
гибридизация.
Наиболее
результативной
подобная
―гибридизация‖ оказалась при слиянии протопластов, растений,
относящихся к различным видам в родах Brassica, Nicotiana,
Petunia и Solanum.
9. Ключевые слова и понятия.
беккросс
геномный анализ
культура протопластов
отдаленная
гибридизация
парасексуальная
гибридизация
ресинтез видов
реципрокные
скрещивания
хромосомы кукушки
234
234
Лекция 19. ИНБРИДИНГ И ГЕТЕРОЗИС.
Инбридинг. – Инбридинг у человека. – Гетерозис. – Гипотеза доминирования. –
Гипотеза сверхдоминирования. – Дополнительное действие аллелей. –
Альтернативные пути синтеза. – Синтез оптимального количества
определенного вещества. – Практическое использование явлений инбридинга и
гетерозиса. – Ключевые слова и понятия.
1. Инбридинг.
Под инбридингом понимают скрещивание родственных
между собой особей. Альтернативой инбридингу является
аутобридинг, при котором скрещиваются не родственные между
собой особи. Инбридинг* приводит к возрастанию частот
―вредных‖ генов в гомозиготном состоянии, что, в свою очередь,
определяет явление депрессии или даже летальности. Крайняя
степень инбридинга – самоопыление. И хотя Ч.Дарвин в своем
труде ―Действие перекрестного опыления и самоопыления в
растительном мире‖, опубликованном в 1876 г. пришел к
выводу, что ―перекрестное опыление обыкновенно оказывает
благоприятное действие, а самоопыление – вредное‖, среди
возделываемых
растений
большой
процент
занимают
самоопылители (табл. 19.1).
В то же время, многие растения – перекрестники в
процессе эволюции развили системы самонесовместимости
(гаметофитная, спорофитная), препятствующие самоопылению
(инбридингу).
Явления инбридинга свойственны также животным и
человеку. Мерой степени инбридинга в этих случаях служит
коэффициент инбридинга (F). Коэффициент инбридинга
показывает вероятность того, что у особи в данный момент в
определенном локусе окажутся два гена, полностью идентичные
аллелю одного из предков. Идентичность в данном случае
определяется не молекулярным строением гена (например число
нуклеотидов) и не эффектом действия, а идентичностью
происхождения.
______________________________________________________________
*Инбридинг (англ.) = инцухт (нем.)
235
Таблица 19.1.
Система размножения у культурных растений (У.Уильямс, 1968,
с сокращениями).
Инбридинг*
Пшеница
Овес
Рис
Ячмень
Хлопчатник
Томаты
Горох
Vicia spp.
Phaseolus spp.
Салат
Лен
Зерновое
сорго
Однолетние
злаковые
травы
Однолетние
виды клевера
Однолетние
виды
люцерны
Персик
Аутобридин
г
Рожь
Beta spp.
Brassica spp.
Вишня
Слива
Яблоня
Груша
Картофель
Табак
Многолетни
е
злаковые
травы
Многолетни
е
бобовые
травы
Лук
Аутобридинг
однодомны
двудомные
е
Кукуруза
Конопля
Тыква
Виноград
Хмель
Щавель
Земляника
(полиплоидн
ые виды)
Апомиксис
Малина
(полиплоидны
е виды)
Мятлик
На приводимой ниже схеме показана родословная особи
Е, полученной от скрещивания сибсов (брата и сестры) C и D, в
свою очередь произошедших от родителей A и B не состоявших в
родстве.
А
х
В
(а1а2)
↓
(а3 а4)
___________________
↓
↓
С
х
D
↓
Е
Рисунок 19.1. Родословная особи E, полученной от скрещивания сибсов
С и D (а1, а2, а3, а4 – аллели определенного гена в генотипах
родительских форм А и В).
236
Спрашивается с какой вероятностью особь Е будет
гомозиготна по гену а1: а1а1? Родитель А продуцирует гаметы
двух типов а1 и а2, каждую с вероятностью 1/2. Следовательно,
потомок С получит гамету а1 с вероятностью 1/2. С такой же
вероятностью этот тип гамет будет передан особи Е,
следовательно вероятность получения аллеля а1 особью Е будет
равна 1/2 х 1/2 = 1/4. Применяя эти же рассуждения к выяснению
вероятности попадания аллеля а1 в генотип особи Е, через сибса
D, мы получим цифру 1/4. В итоге вероятность, что Е получит
аллель а1 от обоих родителей равна 1/4x1/4=1/16. Исходя из выше
приведенных рассуждений, но применив их к аллелям а2,а3 и а4,
мы увидим, что вероятность гомозиготности особи Е по аллелю
а2 (а2а2) равна 1/16, по аллелю а3 (а3а3) – 1/16 и по аллелю а4
(а4а4) – 1/16. В целом вероятность того, что особь Е окажется
гомозиготной по одному из четырех аллелей прародителей равна
1/16+1/16+1/16+1/16=1/4=0,25. 0,25 - это и есть коэффициент
инбридинга соответствующей родословной, приведенной на рис.
19.1. Для этой родословной коэффициент инбридинга может быть
рассчитан по формуле:
F=Σ1/2(1/2)n
где n-число поколений, протекших от одного родителя до другого
через общего предка.
Для более сложных случаев вычисления коэффициента
инбридинга используют формулу:
F=Σ1/2(1+FA)(1/2)n
где: n - число поколений, протекших от одного родителя до
другого через общего предка;
FA - коэффициент инбридинга общих предков.
Величина коэффициента инбридинга при различных типах
скрещивания приведена в таблице 19.2.
237
Таблица 19.2.
Коэффициент инбридинга (F) в потомстве от родственных
скрещиваний (Айала, Кайгер, 1988, с. 170).
Тип скрещивания
Самоопыление
Сибсы (братья и сестры)
Дядя х племянница, тетка х
племянник или ―двойные‖
двоюродные братья и сестры
Двоюродные братья и сестры
Двоюродные
дядья
х
племянницы или
тетки х племянники
Троюродные братья и сестры
Троюродные
дядья
х
племянницы или
тетки х племянники
Четвероюродные братья х
сестры
F
1/2
1/4
1/8
1/16
1/32
1/64
1/128
1/268
В селекции растений и животных часто применяют
инцухт с целью получения гомозиготных особей при регулярном
повторении определенного типа скрещиваний. При этом
происходит увеличение коэффициента инбридинга, как показано
на рис. 19.2.
Инбридинг ведет к гомозиготности, чем и пользуются
селекционеры растений, работая с гибридными потомствами
самоопылителей или создавая инцухт линии (кукуруза, томат,
лук и др.). Получение полностью гомозиготных растений при
самоопылении находится в прямой зависимости от числа
соответствующих локусов, интенсивности инбридинга и числа
инбредных поколений (рис. 19.3). При этом в каждом поколении
инбридинга степень гетерозиготности уменьшается в 2 раза (табл.
19.3).
238
Рисунок 19.2. Увеличение коэффициента инбридинга в ряду поколений
при различных типах родственных скрещиваний (Айала, Кайгер, 1988,
т.3, с. 171).
Рисунок 19.3. Содержание гомозигот (%) в каждом поколении, полученном при
самоопылении родителей, гетерозиготных по 1, 5, 10 и 15 независимо
наследуемых локусов (Уильямс, 1968. с. 250).
239
Таблица 19.3.
Уменьшение гетерозиготности (%) при самоопылении
генотипа Аа.
Инбредное
поколение
0
I1
I2
I3
I4
I5
АА
Аа
аа
25
37.5
43.75
46.88
48.44
100
50
25
12.5
6.25
3.13
25
37.5
43.75
46.88
48.44
Применение инбридинга к перекрестно-опыляющимся растениям
(например, кукуруза) приводит ко все увеличивающейся потерей
растениями жизнеспособности (инбредное вырождение). Такая
потеря жизнеспособности и как результат уменьшение
продуктивности продолжается до достижения инбредного
минимума, который наступает где-то к 10 поколению
инбридинга, когда продолжение инбридинга уже не вызывает
дальнейшего падения жизнеспособности (рис. 19.4).
Рисунок 19.4. Инбредная депрессия у кукурузы (Альтшулер, Поляков, 1969, с.
151).
240
2. Инбридинг у человека.
Инбридинг у человека получил название кровосмешение.
Оно происходит, когда в брак вступают близкие или
сравнительно близкие родственники. Например, родители с
детьми, брат с сестрой, двоюродные братья и сестры, дядя с
племянницей и т.п. (табл. 19.2). При этом вероятность
гомозиготного состояния рецессивных генов, вызывающих
аномалии развития или наследственные болезни, значительно
выше, чем при браках лиц, не состоящих в родстве (табл. 19.4).
Причинами, определяющими высокие частоты родственных
браков, являются следующие факторы изоляции:
 национальные;
 кастовые;
 классовые;
 территориальные;
 религиозные.
Таблица 19.4.
Частота болезней, физических и умственных дефектов среди
потомства браков между неродственными лицами и между
двоюродными братьями-сестрами
(Штерн, 1960, по Эфроимсон, 1964, с.135).
Страна
Франция
Япония
Швеция
США
Неродственные браки
Число
детей
833
63796
165
163
%
больных
3.5
1.02
4.0
9.82
Браки
между
двоюродными
братьями и сестрами
Число
%
детей
больных
144
12.8
2846
1.69
218
16.0
192
16.15
Урбанизация населения во всех странах мира ведет к
снижению частот родственных браков, что является весьма
положительной тенденцией.
241
3.Гетерозис.
Гетерозис*(от греческого heteroisis – изменение,
превращение) – явление превосходства по различным признакам
гибридов первого поколения над родительскими формами.
Для растений (по О. Густафсону) различают три типа
гетерозиса:
 -соматический;
 -репродуктивный;
 -адаптивный.
При соматическом гетерозисе первое гибридное
поколение превосходит родительские формы по массе растений.
Репродуктивный гетерозис определяет превосходство F1 по
семенной продуктивности. И, наконец, адаптивный гетерозис
проявляется в повышенной устойчивости гибридов к
неблагоприятным факторам внешней среды.
Впервые
явления
гетерозиса
были
описаны
И.Кельрейтером (публикации 1761-1766 гг.), который изучал
гибриды табака. Он сделал три интересных вывода, которые в
последствии были подтверждены:
 величина гетерозиса зависит от степени различия
родительских форм;
 гибридная сила (гетерозис) имеет особое значение в
эволюции;
 с практической точки зрения гибридная мощность
очень ценна для лесоводов.
Через сто лет Ч.Дарвин (1876г.) в своей работе ―Действие
перекрестного опыления и самоопыления в растительном мире‖
показал преимущество гибридов над негибридами, в частности, у
кукурузы. Последнее, в свою очередь, вызвало огромное
количество селекционных исследований в этом направлении и,
как результат, широкое распространение гибридов различных
культур в сельскохозяйственном производстве всего мира.
_______________________________________________________
*Термин гетерозис предложен Дж.Шеллом в 1914г
242
Однако, и что удивительно, до сих пор не создана
генетическая теория гетерозиса. Это объясняется тем, что многие
механизмы в проявлении гетерозиса не ясны. Существуют
различные гипотезы, объясняющие генетическую сущность
явления гетерозиса, но окончательно вывод в пользу какой-то из
них делать пока рано. Рассмотрим две из этих гипотез.
2.1. Гипотеза доминирования.
Гипотеза
разработана
американским
генетиком
Д.Джонсом (1918 г.). Согласно этой гипотезе доминантные
аллели генов способствуют проявлению гетерозиса, а
рецессивные нет.
Это положение хорошо иллюстрирует схема на рис.19.5,
на которой показана величина определенного (абстрактного)
признака, если допустить, что в развитие признака рецессивный
генотип (аа,bb) вносит 1, а доминантный (АА, Аа) – 2.
ааВВссDDее
1+2+1+2+1=7
F1
х
АаbbССddЕЕ
2+1+2+1+2=8
↓
АаВbСсDdЕе
2+2+2+2+2=10
Рисунок 19.5. Вклад доминантных и рецессивных генотипов в развитие
количественного признака.
Считается также, что на степень гетерозиса оказывают
влияние и эффекты взаимодействия между доминантными
генами (эпистаз*).
Вообще принято рассматривать по этой гипотезе
гетерозис, как любое превышение показателей у гибридов над
средней точкой между его родителями:
______________________________
* В генетике количественных признаков термином ―эпистаз‖ обозначается
взаимодействие генов, влияющих на выраженность признака.
243
аа<AA
Исходя из теории доминирования, в целом гетерозис
следует рассматривать, как суммирование значения d по каждому
из генов, вносящих вклад в развитие признака у F1:
гетерозис =Σ d
Эта формула должна быть видоизменеа, если родительские
формы не полностью гомозиготны по каждому из полигенов. В
этом случае она пробретает вид:
гетерозис в F1 = Σ d y2,
где: y – множитель, представляющий разность в частоте генов
между двумя скрещивающимися формами (y=1 или 100%, когда
каждый родитель гомозиготен по разным аллелям в каждом
локусе).
В связи с тем, что гетерозиготность в F2 уменьшается в 2 раза
и гетерозис во втором поколении снижается в два раза:
гетерозис в F2 = Σ d y2/2.
Основным возражением против этой гипотезы, был тезис
о том, что если она верна, то почему нельзя отобрать особи, у
которых все доминантные гены будут в гомозиготном состоянии.
Но это, практически, не решаемая проблема, так как даже в
нашем случае при F1 с генотипом АаВbССDdЕЕ в F2 растение с
генотипом ААВВССDDЕЕ будет выщепляться с частотой (1/4)5. А
это значит 1 растение на 1024 растений второго поколения. Здесь
чисто математическая проблема, так как В.Р. Синглтон показал,
что если урожайность кукурузы определяется 30 генами (а их, по244
видимому, значительно больше), то чтобы выделить в F2 одно
растение гомозиготное по всем тридцати генам в доминантном
состоянии надо засеять площадь, превышающую в 2000 раз
площадь земного шара. И еще одно. Если представить, что гены,
вызывающие гетерозис, сцеплены, то получение гомозиготы по
доминантным генам может быть сильно затруднено или просто
нереально.
2.2. Гипотеза сверхдоминирования.
Эту гипотезу, независимо друг от друга, сформулировали
Т.Шелл и Е.Ист в 1908г. Сущность ее заключается в том, что
гетерозис являет собой эффект взаимодействия гетерозиготной
пары генов(рис. 19.6).
AA
aa
Aa
d
Рисунок 19.6. Эффект гетерозиса
гетерозиготной пары аллелей.
(d)
при
взаимодействии
Гипотезу сверхдоминирования отличают от первой два
положения:
 активны оба аллеля;
 невозможно закрепить (даже теоретически) гетерозис, то
есть получить гомозиготу, равную по эффекту
гетерозиготе со сверхдоминантностью.
Определенным подтверждением правоты сторонников этой
гипотезы явилось открытие, так называемого, моногенного
гетерозиса. Этот тип гетерозиса хорошо виден на следующих
примерах.
Дополнительное действие аллелей. У кукурузы, как
показал Л.Стадлер (1942), имеются множественные аллели R,
детерминирующие пигментацию различных частей растения.
Гетерозиготное по этим аллелям растение всегда более
пигментировано, чем гомозиготное растение:
RgRg – алейрон окрашен, пыльники не окрашены
rrrr – алейрон не окрашен, пыльники окрашены
245
Rg rr– алейрон окрашен, пыльники окрашены
Альтернативные пути синтеза. Предположим, что
аллель G1 определяет выработку красного пигмента при t=27оС, а
аллель G2 при t=10оС. В этом случае при отсутствии
доминантности генотип G1G2 имеет два альтернативных пути
синтеза красного пигмента в полном объеме как при высокой, так
и при низкой температуре.
Синтез
оптимального
количества
определенного
вещества. На проростках у ячменя было показано, что
доминантные и рецессивные гомозиготные генотипы по гену K
(KK и kk) фиксируют двуокись углерода приблизительно с
одинаковой скоростью, а вот у гетерозиготного генотипа (Kk)
фотосинтез увеличивался ~ на 50%.
В целом следует признать, что обе эти гипотезы
объясняют одинаковый конечный результат и поэтому не могут
считаться взаимоисключающими. И вряд ли такое сложное
явление как гетерозис определяется только одним каким-то
типом взаимодействия генов.
4. Практическое использование явлений инбридинга и
гетерозиса.
Инбридинг в настоящее время нашел широкое
применение в селекции перекрестно опыляющихся растений
(кукуруза, подсолнечник, рожь) для освобождения от летальных
генов и создания инбредных линий, которые в свою очередь
используются
для
получения
гетерозисных
гибридов.
Гетерозисные гибриды получают у следующих групп растений:
 раздельнополые однодомные растения (кукуруза,
огурец и др.);
 гермафродитные
перекрестноопыляющиеся
растения (рожь, свекла, подсолнечник);
 гермафродитные многосемянные растения (томат,
баклажан, перец);
 двудомные раздельнополые растения (шпинат,
щавель, конопля);
 вегетативно размножаемые растения (тополь,
картофель).
246
5. Ключевые слова и понятия.
гетерозис
гипотеза доминирования
гипотеза
сверхдоминирования
инбридинг
инбредное вырождение
коэффициент инбридинга
кровосмешение
моногенный
гетерозис
247
Лекция 20 . ГЕНЕТИКА ОНТОГЕНЕЗА
Генетика онтогенеза растений. - Эффекты экспрессии генов на стадии
эмбриогенеза. - Генетический контроль развития меристем. - Генетический
контроль формирования листьев и корней растений. - Генетический контроль
развития цветка. - Генетический контроль мейоза. - Апоптоз у растений. Ключевые слова и понятия.
1. Генетика онтогенеза растений.
Одним из интенсивно развивающихся направлений в
современной
генетике
является
генетика
онтогенеза.*
Н.П.Дубинин писал ‖Проблема генетики индивидуального
развития особи является одной из центральных проблем
биологии. Она исключительна по своей значимости и
загадочности‖(1976, стр.437). Действительно, очень сложно
представить себе генетические механизмы, управляющие
процессами развития растения (взрослой особи) из зиготы. При
этом формирование растения проходит ряд этапов, получивших
название морфогенез (образование листьев, стебля, цветка и т.п.).
Однако каждый следующий этап морфогенеза заранее не
преформирован. Иными словами, на каждом из этапов
морфогенеза организм растения выступает, как целое. Это
явление получило название эпигенез. При этом развитие
отдельных органов растения, преобразующее его фенотип, не
затрагивает
всю
полноту
генетической
информации,
сохраняющуюся во всех без исключения клетках. Это
подтверждается
результатами
биотехнологических
экспериментов. Так, Ф.Стюард (цит. по Н.П.Дубинину, 1976),
получил целое растение моркови из одной соматической клетки
(2n), выделенной из вторичной флоемы корня. В свою очередь
это является указанием на то, что генетическая информация,
детерминирующая
развитие
организма,
определяет
дифференцируемую очередность генной транскрипции. Иными
словами в дифференцированных тканях (листья, цветы и т.п.)
функционируют не все и не всегда одинаковые гены. Показано
также, что процессы развития на определенных этапах
___________________________________
*онтогенез – индивидуальное развитие (от греч. ontos – существо и лат. genesis –
происхождение)
248
морфогенеза зависят и от взаимодействий ядра и цитоплазмы. На
каждом из этапов морфогенеза изменяется дифференциальная
экспрессия генов, однако, она не сязана с утерей генетической
информации в целом. И это главное, что определяет
тотипотентность (сохранение потенции к формированию
целого организма) клеток растений. Это принципиальное отличие
растительных клеток от клеток животных, теряющих
тотипотентность на первых этапах развития организма.
На этом фоне основным вопросом остается изучение
(выявление) генетических программ развития, лежащих в основе
клеточной дифференцировки и соответственно событий
предопределяющих морфогенез. Одновременно исследуются
молекулярные механизмы запуска этих программ, так
называемого биологического ответа. Примером может служить
формирование колоса у озимой пшеницы как ответ на
воздействие на растение пониженными температурами
(яровизация).
Считается, что любая генетическая программа развития не
существует без системы сигналов, включающей следующие
компоненты:
1. Каскадная система молекул-посредников, передающая
воспринятий сигнал. В нее входят белки (например,
протеинкиназа), низкомолекулярные соединения и ионы.
2. Рецепторные белковые молекулы, распознающие сигналы
химической и физической природы.
3. Белковые молекулы, обеспечивающие ответ растения на
поступивший сигнал.
Так как и восприятие сигнала, и ответ (быстрый или
замедленный) на него основывается на определенных группах
белковых молекул и, следовательно, на дифференциальной
экспрессии определенных генов. В конечном же итоге все эти
события совершаются на уровне транскрипции молекул мРНК.
Для расшифровки генетических программ развития
исследуют мутантные гены, задействованные на той или иной
стадии органогенеза растения и экспрессирующиеся в
определенном порядке. При этом использование двойных или
множественных
мутантов
позволяет
оценивать
последовательности включения в экспрессию определенных
249
генов, задействованных как непосредственно в морфогенезе, так
и в формировании сигнальных путей.
В биологии онтогенез растения принято делить на
следующие стадии развития:
1. Эмбриональная: от зиготы до созревания семени.
2. Ювенильная: от прорастания семени до начала
формирования репродуктивных органов.
3. Стадия зрелости: формирование репродуктивных органов,
процессы оплодотворения, образование семян.
4. Стадия старости и умирания.
На каждой из этих стадий (или этапов развития)
происходят как количественные, так и качественные изменения в
развивающемся растении. В связи с тем, что стадии развития
определенным образом перекрываются, нельзя отнести действие
многих генов только к одной стадии, хотя описаны и такие гены.
.
2.Эффекты экспрессии генов на стадии эмбриогенеза.
Гены, действующие в эмбриогенезе можно подразделить
на следующие группы:
 гены домашнего хозяйства*;
 эмбриоспецифические гены (рис. 20.1).
Рисунок 20.1. Гены экспрессирующиеся в эмбриогенезе: 1 – гены домашнего
хозяйства; 2 – эмбриоспецифические гены: 2а – гены раннего эмбриогенеза; 2б –
гены этапа созревания; 2в – гены, экспрессирующиеся в позднем эмбриогенезе и
захватывающие прорастание семян (Лутова, Проворов. и др., 2000, с.162.).
_______________________________________
*- гены, обеспечивающие функции, необходимые для клеток всех типов; эти
гены часто называют конститутивными генами.
250
Примерами генов, экспрессирующихся в раннем эмбриогенезе
может быть ген АТМ1, который экспрессируется у Arabidopsis
thaliana в апикальной клетке зародыша до стадии
восьмиклеточного зародыша. У сои выявлен ген КТ1 (kunitz),
контролирующий синтез трипсинового ингибитора протеаз. Его
экспрессия происходит в апиксе зародыша, а вот в семядолях она
отсутствует. То есть экспрессия этого гена – тканеспецифична.
В процессе созревания зародыша растений наиболее
интенсивно экспрессируются гены, детерминирующие синтез
запасных белков (проламина у однодольных, а у двудольных
легумина, фазеолина и др.). Примером подобного рода генов
может служить ген О2 (opaque 2) у кукурузы, определяющий
дифференциальную транскрипцию зеиновых генов.
Тканеспецифичными
являются
и
гены
амилаз,
экспрессирующиеся в алейроновом слое однодольных.
Выявленный ген L-AMYL3 экспрессируется в алейроновом слое
при формировании эндосперма, а гены L-AMYL1 и L-AMYL2 при
прорастании семян.
―Ответственность‖ отдельных генов за формирование
определенных частей зародыша хорошо иллустрируют схемы на
рис. 20.2. Из приведенных на рис. 20.2 схем видно, что
экспрессия одного гена затрагивает только определенную часть
зародыша и, следовательно, клетки, формирующие эти части,
автономны.
Исследование различных мутаций в раннем и позднем
эмбриогенезе показало, что в генетических программах развития
первичным является дифференцировка тканей, а затем идут
процессы морфогенеза, то есть в таком порядке экспрессируются
соответствующие
гены.
Следовательно,
только
после
дифференцировки
клетки
определяется
частью
какой
формирующейся ткани она станет. Примером могут служить
мутации генов REU и KN. В первом случае (ген ren) нарушено
нормальное формирование эпидермальных клеток, а во втором
(ген kn) дифференциация эпидермальных и проводящих тканей.
И, как результат, зародыш или приобретает ненормально
округлые формы, или лишен апикальной и базальной частей.
251
Рисунок 20.2. Мутации арабидопсиса, затрагивающие различные части
проростка: а - норма; б - мутация gurk, в-мутация fackel; г - мутация
monopteros; д - мутация gnom (отсутствие определенного участка
заштриховано) (Лутова, Проворов и др. 2000. с. 166.).
252
3. Генетический контроль развития меристем.
Большое значение для роста и развития растений имеет
нормальное развитие меристем. Меристемы - это активно
делящиеся клетки.
Различают следующие типы меристем:
 апикальные;
 детерминированные;
 интеркалярные.
Побеговые апикальные меристемы формируются из
апикальной клетки. В течение периода вегитации на основе
апикальной меристемы формируются клетки новых меристем и
листового зачатка. При переходе к репродуктивной стадии
развития апикальная меристема формирует цветочные
меристемы. Это уже детерминированные меристемы. Тип
клеточного деления этих меристем и определяет число клеточных
делений и форму, образующегося из них органа, что, в свою
очередь, определяется независимым генетическим контролем.
Показано,
что
поддержание
стволовых
клеток
в
недифференцированном состоянии детерминируется геном STM
(shoot meristem less), а клеточное деление в меристематическом
центре геном WUS (wushel). Ген же CLV1 регулирует образование
определенных органов растения и подавляет клеточное деление.
Самоорганизация
побеговой
апикальной
меристемы
детерминируется геном ZLL (zwille) в момент перехода от
эмбрионального развития к постэмбриональному.
4. Генетический контроль формирования листьев и корней
растений.
Формирование листа растения начинается с образования
листовых зачатков из апикальной меристемы (рис. 20.3).
Примером влияния генов на формирование листовых
зачатков может служить действие гена KN1 (knotted 1) у
кукурузы. Этот ген влияет на развитие лигулы, листовых жилок,
а также дифференцировку тканей листа. Мутация этого гена в
рецессивное состояние (KN1→ kn1), приводит к тому, что лигула
не развивается, а возле срединной и боковых жилок
формируются специфические узелки (рис. 20.4).
253
Рисунок 20.3. Схема образования листовых зачатков (1, 2, 3, 4 и т.д.) из
апикальной меристемы (Лутова, Проворов и др.,2000. с. 183).
Рисунок 20.4. Проявление мутации knotted 1 у кукурузы. А – нормально
развитой лист; Б – мутант knotted (лигула отсутствует, на поверхности
листа сформированы узлы) (Лутова, Проворов и др., 2000, с. 185.).
254
Этот ген представляет интерес и тем, что содержит гомеобокс*, свойственный генам** каскадной регуляции у дрозофилы,
что
свидетельствует
об
определенной
идентичности
регуляторных генов у эукариот.
В целом гены, влияющие на формирование листьев,
подразделяют на две группы:
 гены инициирующие развитие листа;
 гены детерминирующие развитие листа определенного
типа.
Примером первой группы генов могут быть гены (dwarf),
контролирующие биосинтез гиберелина: D1, D3, D5.
Ко второй группе относятся, например, гены, описанные
у кукурузы и влияющие на морфологию листовой пластинки (Тp
2), развитие эпидермиса (GL 15), воскового налета (Gl 1), наличие
опушения (Hs 1).
Было установлено, что у растений процессы инициации
листа и его формирования контролируются генетически
независимыми программами.
Развитие и рост корня растения, как и листа,
контролируется большим числом генов. В целом корень
формируется из корневой апикальной меристемы и представляет
собой концентрический круг клеток, принадлежащих различным
тканям. При этом выделяют так называемый неподвижный центр,
клетки которого ингибируют дифференцировку клеток их
окружающих. В дальнейшем, с наростанием клеточных слоев
начинается дифференцировка клеток, тканей и как следствие
формирование и рост корневых волосков и других элементов
корня.
_______________________________
* Участок гена, размером ~ 180 п.н., расположенный около 3’-конца
транскрипционной единицы.
** Каждый из таких генов экспрессируется в пределах ограниченного участка
тела насекомого в процессе эмбрионального развития.
255
Рисунок 20.5. Влияние длины дня и гена СО на цветение арабидопсиса:
а - длинный день и аллель СО; б - короткий день при гене СО или
аллеле co в генотипе растения (Лутова, Проворов и др., 2000, с.208.).
5. Генетический контроль развития цветка.
В настоящее время еще нет полных данных по
генетическим системам, регулирующим переход растения от
вегетативного роста к цветению. В этом процессе задействовано
очень большое число генов, действующих на разных его этапах.
Во-первых, это гены (I), детерминирующие развитие побеговой
меристемы в меристему соцветий и гены (II), определяющие
развитие цветковой меристемы из мерстемы соцветий:
256
побеговая меристема → I → меристема соцветий → II→
цветковая меристема.
У арабидопсиса (Arabidopsis thaliana)*, например, гены I это гены LFY, AP1, CAL, CLV, ARR, а гены II - AP1, AP2, AP3, PI,
AG, SU. Мутации любого из этих генов приводят к необратимым
последствиям. Например, рецессивная мутация гена AP2→ap2
приводит к тому, что вместо лепестков образуются тычинки, а
при мутации гена AG→ag вместо тычинок растение формирует
лепестки, а вместо пестиков чашелистики.
Во-вторых,
растения
в
процессе
эволюции
приспособились переходить к цветению только при наличии
определенных факторов внешней среды: длинный фотопериод
(день), короткий фотопериод (день), определенный период
пониженных температур и т.п. Естественно, что в процессе
подобного приспособления отселектировались в результате
естественного отбора и определенные гены и даже, скорее,
генные системы. Например, у арабидопсиса цветение на длинном
дне определяет ген CО (рис. 20.5), кодирующий процессы
транскрипции при определенном фотопериоде. А, например, ген
GA1 участвует в синтезе гибберелина, который необходим для
перехода к цветению растений арабидопсиса на коротком дне.
Одновременно ген phy A участвует в ―измерении‖ растениями
арабидопсиса длины дня и ночи. То есть, разные внешние
условия как бы включают разные гены (генные системы),
приводящие растение к ―конечной продукции‖, то есть
зацветанию и образованию плодов и семян. В то же время,
рецессивная мутация гена IHY→ihy определяет задержку
цветения независимо от фотопериода. Подобные гены или
близкие к ним выявлены и у других видов растений.
Таким образом, в процессе онтогенеза генетически
детерминировано ―переключение‖ путей развития. Это
наблюдается как на клеточном уровне, когда происходит
дифференциация клеток, возникших в результате непрерывного
клеточного деления, так и при переходе от вегетативного роста к
цветению. В норме не происходит сбоев в генетической
детерминации пути развития определенных клеточных тканей.
Так, из листовых зачатков образуются листья, но не стебли или
257
почка. Следовательно, на определенном этапе развития судьба
клеток генетически детерминирована. Однако, в отличие от
животных клеток, эта детерминация у растительных клеток
обратима в силу тотипотентности. Иными словами, при
использовании методов биотехнологии каждая из клеток даже
специализированной ткани способна к формированию целого
растения.
Показано, что направление дифференцировки клеток
определяют позиционные сигналы, поступающие от соседних
дифференцированных клеток, а также такие факторы, как
фитогармоны, свет, геотропизм. Предполагают, что позиционные
сигналы представляют собой продукты генов KN1 или CLV1(или
им подобных), которыми клетки могут обмениваться через
плазмодесмы.
6. Генетический контроль мейоза.
Важнейшим этапом в жизненном цикле растений является
смена диплоидной фазы развития на гаплоидную, происходящая
в результате особого клеточного деления, получившего название
мейоз. Как было показано выше, мейоз находится под контролем
целого каскада генов, одни из которых являются идентичными
для митоза и мейоза, а другие специфичны только для мейоза.
Число подобных генов у растений не установлено (пока!). Однако
можно говорить об очень большом числе генов, т.к. только у
дрожжей (Saccharomyces ceravisae) описано не менее 360.
Фенотипически мей–мутанты дрожжей не отличаются от мей–
мутантов высших растений. Поэтому считают, что действие
системы мей – генов у высших растений принципиально не
отличается от действия каскада мей–генов у дрожжей, схема
которого приведена на рисунке 20.6, где показан ряд генов,
регулирующих через специфические белки переход от митоза к
мейозу и главные этапы мейоза.
258
нок 20.6. Схема событий при переходе от деления путем митоза к делению путем мейоза у почкующихся
жей Saccharomyces cerevisae ( Богданов, 2003, с. 455 ).
259
Принципиальные различия между митозом и мейозом
обеспечивают гены, детерминирующие процессы синапсиса,
кросинговера и расхождения хромосом в процессе первого
деления мейоза (мейоз I). В митозе хромосомы на стадии
метафазы располагаются в экваториальной плоскости за счет
тянущих нитей веретена и сцеплением (когезия) в области
центромеры
сестринских
хроматид.
Части
удвоенного
кинетохора при этом удерживаются белками когезинами. Когда
этот белок разрушается тянущие нити веретена разводят
сестринские хроматиды к полюсам. В мейозе (метафаза I)
хромосомы на экваторе располагаются в результате действия
тянущих нитей веретена и белка мей-когезина, удерживающих
гомологичные хромосомы в составе бивалентов в районе хиазм.
В это же время ген SPO13 супрессирует работу гена CDC31,
детерминирующего расщепление кинетохора. Поэтому после
разрушения мей–когезинов в районе хиазм нити веретена
растаскивают к полюсам гомологичные хромосомы (редукция
числа хромосом). Во втором делении мейоза (мейоз II) ген SPO13
не экспрессируется. Поэтому в анафазе II ген CDC31
детерминирует расщепление кинетохора и, как следствие,
расхождение к полюсам сестринских хроматид.
7. Апоптоз у растений.
Апоптоз – генетически запрограммированная гибель
клеток. Описан как у животных, так и у растений, грибов и
микроорганизмов. У растений апоптоз, как явление, имеет место
в
процессе
эмбриогенеза
и
морфогенеза.
Описана
запрограмированная гибель клеток у растений при развитии
проводящих сосудов (ксилема, флоэма), образование лопастей и
перфораций у листьев (рис.20.7), сезонной смены облиственности
растений и др.
260
Рисунок 20.7. Лопасти листьев у монстеры (Monstera deliciosa)
образуются в онтогенезе в результате апоптоза (Дьяков и др., 2001, с.
165. )
Апоптоз это сложный процесс каскадной активации
апоптозных генов, которые или активируют процесс через
индукторы, или блокируют через репрессоры, что в свою очередь
приводит к изменению метаболических реакций растения, влияя
на сигнальные рецепторы молекул или на R-гены (гены
устойчивости к фитопатогенам).
261
Рисунок
20.8.
Изменения
в
клетке,
претерпевающей
программированную клеточную смерть (Дьяков и др., 2001, с. 174).
При апоптозе происходят следующие изменения
растительной клетки. Ее объем уменьшается. Образуются
апоптозные
везикулы,
нарушающие
целостность
цитоплазматической
мембраны,
а
содержимое
клетки
распределяется по этим везикулам. Ядро распадается на
отдельные фрагменты с образованием олигонуклеосомных
частиц. И, наконец, в клеточной оболочке образуются поры,
через которые выходит фрагментированное содержимое клетки.
Каскад регуляторных процессов в клетке при апоптозе
схематично показан на рис. 20.8. Основная роль при апоптозе
принадлежит активации протеаз и, в частности, каспаз (caspase),
расщепляющих белки по остаткам аспарагиновой кислоты и Са2+
зависимых протеаз (кальпины). При этом можно выделить
следующие этапы. Во-первых, начинается распад ядерной
мембраны в результате воздействия протеаз на белки - ламины, ее
составляющие. Одновременно протеазы разрушают белки
ядрышек, гистоны и топоизомеразу, связывающую ДНК
хроматина с белками ядра, прикрепляющих хроматин к ядерному
матриксу. В результате расщепления топоизомеразы образуются
262
высокомолекулярные фрагменты ДНК. Апоптозная ДНКаза
CAD(caspaseactivated DNase), образующая в нормальных клетках
комплекс с ингибиторами I CAD или DFF (DNA fragmentation
factor), в результате инактивации ингибиторов каспазами 3 и 7
высвобождается. Свободная CAD вызывает нуклеосомные
разрывы хроматина и образование фрагментов ДНК (200 п.н.).
Одновременно
каспазы
разрушают
поли-(АДФ–рибозо)полимеразу, которая участвует в репарации ДНК, АДФрибозилировании и регуляции активности эндонуклеаз.
Особая роль принадлежит протеазам и в передаче
апоптозного сигнала от индукторов апоптоза. Эффективная
трансмембранная передача апоптозного сигнала обеспечивается
тем, что протеаза локализована в самых разных частях клетки:
матриксе ядра, органеллах, цитоплазме, вакуолях и т.п. Это
возможно по причине, что протеаза синтезируется в клетке в
неактивной форме (прокаспаза). При действии же индукторов
апоптаза разрушается диссоциация неактивных комплексов
протеаза-ингибитор.
Также показано, что у растений как и у животных в
индукции апоптоза могут участвовать и митохондрии. Это было
подтверждено при изучении ЦМС у подсолнечника на основе
цитоплазмы РЕТ 1 (от Heliantus petiolaris). В этом случае у
растений подсолнечника показан апоптоз клеток тапетума и
других тканей пыльника. При этом происходит высвобождение
цитохрома С, активирующее протеолитический ферментный
каскад, и, как результат, деградация ядерной ДНК.
8. Ключевые слова и понятия.
апоптоз
генетика онтогенеза.
гены домшнего хозяйства
гены раннего эмбриогенеза
гены позднего эмбриогенеза
когезия
меристема
молекулы - посредники
онтогенез
пути развития
рецепторные
белковые
молекулы
стволовые клетки
тотипотентность
тканеспецифическая
экспрессия гена
эпигенез
263
Лекция 21. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В
ПОПУЛЯЦИЯХ
Понятие о популяциях. – Определение частот генов и соотношений генотипов в
популяциях. – Установление доли гетерозигот. – Вычисление частот генов на
основе формулы Харди – Вайнберга. – Соотношения в популяциях по генам,
сцепленным с полом. – Элементарные процессы эволюции. – Изменение
генетической структуры популяции в результате отбора. – Ключевые слова и
понятия.
1. Понятие о популяциях
Популяция*(от лат. слова populus – народ) – это
совокупность особей одного вида, свободно скрещивающихся
между
собой.
Пространственное
(территориальное)
распределение особей, практически каждого вида, неравномерно,
в результате чего они образуют локальные популяции. Такие
популяции, как правило, связаны между собой за счет миграции
особей, перенесения пыльцы растений и семян. Изучение
генетических
процессов,
определяющих
наследственную
преемственность в популяциях, составляет особую область
генетики, получившую название популяционная генетика.
Следует отметить, что это наиболее математизированная область
генетики. Ее основы были заложены классической работой
С.С.Четверикова ―О некоторых моментах эволюционного учения
с точки зрения современной генетики‖(1926 г.) и в дальнейшем
развиты в трудах как отечественных ученых – Н.П.Дубинина,
Д.Д.Ромашова, так и зарубежных – С.Райта, Дж.Холдейна,
Р.Фишера и др.
Все разработанные (или разрабатываемые) подходы для
анализа генетических процессов, имеющих место в популяциях,
основаны на исследовании так называемых панмиктических
популяций. Панмиктическая популяция – популяция, состоящая
из неограниченного числа особей, имеющих возможность
спариваться в любых сочетаниях, независимо от их генетической
природы, что определяется, в целом, вероятностью встреч
определенных генотипов. Такая популяция является как бы
модельной популяцией, с которой сравниваются методами
________________________________________________________
*Термин ―популяция‖ был предложен В.Иогансеном в 1903г.
264
статистики данные, получаемые при изучении конкретных
популяций растений, животных, насекомых, микроорганизмов и
т.п. И еще один аспект изучения популяций, это характеристика
популяций по такому параметру как частота определенных
(изучаемых, маркерных) генов. Частота отдельных генов в
популяции показывает их долю в общем генофонде, то есть –
совокупности генотипов всех особей популяции. А так как
частоты определенных генов в популяции при свободном
спаривании определяют частоты генотипов и фенотипов, то по
последним параметрам они и определяются.
Если диплоидная популяция насчитывает N-особей, то
генофонд состоит из 2N гаплоидных геномов, то есть включает в
себя по 2N генов каждого локуса N пар гомологичных хромосом.
Исключение при этом составляют гены, локализованные в
половых хромосомах гетерогаметных особей.
2. Определение частот генов и соотношений генотипов в
популяциях.
В 1908 г. немецкий врач В.Вайнберг и английский
математик Г.Харди независимо друг от друга обосновали
правило, которому подчиняются частоты распространения
гомозигот и гетерозигот в панмиктических популяциях. Это
правило получило название “Закон Харди-Вайнберга”. Основным
постулатом этого закона является утверждение, что в отсутствии
элементарных эволюционных процессов (мутации, миграции,
отбор, дрейф генов) частоты генов остаются неизменными из
поколения в поколение.
Предположим, что в популяции аллель А встречается с
частотой p, а аллель а – частотой q. При случайном скрещивании
в этом случае частота любого генотипа АА, Аа и аа равна
произведению частот соответствующих аллелей:
Частота гамет у самцов
Частота гамет
p(A)
q(a)
у самок
p(A)
p2(AA)
pq(Aa)
q (a)
q2(aa)
pq(Aa)
265
или: p2(AA) + 2pq(Aa) + q2(aa) = 1
Это как бы соотношение генотипов в новом поколении. А
какова теперь частота аллелей. Рассмотрим частоту аллеля А,
которая равна сумме частот генотипа АА и половине частот
генотипа Аа, то есть
p2 + pq = p(p+q) = p (т.к. p+q=1).
Аналогично по гену а, частота его равна сумме частот генотипа
аа и половине частот генотипа Аа, т.е. q2 + pq = q(q + p) =q.
Следовательно, частоты аллелей не изменились, что в следующем
поколении при случайном скрещивании (спаривании) приведет к
возникновению генотипов АА, Аа и аа с теми же частотами.
Иными словами равновесные частоты генотипов задаются
возведением в квадрат частот аллелей (p+q)2 и не изменяются из
поколения в поколение.
Рисунок 21.1. Связь между концентрациями генов А и а и частотой
генотипов АА, Аа и аа в популяции (по Фальконе из Дубинин Н.П.,
1976, с. 348).
Следует учитывать, что в различных популяциях
(животные, растения), частота различных генотипов задается
266
разными значениями p и q, которые в сумме составляя 1, могут
колебаться от 0 до 1. На рис.21.1 показано, как меняется
соотношение генотипов АА, Аа и аа от величины q, т.е. частоты
гена а. При малых значениях q преобладает группа доминантных
гомозигот. Например, при q=0.2 доминантные гомозиготы
составляют 0.64 всех особей популяции, гетерозиготы – 0.32, а
рецессивы – 0.04. Если же в популяции q = p = 0.5 это
соотношение будет 0.25, 0.50, 0.25 соответственно. Если же в
популяции q = 0.7, то генотипы АА составят 0.09 всей популяции,
генотипы Аа - 0.42, а вот генотипы аа - 0.49.
Закон Харди-Вайнберга применим к любому числу аллелей в
популяции:
(p(A1) + q(A2) + r(A32 = p2(A1A1) + q2(A2A2) + r2(A3A3) +2pq(A1A2)
+ 2pr(A1A3) + 2qr(A2A3), т.к. p+q+r =1.
2.1. Установление доли гетерозигот.
Часто в изучаемых популяциях гетерозиготы Аа
фенотипически
неотличимы от доминантных гомозигот АА. Вычислить их
долю среди фенотипически однородных особей можно на
основе формулы Харди-Вайнберга. Рассмотрим следующий
пример. Известно, что частота появления альбиносов (белые
волосы, красные глаза) в человеческой популяции 1 на 20000,
т.е. 0.00005 (q2, аа). Если q2=0.00005, то q=√0.00005=0.0071.
Тогда частота нормального аллеля А = 1-q = 0.993. Частота же
гетерозигот в данной популяции составит 2pq = 2 х 0.993 х
0.0071 = 0.014, т.е. 14 гетерозигот на 1000 человек (1:70), что
не так уж и мало.
2.2. Вычисление частот генов на основе формулы Харди Вайнберга.
Это более сложные случаи использования вышеназванной
формулы. Рассмотрим пример определения частот генов,
детерминирующих группы крови по системе АВ0. Известно,
что группы крови по этой системе детерминируются тремя
аллелями гена I. Предположим, что ген IА встречается с
частотой p, ген IВ с частотой q, а ген i с частотой r. Частота
267
фенотипов и генотипов в этом случае могут быть определены
по решетке Пеннета:
Гаметы мужчин
p(IA)
Гаметы
женщин
A
p (I )
q(IB)
r(i)
IAIA
p2
Группа А
IAIB
pq
Группа AB
IAi
pr
Группа A
q(IB)
r(i)
IAIB
pq
Группа AB
IBIB
q2
Группа B
IBi
qr
Группа B
IAi
pr
Группа A
IBi
qr
Группа B
ii
r2
Группа O
В некой популяции* частота групп крови составила: А = 0.36,
В = 0.23, АВ= 0.08 и 0 = 0.33. В этом случае фактические
данные и теоретические частоты фенотипов можно записать
так:
Фенотипы
Генотипы
Ожидаемы
е частоты
Фактическ
ие частоты
А
I I +IAi
В
I I +I i
A B
II
ii
p2+2pr
q2+2qr
2pq
r2
A A
B B
B
АВ
0
0.36
0.23
0.08
0.33
По группе 0 определяем значение r:
r2 = 0.33; r = √ 0.33 = 0.5744
Частота групп B и 0 составляла: q2 + 2qr + r2 = (q + r)2 = 0.23 +
0.33 = 0.56
Отсюда q+r = √0.56 = 0.7483. А так как r=0.5744, то q будет
0.7483-0.5744=0.1739.
Аналогичным образом определяем сумму частот групп A и 0:
________________________________________________________
* Пример взят из Рокицкий П.Ф. Введение в статистическую генетику. Минск.
1974. (стр.121).
268
А+0 = p2+2pr+r2=(p+r)2=0.36+0.33=0.69, а p+r=√ 0.69=0.8307.
Так как частота r = 0.5744, то частота p = 0.8307 - 0.5744 = 0.2563.
Таким образом, окончательные частоты каждой из генов будут
следующие:
ген IA
p = 0.2563
ген IB
q = 0.1739
ген i
r = 0.5744
∑ = 1.0046
Сумма частот генов не равна 1, за счет округления полученных
цифр.
Подобный подход используется для изучения частот в
популяциях животных и растений в селекционном процессе.
3. Соотношения в популяциях по генам, сцепленным с полом.
Соотношение между частотами генов, сцепленных с
полом, и соответственно с частотой генотипов по гомогаметному
полу совпадают с равновесными частотами по аутосомным
генам. То есть, если частота аллеля А=p, а аллеля а=q, то частота
генотипа АА самок будет p2, генотипа Аа – 2pq и, наконец,
генотипа аа =q2. Это объясняется тем, что, например, самки
генотипа АА получат одну хромосому Х (и ген А) от матери и
одну хромосому Х (и ген А) от отца. Это же рассуждение касается
и Х хромосом с геном а. Самцы же всегда получают свою Х
хромосому от матери. Поэтому, если в популяции частота гена а
= q, то частота определяемого этим же геном генотипа для
самцов = q, а для самок – q2. Отношение этих двух величин будет:
q/q2 = 1/q. Используя эту формулу, легко сравнить частоты
встречаемости
таких наследственных
заболеваний
как
дальтонизм и гемофилия у мужчин и женщин. Так, если частота
встречаемости гена дальтонизма (q) равна 0.08, то разделив 1 на
0.08 мы получим число 12.5. Иными словами дальтонизм у
мужчин встречается в 12.5 раз чаще, чем у женщин. Частота гена
гемофилии равна 0.0001. Разделив 1 на 0.0001, мы получим число
- 10000, показывающее, что у мужчин гемофилия встречается в
10000 раз чаще, чем у женщин.
269
4. Элементарные процессы эволюции.
Существование
панмиктической
популяции
обусловливается соблюдением следующих условий:
- отсутствие мутационного процесса, оказывающего влияние
на частоту аллелей;
- равные шансы спаривания особей, независимо от их
генотипа;
- отсутствие
давления
отбора
(естественного
и
искусственного);
- отсутствие давления миграции особей из других популяций;
- достаточная численность особей;
- отсутствие эффекта изоляции.
Только соблюдение всех этих условий обеспечит
существование популяции как некой равновесной системы с
частотами генотипов, не отклоняющимися от закона Харди Вайнберга.
Однако ни одна популяция в современном мире не
изолирована от воздействия условий ее существования, которые
инициируют многочисленные процессы, приводящие к
изменениям ее структуры и, как следствие, нарушению
равновесного состояния генов и генотипов.
Ниже рассматриваются основные из этих процессов.
4.1 Мутационный процесс.
В любой популяции, независимо от ее размера, постоянно
возникают мутации, что естественно сказывается на частотах
определенных генов. В среднем отдельный ген мутирует с
частотой 10-5. Это небольшая величина. Но если учесть, что
геном состоит из сотен генов, то и не маленькая. Например,
немецким генетиком Э.Бауром было показано, что до 15% особей
в популяции львиного зева (Antirrhinum majus) несут какую-либо
мутацию. В процессе мутирования возникают как прямые, так и
обратные мутации: А↔ а.
Закрепление мутаций в популяциях, а, следовательно, и
изменение частот генов, зависит от: частоты мутирования в
270
определенном направлении, выживаемости мутации и, наконец,
плодовитости мутантной особи.
Рассмотрим эти положения.
Первое. Предположим, что ген А мутирует к а с частотой
u в каждом поколении. Если частота этого гена была = po, то
частота вновь появившихся генов а = upo. На эту величину и
уменьшится частота гена А в следующем поколении: po – upo.
Однако если учесть, что возникают и обратные мутации (а→А),
то картина несколько усложнится. Если частота гена а в
популяции первоначально равнялась qo, то при скорости к
обратному мутированию v она составит в следующем поколении
qo – vqo. Если суммировать эти два процесса, то изменеие частоты
(∆q) гена а за одно поколение будет ∆q = upo – vqo.Отметим, что
приведенные выше рассуждения верны в условиях отсутствия
отбора против мутантных аллелей. Равновесие в популяции
между прямыми и обратными мутациями будет только в случае,
когда ∆p = ∆q. Иными словами, когда за одно поколение число
аллелей А, мутирующих в аллели а, равно числу аллелей а,
мутирующих в аллели А.
Второе. Изменение частот генов в популяциях зависит не
только от скорости мутирования определенных аллелей, но и от
жизнеспособности мутантных особей. В большинстве случаев
мутанты менее жизнеспособны. Здесь все будет зависить имеют
ли селективное преимущество гетерозиготные мутантные особи.
И вот, что интересно. Если гетерозиготные особи и будут иметь
селективное преимущество, то и их сохранение в популяции не
столь очевидно (табл. 21.1). Приведенные в табл. 21.1 расчеты
сделаны для очень больших популяций. Если же популяция
маленькая, то даже нейтральная мутация может сохраниться.
Третье. Вероятность сохранения мутаций напрямую
зависит и от числа потомков каждой пары, в которой один из
партнеров передает мутантный ген через ½ половых клеток. Так в
человеческой популяции если брачная пара не имеет детей, то и
мутантный ген не сохранится. Если у них один ребенок, то
вероятность как сохранения, так и потери мутантного гена равна
0.5. С возрастанием числа потомков, возрастает и вероятность
сохранения мутантного гена в популяции, что выражается
формулой (½)n, где n-число потомков. Вышеприведенное
271
рассуждение правомерно для брачных пар, имеющих небольшое
число потомков (человек, животное). Что же касается растений,
каждое из которых продуцирует огромное количество пыльцы и
образует большое число яйцеклеток, то здесь вероятность
сохранения мутантных генов в гетерозиготных генотипах
значительно выше.
Таблица 21.1
Вероятность исчезновения мутации у одной особи в популяции
(Фишер из П.Ф.Рокицкого, 1974).
Поколение
1
3
7
15
31
63
127
Предел
Вероятность
При
отсутствии При селективном
селективного
преимуществе
преимущества
гетерозиготы в 1%
гетерозиготы
0.3679
0.3642
0.6259
0.6197
0.7905
0.7825
0.8873
0.8783
0.9411
0.9313
0.9698
0.9591
0.9847
0.9729
1.000
0.9803
5. Изменение генетической структуры популяции в
результате отбора.
Отбор является одной из основных причин сдвигов частот
генов в популяциях. Под отбором подразумевается полная или
частичная элиминация из популяций особей определенного
генотипа. Существует два типа отбора: естественный отбор и
искусственный отбор. Особое внимание на естественный отбор,
который определяет адаптивные изменения в генетической
структуре популяций, было обращено после выхода работы
Ч.Дарвина (1859г.) ―Происхождение видов‖. В ней Ч.Дарвин
рассматривает естественный отбор как основу эволюции. Дело в
том, что группы одних особей лучше приспособлены к условиям
272
существования и интенсивно размножаются, тогда как другие
гибнут, часто не оставляя потомства. В результате популяция
изменяется в отношении как частот определенных генов, так и
частот соответствующих генотипов. При искусственном отборе в
процесс элиминации особей определенных генотипов в
популяциях животных или растений включается человек
(селекционер). Как правило, эти популяции испытывают также и
давление естественного отбора. Количественным показателем
скорости отбора является коэффициент отбора – s. Он
показывает, какая часть определенных генотипов популяции не
оставляет потомства, а следовательно исключается из популяции.
Например, если коэффициент отбора s против генотипов аа равен
единице, то следовательно эти генотипы не оставляют потомства
и удаляются из популяции. Если s = 0.5, то 50% генотипов аа не
оставляют потомства, а если s = 0.25, то – 25%. Итоговым
результатом в любом случае будет уменьшение доли гамет,
производимых определенным генотипом в популяции. На
изменение частоты гена за одно поколение при отборе влияет
характер доминирования.
6. Ключевые слова и понятия
локальная популяция
панмиктическая популяция
популяционная генетика
популяция
факторы
популяций
элементарные
эволюции
273
изоляции
процессы
Лекция 22. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В
ПОПУЛЯЦИЯХ (продолжение).
Изменение частот гена при полном доминировании. – Изменение частот гена
при отсутствии доминирования. - Изменение частот гена при
сверхдоминировании. – Генетико-автоматические процессы в популяции
(случайный дрейф генов). – Миграции и их влияние на структуру популяции. –
Факторы изоляции популяции. – Понятие о генетическом грузе. – Генетический
гомеостаз популяций. – Ключевые слова и понятия.
1. Изменение частот гена при полном доминировании.
Это положение хорошо видно на следующем примере. В
некой популяции расщепление происходит по одной паре генов А
и а. Ген А полностью доминирует. Отбор идет против генотипа
аа. Коэффициент отбора s. Поэтому селекционная ценность
генотипов аа будет ниже остальных генотипов в популяции (АА и
Аа) на s, а следовательно и вклад этих генотипов в общий
генофонд будет не q2, а sq2. Отсюда:
Исходные
АА
Аа аа
Сумма
генотипы
Их
доли
в
популяции
Селекционная
ценность
Вклад в генофонд
для
образования
следующего
поколения
p2
2pq
q2
1
1
1
1-s
-
p2
2pq
q2(1-s)
1-sq2
Исходя из общей суммы 1-sq2, определяют новые доли вклада
генотипов в следующее поколение:
Генотип
АА
Аа аа
Сумма
Прежние доли
Вклад в общий
генофонд
Новые доли
p2
p2
2pq
2pq
q2
q2(1-s)
p2
1  sq 2
2 pq
1  sq 2
q 2 (1  s )
1  sq 2
274
1
1-sq2
1
Отсюда новая частота гена а (против генотипа аа ведется отбор)
q1 составит:
q1 
(1  q)q  q 2  sq 2 q  sq 2 q(1  sq)


1  sq 2
1  sq 2
1  sq 2
Изменение частоты гена а за одно поколение при коэффициенте
отбора можно определить по следующей формуле:
q  q1  q 
q  sq 2
q  sq 2  q  sq3
sq 2 (1  q)

q



1  sq 2
1  sq 2
1  sq 2
Об уменьшении частоты гена а в популяции свидетельствует знак
минус.
2. Изменение частот гена при отсутствии доминирования.
При отсутствии доминирования, отбор(s) будет
действовать как против генотипа аа, так и на величину 0.5 против
генотипа Аа. Вклад генотипа Аа в генофонд составит 2pq(1-0.5s).
В таком случае суммарный генофонд следующего поколения
будет:
p2+2pq(1-0.5s)+q2(1-s)=p2+2pq-pqs+q2-q2s=p2+2pq+q2-pqs-q2s
т.к. p2+2pq+q2=1, то вышеприведенное выражение примет вид:
1-pqs-q2s
если заменить p на 1-q, то получим:
1-(1-q)s-q2s=1-sq
В этом случае новые доли будут:
Генотипы
Прежние доли
Селекционная
ценность
Вклад
в
генофонд
для
образования
следующего
поколения
Новые доли
АА
p2
1
2pq
1-0.5s
q2
1-s
Сумм
а
1
-
p2
2pq(1-0.5s)
q2(1-s)
1-sq
p2
1  sq
2 pq(1  0.5s)q 2 (1  s )
1  sq
1  sq
Aa
275
aa
Отсюда новая частота (q1) гена а составит:
pq(1  0.5s) q 2 (1  s)
, а Δq (после ряда преобразований и

1  sq
1  sq
0.5sq(1  q)
замены p на 1-q) будет: q  q1  q 
1  sq
q1 
3. Изменение частот гена при сверхдоминировании
При сверхдоминировании селекционным преимуществом
обладают гетерозиготы. В этом случае отбор идет и против
генотпа АА, и против генотипа аа, но с разными коэффициентами
отбора s1 и s2. До отбора имеем:
АА
Исходные
генотипы
Их доли
Селекционная
ценность
Вклад
в
генофонд для
образования
следующего
поколения
Aa aa
Сумма
p2
1-s1
2pq
1
q2
1-s2
1
-
p2(1-s1)
2pq
q2(1-s2)
1-p2s1-q2s2
Так как здесь два коэффициента отбора, то соответственно новые
доли по трем генотипам будут:
АА
Аа
аа
p 2 (1  s1 )
1  p 2 s1  q 2 s 2
q1 

q 2 (1  s 2 )
.
1  p 2 s1  q 2 s 2
2 pq
2
1  p s1  q 2 s 2
q 2 (1  s 2 )
pq


1  p 2 s1  q 2 s 2 1  p 2 s1  q 2 s 2
pq  q 2  q 2 s 2
1  p 2 s1  q 2 s 2
Далее: q 

(1  q)q  q 2  q 2 s 2
1  p 2 s1  q 2 s 2

q  q 2 s2
1  p 2 s1  q 2 s 2
q  q 2 s2
pq( ps1  qs 2 )
 q  ...... 
.
2
2
1  p s1  q s 2
1  p 2 s1  q 2 s 2
276
Отсюда:
Если сравнительно легко понять, почему отбор может
идти или против генотипа АА, или аа, то сложнее представить
себе преимущество гетерозигот Аа и одновременно отбор против
обоих генотипов АА и аа. Однако, по-видимому, эти факты не так
уж и редки. Примером может служить наследование высокой
частоты гена HbβS у людей, проживающих в некоторых районах
Азии и Африки, где распространена малярия, вызываемая
паразитом Plasmodium falciparum. У гомозигот по гену HbβS
(генотип – HbβS HbβS) вырабатывается гемоглобин отличный от
гемоглобина нормальных людей (генотип HbβA HbβA). Люди,
гомозиготные по гену HbβS, как правило, погибают от
серповидноклеточной анемии до достижения половой зрелости.
Казалось бы, ген HbβS должен элиминироваться из популяции.
Однако он сохраняется, так как генотипы HbβA HbβS
(гетерозигота) более устойчивы к малярии, чем генотипы HbβA
HbβA.
Все вышеизложенное, касающееся разных случаев отбора
свидетельствует,
что
изменение
Δq
как
показателя
эффективности отбора, зависит от исходной величины q и
величины коэффициента отбора s. Сам же процесс протекает
очень медленно, что хорошо видно на рис. 22.1.
Рисунок 22.1. Изменение Δq при различных значениях q и при высоком
коэффициенте отбора (s=0,9): а- полное доминирование, б- отсутствие
доминирования (по Рокицкому, 1974, с.138, р.33).
277
4. Генетико–автоматические процессы в популяции
(случайный дрейф генов).
Изменение соотношения генов в популяции, вызываемое
случайными причинами, получило название генетикоавтоматических процессов (Н.П.Дубинин, Д.Д.Ромашов) или
случайного дрейфа генов (С.Райт). Чаще всего эти процессы
свойственны малым по численности популяциям, в результате
каких-либо причин отделившихся (или выделившихся) от
большой популяции. В такой популяции невозможно в течение
длительного времени сохранение генных частот, свойственных
исходной большой популяции. Причиной этого будет ошибка,
которая меняет вероятность передачи аллелей от поколения к
поколению.
Представим, что некая популяция состоит из особей АА, Аа и
аа в соотношении 1:2:1. При этом концентрация аллеля А p=0.5 и
концентрация аллеля а q=0.5. Все возможные комбинации
скрещивания для двух особей представлены в таблице 22.1.
Таблица 22.1.
Результаты возможных скрещиваний любых двух особей из
популяции и их вероятности.
Скрещивание
Вероятность
Частота генов в потомстве
АА х АА
1/16
p
1
q
0
АА х Аа
Аа х АА
4/16
0.75
0.25
Аа х Аа
АА х аа
аа х АА
6/16
0.5
0.5
Аа х аа
аа х Аа
4/16
0.25
0.75
аа х аа
1/16
0
1
278
Как видно из таблицы изначальные частоты генов (0.5) в
следующем поколении будут только в 6/16 всех случаев. Во всех
остальных случаях частоты p и q примут значения от 0 до 1.
При этом в малых популяциях процесс рассеяния генов
постоянно повторяется, начинаясь всякий раз с тех частот,
которые создались в следствие рассеяния в предыдущем
поколении. Поцессы утраты и фиксации идут со скоростью 1/2N
генов на одно поколение (N-число особей в популяции).
Вероятность каждого из этих процессов равна 1/2N. Отсюда
вероятность фиксации = 1/4N и вероятность утраты = 1/4N.
Иными словами скорость дрейфа генов зависит от размера
популяции и она никогда не остается постоянной. Н.П.Дубинин
(1976)
приводит
данные,
что
протекание
генетикоавтоматических процессов в популяции из 50 особей будет в 100
раз интенсивнее, чем в популяции из 500000 особей.
5. Миграции и их влияние на структуру популяции.
Как правило, ни одна из популяций не бывает полностью
изолирована от других. Поэтому постоянно происходит переход
(миграция) особей из одной популяции в другую. Мигранты
включаются в генетические процессы новой для них популяции,
внося в ее генетический пул свои гены. Влияние мигрантов тем
выше, чем больше их численность. Однако, одновременно надо
учитывать и возможность иммиграции. Обмен же особями между
двумя популяциями в конечном итоге может привести к средней
частоте встречаемости каждого из генов (qm). Скорость этого
процесса описывается формулой:
Δq = m(q - qm)
где Δq – скорость изменений в концентрации аллеля при
давлении миграций; m – величина обмена (число иммигрантов,
деленное на величину принимающей их популяции со
свойственной им частотой гена q); q – частота аллеля в
исследуемой популяции; qm – частота гена у иммигрантов.
279
6. Факторы изоляции популяций.
Изоляция части популяций приводит к нарушениям
случайных скрещиваний, изменениям в концентрации генов и,
как результат, нарушению равновесного состояния структуры
популяции.
Факторами изоляции могут быть:
 Географическая изоляция.
 Биологическая изоляция, в основе которой лежат
генетические причины.
 Экологическая изоляция.
При географической изоляции (изменение русла рек,
горнообразовательные процессы и т.п.) популяции оказываются
разобщенными в пространстве. В основе генетических причин
биологической изоляции лежит процесс нарушения нормального
протекания мейоза и, как итог, формирование полноценных
половых гамет. В основе этих процессов лежит множество
причин, начиная от появления мутантов по мей-генам (гены
мейоза) и кончая возникновением полиплоидных форм, не
дающих потомство при скрещивании с диплоидами. При
экологической изоляции факторы внешней среды (варьирование
погодных условий, антропогенная деятельность человека и т.п.)
приводят к нарушениям процессов свободного скрещивания
особей в популяции, что в свою очередь обуславливает
изменение самой популяции.
7. Понятие о генетическом грузе
Под понятием генетический груз (Меллер, 1950)
понимается насыщенность природных популяций (в том числе и
человека) генами, вызывающими летальность или различные
уродства при переходе генов в гомозиготное состояние.
280
Таблица 22.2.
Число смертей на 1000 случаев рождения детей в потомстве
родителей не родственников и в семьях, где оба родителя родственники (Сэттер, 1958; по Дубинину, 1976).
Местность
во Франции
Родители
Мертворожденные
После
рождения
2-12
месяцев
От
одного
года и
выше
Морбиан
Неродствен
ники
21
23
39
55
Родственники
Неродствен
ники
Родственники
Неродствен
ники
Родственники
50
43
38
96
21
13
25
70
28
31
50
96
19
21
19
39
26
30
24
56
Финистер
Луар
Эти гены скрыты в гетерозиготном состоянии особи. Основу
исследований по изучению генетического груза популяций
положили работы 20-30-х годов прошлого века (С.С.Четвериков,
(1926), Е.А. и Н.В.Тимофеевы-Ресовские (1927), Н.П.Дубинин и
др. (1934). К настоящему времени показано постепенное
нарастание генетического груза как в популяциях растений и
животных, так и человека. У последнего, отрицательное влияние
генетического груза хорошо иллюстрируют данные таблицы
22.2.
Для современной медицины данные о генетическом грузе
в определенных географических областях и регионах с каждым
годом приобретают все большее значение.
281
8. Генетический гомеостаз популяций.
Под генетическим гомеостазом* понимают способность
популяций сохранять свою генетическую структуру, несмотря на
воздействие факторов внешней среды. Генетический гомеостаз
популяций обеспечивается по М.Е. Лобашову (1967) тремя
процессами:
 поддержание равновесного состояния популяции по
генетическим частотам в соответствии с законом ХардиВайнбергера;
 поддержание гетерозиготности и полиморфизма в
популяции;
 поддержание определенного темпа и направления
мутационного процесса.
В целом, этим трем процессам мы и обязаны устойчивому
существованию на нашей планете многочисленных видов
микроорганизмов, растений и животных.
9. Ключевые слова и понятия
генетический гомеостаз
генетический груз
генофонд популяции
дрейф генов
________________________________________________________
*Термин предложен М.Лернером в 1954 г.
282
ОГЛАВЛЕНИЕ
Лекция 1. ВВЕДЕНИЕ .................................................................................. 3
Лекция 2. ЦИТОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ. ... 9
2. Строение растительной клетки. ......................................................... 10
3. Хромосомы, их типы и строение. ...................................................... 14
4. Деление растительной клетки. ........................................................... 20
5. Отклонения от типичного протекания митоза. ................................. 23
Лекция 3. ЦИТОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ .............................................. 26
НАСЛЕДСТВЕННОСТИ. ........................................................................... 26
1. Мейоз. ................................................................................................... 26
2. Генетический контроль мейоза. ......................................................... 30
3. Генетическое значение мейоза. .......................................................... 31
4. Микроспорогенез и развитие мужского гаметофита. ...................... 32
5. Мегаспорогенез и развитие женского гаметофита. .......................... 33
6. Типы размножения растений.............................................................. 34
7. Оплодотворение, развитие эндосперма и зародыша. ....................... 36
8. Явление ксенийности. ......................................................................... 38
9. Апомиксис. ........................................................................................... 38
10.Ключевые слова и понятия. ............................................................... 39
Лекция 4. МЕНДЕЛИЗМ. ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ
ГЕНЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ................................................................. 41
1. Методология работ Менделя. ............................................................. 41
2. Наследование признаков при моногибридном скрещивании. ......... 43
2.2 Правило расщепления гибридов второго поколения. ................ 48
3.Анализирующее скрещивание ............................................................ 52
4. Ключевые слова и понятия ................................................................. 55
Лекция 5. МЕНДЕЛИЗМ. ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ
ГЕНЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА. ................................................................ 56
1. Закономерности наследования при дигибридном скрещивании .... 56
2. Тригибридные скрещивания. ............................................................. 59
3.Общие формулы расщепления при независимом наследовании
генов ......................................................................................................... 63
4. Ключевые слова и понятия ................................................................. 64
Лекция 6. МЕНДЕЛИЗМ. ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ
ГЕНЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА. ................................................................ 65
1. Контроль за расщеплением. ............................................................... 65
2. Условия осуществления менделевских законов. .............................. 67
3. Генетические обозначения. ................................................................ 68
4. Множественный аллелизм. ................................................................. 70
5. Ключевые слова и понятия ................................................................. 74
283
Лекция 7. НАСЛЕДОВАНИЕ ПРИЗНАКОВ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ
ГЕНОВ.......................................................................................................... 75
1. Наследование формы гребня у кур .................................................... 76
2. Различия между взаимодействием доминантных и рецессивных
генов ......................................................................................................... 76
3. Комплементарное взаимодействие генов. ......................................... 78
4. Эпистаз (супрессия). ........................................................................... 81
5. Доминантный эпистаз. ........................................................................ 82
6. Криптомерия. ....................................................................................... 83
7. Полимерия. ........................................................................................... 84
8. Плейотропия ........................................................................................ 86
9. Трансгрессия. ....................................................................................... 86
10. Гены модификаторы.......................................................................... 87
11. Пенетрантность и экспрессивность генов. ...................................... 87
12. Норма реакции. .................................................................................. 88
13. Ключевые слова и понятия ............................................................... 88
Лекция 8. ХРОМОСОМНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛА. ........................... 90
1. Половые хромосомы. .......................................................................... 90
2. Сотношение полов в природе. ............................................................ 93
3. Наследование признаков, сцепленных с полом. ............................... 94
3. Наследование, сцепленное с полом у человека. ............................... 99
4. Нерасхождение Х-хромосом. ........................................................... 102
5. Балансовая теория определения пола. ............................................. 106
6. Нерасхождение хромосом у человека. ............................................ 107
7. Наследование признаков, ограниченных полом и зависимых от
пола. ........................................................................................................ 109
8. Практическое использование признаков, сцепленных с полом. ... 109
9. Ключевые слова и понятия. .............................................................. 110
Лекция 9. СЦЕПЛЕННОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ ГЕНОВ И
КРОССИНГОВЕР ..................................................................................... 111
1.Сцепление генов ................................................................................. 111
2. Кроссинговер. .................................................................................... 115
3. Линейное расположение генов в хромосоме. ................................. 117
4. Построение генетических карт. ........................................................ 122
5. Сопоставление генетических и цитологических карт дрозофилы.
................................................................................................................. 124
6. Ключевые слова и понятия. .............................................................. 126
Лекция 10. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ. . 127
1. Доказательства генетической роли нуклеиновых кислот. ............. 127
1.1 ДНК – трансформирующий фактор пневмококка. ................... 127
2. Нуклеиновые кислоты – наследственный материал вирусов. ....... 129
284
3. Феномен бактериальной трансдукции. ............................................ 131
4. Строение нуклеиновых кислот. ........................................................ 132
4. Модель структуры ДНК Уотсона–Крика. ....................................... 136
5. Ключевые слова и понятия ............................................................... 139
Лекция 11. Молекулярные основы наследственности (продолжение). 140
1. Общие особенности репликации ДНК. ........................................... 140
2. Синтез ДНК у эукариот. ................................................................... 141
3. РНК как генетический материал и ее репликация. ......................... 143
4. Генетический код. ............................................................................. 144
5. Типы РНК в полипептидном синтезе. ............................................. 147
5.1. Информационная РНК. .............................................................. 147
5.2. Рибосомная РНК. ........................................................................ 148
5.3. Транспортная РНК. .................................................................... 148
6. Полипептидный синтез. .................................................................... 149
7. Транскрипция ДНК на матрице РНК (обратная транскрипция). .. 153
8. Ключевые слова и понятия. .............................................................. 153
Лекция 12. ГЕН В СОВРЕМЕННОМ ПОНИМАНИИ. .......................... 154
1.Центровая теория гена. ...................................................................... 154
2. Структура гена у прокариот. ............................................................ 155
3. Структура гена у эукариот. ............................................................... 156
4. Расположение генов в эукариотических хромосомах. ................... 157
5. Мобильные генетические элементы ................................................ 158
6. Геном эукариот. ................................................................................. 159
7. Регуляция экспрессии генов у эукариот. ......................................... 159
8. Ключевые слова и понятия ............................................................... 162
Лекция 13. ОСНОВЫ ГЕННОЙ ИНЖЕНЕРИИ РАСТЕНИЙ. .............. 163
1. Выделение генов................................................................................ 163
2. Трансформация. ................................................................................. 164
2.1. Плазмидные вектора .................................................................. 164
2.2. Вирусные векторы. ..................................................................... 165
2.3. Безвекторные системы. .............................................................. 166
3. Обеспечение эффективной экспрессии клонированных генов. .... 167
4. Трансгенные формы растений.......................................................... 168
5. Ключевые слова и понятия ............................................................... 172
Лекция 14. НЕХРОМОСОМНАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ ................. 173
1. Явление нехромосомной наследственности. .................................. 173
2.Пластидная наследственность. .......................................................... 175
3. Митохондриальная наследственность. ............................................ 177
4. Цитоплазматическая мужская стерильность (ЦМС). ..................... 179
4.1 Молекулярно-генетическая детерминация ЦМС. .................... 179
4.2. Восстановление фертильности растений при ЦМС. ............... 180
285
4.3. Молекулярный уровень эффекта генов Rf на
митохондриальный геном. ................................................................ 181
5. Ключевые слова и понятия. .............................................................. 183
Лекция 15. МОДИФИКАЦИОННАЯ И МУТАЦИОННАЯ
ИЗМЕНЧИВОСТЬ. .................................................................................... 184
1. Модификационная изменчивость. ................................................... 184
2. Наследственная изменчивость ......................................................... 188
2.1. Комбинативная изменчивость. .................................................. 188
2.2. Мутационная изменчивость. ..................................................... 189
2.3. Спонтанные мутации. ................................................................ 190
2.4. Прямые и обратные мутации. .................................................... 192
2.5. Жизнеспособность мутантов. .................................................... 192
2.6. Закон гомологичных рядов в наследственной изменчивости
Н.И.Вавилова. .................................................................................... 193
3. Ключевые слова и понятия. .............................................................. 194
Лекция 16. МОДИФИКАЦИОННАЯ И МУТАЦИОННАЯ
ИЗМЕНЧИВОСТЬ (продолжение) .......................................................... 196
1. Индуцированные мутации. ............................................................... 196
2. Физические мутагенные факторы (мутагены) ................................ 197
3. Дозы излучения и поглощения. ........................................................ 197
4. Химическме мутагены. ..................................................................... 198
5. Классификация мутаций. .................................................................. 199
6. Изменение структуры хромосом (аберрации). ............................... 199
7. Изменения положения и порядка генов на хромосомах. ............... 202
8. Изменение структуры гена. .............................................................. 203
8.1. Точковые мутации. ..................................................................... 203
8.2. Сдвиг рамки считывания. .......................................................... 204
9. Репарация поврежденной ДНК. ....................................................... 204
10. Инсерционный мутагенез. .............................................................. 206
11. Ключевые слова и понятия. ............................................................ 207
Лекция 17. ПОЛИПЛОИДИЯ И ДРУГИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЧИСЛА
ХРОМОСОМ ............................................................................................. 208
1.Полиплоидные ряды в природе. ........................................................ 208
2. Автополиплоидия. ............................................................................. 211
2.1 Автотриплоиды. ........................................................................... 214
3.Аллополиплоидия............................................................................... 214
4. Анеуплоидия. ..................................................................................... 216
5. Гаплоидия........................................................................................... 218
6. Ключевые слова и понятия. .............................................................. 221
Лекция 18. ОТДАЛЕННАЯ ГИБРИДИЗАЦИЯ РАСТЕНИЙ................ 222
1. Значение отдаленной гибридизации. ............................................... 222
286
2. Барьеры нескрещиваемости при отдаленной гибридизации. ........ 222
3. Способы преодоления нескрещиваемости при отдаленной
гибридизации. ........................................................................................ 224
4. Работы И.В.Мичурина по преодолению нескрещиваемости у
плодовых культур. ................................................................................. 225
4. Особенности отдаленных гибридов в первом и последующих
гибридных поколениях. ........................................................................ 226
5. Преодоление бесплодия отдаленных гибридов. ............................. 228
6. Особенности формообразовательных процессов у отдаленных
гибридов. ................................................................................................ 228
7. Интрогрессия генов при отдаленной гибридизации. ..................... 230
7. Геномный анализ. .............................................................................. 232
8. Культура протопластов. .................................................................... 234
9. Ключевые слова и понятия. .............................................................. 234
Лекция 19. ИНБРИДИНГ И ГЕТЕРОЗИС. ............................................. 235
1. Инбридинг. ......................................................................................... 235
2. Инбридинг у человека. ...................................................................... 241
3.Гетерозис. ............................................................................................ 242
2.1. Гипотеза доминирования. .......................................................... 243
2.2. Гипотеза сверхдоминирования...................................................... 245
4. Практическое использование явлений инбридинга и гетерозиса. 246
5. Ключевые слова и понятия. .............................................................. 247
Лекция 20 . ГЕНЕТИКА ОНТОГЕНЕЗА ................................................. 248
1. Генетика онтогенеза растений. ........................................................ 248
2.Эффекты экспрессии генов на стадии эмбриогенеза. ..................... 250
3. Генетический контроль развития меристем. ................................... 253
4. Генетический контроль формирования листьев и корней растений.
................................................................................................................. 253
5. Генетический контроль развития цветка. ........................................ 256
6. Генетический контроль мейоза. ...................................................... 258
7. Апоптоз у растений. .......................................................................... 260
8. Ключевые слова и понятия. ........................................................... 263
Лекция 21. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПОПУЛЯЦИЯХ ........... 264
1. Понятие о популяциях ...................................................................... 264
2. Определение частот генов и соотношений генотипов в популяциях.
................................................................................................................. 265
2.1. Установление доли гетерозигот. ............................................... 267
2.2. Вычисление частот генов на основе формулы Харди Вайнберга. .......................................................................................... 267
3. Соотношения в популяциях по генам, сцепленным с полом. ....... 269
4. Элементарные процессы эволюции. ................................................ 270
287
4.1 Мутационный процесс. ................................................................... 270
5. Изменение генетической структуры популяции в результате отбора.
................................................................................................................. 272
6. Ключевые слова и понятия ............................................................... 273
Лекция 22. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПОПУЛЯЦИЯХ
(продолжение). .......................................................................................... 274
1. Изменение частот гена при полном доминировании. .................... 274
2. Изменение частот гена при отсутствии доминирования. .............. 275
3. Изменение частот гена при сверхдоминировании ......................... 276
4. Генетико–автоматические процессы в популяции (случайный
дрейф генов). .......................................................................................... 278
5. Миграции и их влияние на структуру популяции. ......................... 279
6. Факторы изоляции популяций. ........................................................ 280
7. Понятие о генетическом грузе ......................................................... 280
8. Генетический гомеостаз популяций. ............................................... 282
9. Ключевые слова и понятия ............................................................... 282
ОГЛАВЛЕНИЕ .......................................................................................... 283
288
Автор
ДонАгрА-З
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
61
Размер файла
7 861 Кб
Теги
генетика, пухкальский, введение
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа