Дигибридное скрещивание и его цитологические основы

Моногенные наследственные болезни также называют менделирующими, потому что они наследуются согласно правилам, которые установил Грегор Мендель в 1865 г.

Основная заслуга Менделя заключается в том, что он на основе количественной оценки результатов расщепления потомства гибридов гороха по разным качественным признакам предположил наличие элементарных единиц наследственности, названных генами. В научной литературе к заслугам Г. Менделя относят также установление ряда правил наследования признаков, часть из которых на самом деле была обнаружена предшественниками Г. Менделя.

Первое правило — правило доминирования. Его суть сводится к тому, что из двух копий каждого гена, которые называются аллелями и содержатся в каждой клетке, одна может подавлять или маскировать проявление второй копии (аллеля). Если аллели гена одинаковы, особь с таким генотипом называют гомозиготной, а если они разные — гетерозиготной. Следовательно, доминантный аллель определяет характер признака, даже находясь в гетерозиготном состоянии, а рецессивный (маскированный) аллель определяет характер признака только тогда, когда он находится в гомозиготном состоянии. Соответственно все менделирующие наследственные болезни делятся на доминантные и рецессивные. Если у гетерозиготной особи проявляются оба аллеля, т. е. нет доминирования одного аллеля над другим, то такие аллели называют кодоминантными. Хорошо известным примером кодоминирования являются аллели А и В группы крови АВ0. Улице IV группой крови проявляются антигены как А, так и В.

Г. Мендель также предположил, что в половые клетки родителей случайно попадает один из аллелей каждого гена, поэтому 50% гамет несет один аллель, а вторые 50% — другой. Это утверждение называют вторым правилом Менделя или правилом расщепления. Если оба родителя гетерозиготны по какому-то гену, то в потомстве таких родителей будет наблюдаться расщепление и 3/4 потомков будут иметь доминантный признак и только 1/4 — рецессивный, что обусловлено случайным объединением гамет родителей, имеющих разные аллели гена. При этом расщепление по генотипу будет иным, а именно 1:2: 1. Соответственно, если только один родитель гетерозиготен, а второй гомозиготен по рецессивному гену, расщепление по наличию доминантного и рецессивного признаков будет 1:1. Если один родитель гомозиготен, а второй гетерозиготен по доминантному гену, то фенотипически все потомство будет иметь только доминантный признак. Для понимания того, как действует правило расщепления, лучше всего воспользоваться решеткой Пеннета, которую этот английский генетик предложил для графического представления результатов различных скрещиваний (см. табл.).

Решетка Пеннета, отражающая результаты расщепления в потомстве от брака двух гетерозиготных родителей

Решетка Пеннета, отражающая результаты расщепления в потомстве от брака родителей, один из которых гетерозиготен, а второй гомозиготен по рецессивному гену

Решетка Пеннета, отражающая результаты расщепления в потомстве от брака родителей, один из которых гетерозиготен, а второй гомозиготен по доминантному гену

Г. Менделю было ясно, что наблюдаемые расщепления в потомстве от скрещиваний родителей с разными генотипами являются событиями с определенной долей вероятности и их можно выявить только на большом числе потомков. Из теории вероятности следуют два правила — правило умножения и правило сложения вероятностей.

Правило умножения гласит, что если какие-то события наблюдаются независимо друг от друга, то вероятность того, что два события будут происходить одновременно, равна произведению вероятностей этих событий. Вероятность образования гамет с рецессивным геном у родителей, гетерозиготных по этому гену, составляет 1/2 для каждого родителя. Вероятность встречи таких гамет с рецессивным геном при образовании зигот будет равна произведению вероятностей образования таких гамет у каждого из родителей, т. е. 1/2 х 1/2 = 1/4 (25% от всех потомков).

Правило сложения гласит, что если нужно узнать вероятность реализации либо одного, либо другого события, то вероятности каждого из этих событий складываются. Таким образом, если нас будет интересовать вероятность гомозиготного потомства в браке гетерозиготных родителей, то надо сложить вероятности рецессивных и доминантных гомозигот, т. е. 1/4 + 1/4 = 1/2.

Этими правилами довольно часто приходится пользоваться врачам-генетикам во время медико-генетического консультирования при расчете вероятностей тех или иных событий в семьях, имеющих больного наследственным заболеванием ребенка.

Третье правило Менделя, или правило независимого комбинирования: гены, определяющие различные признаки, наследуются независимо друг от друга. Видно, что это правило относится не к наследованию альтернативных состояний одного признака, а к двум и большему числу признаков.

Приведем пример расщепления в потомстве от брака родителей, гетерозиготных по двум генам одновременно (АаВ b ), причем каждый из этих генов влияет на разные признаки. Проще всего это сделать, используя решетку Пеннета (см. табл).

В потомстве от брака двойных гетерозигот наблюдается четыре фенотипа: доминантный по обоим признакам, доминантный либо по одному, либо по другому признаку, рецессивный либо по одному, либо по другому признаку, рецессивный по обоим признакам одновременно. Соотношения между этими фенотипами в том порядке, как они записаны выше, составляют 9:3:3:1. Эти соотношения легко получить, перемножая вероятности соответствующих фенотипов при моногибридном расщеплении. Так, вероятность доминантного фенотипа для каждого пр��знака в моногибридном скрещивании составляет 3/4. При их независимости друг от друга вероятность их совместного проявления будет равна 3/4 х 3/4 = 9/16. Соотношение генотипов при дигибридном скрещивании иное, чем соотношение фенотипов.

Специфика действия менделевских правил в медицинской генетике

Основные понятия и ключевые термины: Дигибридное скрещивание. ЗАКОН НЕЗАВИСИМОГО НАСЛЕДОВАНИЯ ПРИЗНАКОВ. Анализирующее скрещивание.

Вспомните! Как формулируются I и II законы Менделя?

Как происходит наследование двух признаков?

Дигибридное скрещивание — это скрещивание родительских особей, которые отличаются проявлениями двух признаков. Для изучения того, как наследуются два признака, Г. Мендель выбрал окраску семян гороха и форму горошин (ил. 90). Цвет семян гороха, как вы знаете, имеет два проявления — доминантное жёлтое и рецессивное зелёное. Форма семян бывает гладкой (доминантное проявление) и морщинистой (рецессивное проявление).

Бытовые услуги • Телекоммуникационные компании • Доставка готовых блюд • Организация и проведение праздников • Ремонт мобильных устройств • Ателье швейные • Химчистки одежды • Сервисные центры • Фотоуслуги • Праздничные агентства

• Молекулярная биология гена — (Уотсон Дж.)
• От молекул до человека — (Н.П. Наумов )
• Биология для поступающих в вузы. — (А.Г. Мустафин)
• Пособие по биологии для абитуриентов — (Р.Г. Заяц)
• Общая биология. Учебное пособие. Экзамен без проблем!- (Э.Г. Донецкая)

• Естествознание
  • Физика
  • Математика
  • Химия
  • Биология
  • Экология
• Обществознание
  • Обществознание — как наука
  • Иностранные языки
  • История
  • Психология и педагогика
  • Русский язык и литература
  • Культурология
  • Экономика
  • Менеджмент
  • Логистика
  • Статистика
  • Философия
  • Бухгалтерский учет
• Технические науки
  • Черчение и инженерная графика
  • Материаловедение
  • Сварка
  • Электротехника и электроника
  • АСУТП и КИПИА
  • Технологии
  • Теоретическая механика и сопромат
  • САПР
  • Метрология, стандартизация и сертификация
  • Геодезия и маркшейдерия
• Программирование и сеть
  • Информатика
  • Языки программирования
  • Алгоритмы и структуры данных
  • СУБД
  • Web разработки и технологии
  • Архитектура ЭВМ и основы ОС
  • Системное администрирование
  • Создание программ и приложений
  • Создание сайтов
  • Тестирование ПО
  • Теория информации и кодирования
  • Функциональное и логическое программирование

ЕГЭ 100 баллов. Биология. Самостоятельная подготовка к ЕГЭ

Дигибридное скрещивание. Статистический характер расщепления. Цитологические основы расщепления

Организмы отличаются друг от друга по многим парам альтернативных признаков. Поэтому на следующем этапе исследований Г. Мендель проанализировал наследование у гороха двух, трех и более пар признаков. Гибриды, которые получают от скрещивания организмов, отличающихся двумя парами альтернативных признаков, называют дигибридами, тремя парами — тригибридами и т.д.

Для дигибридного скрещивания Мендель использовал гомозиготные растения гороха, которые отличались по цвету и типу поверхности семян: материнское растение имело желтые и гладкие семена; оба признака были доминантными. Отцовское растение имело зеленые и морщинистые семена; оба признака были рецессивными. Если обозначить доминантный и рецессивный аллели, определяющие цвет семени, соответственно, буквами А и а, а аллели, определяющие тип поверхности семени, буквами В и Ь, то генотипы гомозиготных родительских форм будут выглядеть следующим образом: материнское растение ААВВ и отцовское растение aabb. В первом случае гаметы будут нести в себе аллели А и В (АВ), во втором — а и b (ab). Слияние двух таких гамет приведет к появлению дигибридной зиготы АаВЬ. По фенотипу такие растения при полном доминировании будут обладать двумя доминантными признаками: их семена будут желтыми и гладкими. Для того чтобы выяснить, сколько сортов гамет образует такой дигибрид, Мендель провел анализирующее скрещивание: он скрестил гибридные растения F] с растениями, гомозиготными по двум рецессивным признакам (то есть имеющими зеленые и морщинистые семена; генотип aabb). В потомстве было получено 4 класса семян в отношении, близком к 1:1:1:1:55, желтых гладких (АаВЬ); 51 зеленых гладких (ааВЬ); 49 желтых морщинистых (Aabb) и 53 зеленых морщинистых (aabb). Таким образом, Мендель показал, что дигибрид образует 4 сорта гамет в равном отношении и является гетерозиготным по обеим аллельным парам.

Для проведения анализа расщепления по генотипу необходимо скрестить особи всех 16 генотипов, которые получатся при сочетании четырех сортов женских и мужских гамет, с рецессивной гомозиготой (aabb), то есть провести анализирующее скрещивание. Такой анализ показывает, что в результате получается 9 классов расщепления по генотипу в отношении 1:2:2:4:1:2:1:2:1. Аналогичный результат получается и при анализе с помощью решетки Пеннета.

При моногибридном скрещивании число классов по фенотипу равно 2 (в отношении 3:1), а по генотипу — 3 (в отношении 1:2:1). При дигибридном скрещивании эти значения составили, соответственно, 4 и 9, то есть в случае двух генов, определяющих два независимых признака, число классов по фенотипу соответствует, а по генотипу —.

На основании одновременного анализа наследования нескольких пар альтернативных признаков Г. Мендель установил закономерность независимого распределения генов («факторов», по Менделю). Эта закономерность известна как 3-й закон Менделя: при скрещивании двух гомозиготных особей, отличающихся по нескольким альтернативным признакам, гены и соответствующие признаки наследуются независимо друг от друга. Третий закон Менделя применим только к наследованию генов, находящихся в негомологичных хромосомах.

Установить основные закономерности наследования Мендель сумел благодаря применению статистического метода в генетическом анализе. Согласно закону «чистоты» гамет отношения, возникающие при расщеплении признаков, представляют собой результат случайного сочетания гамет, несущих разные гены. При одинаковом числе гамет и их одинаковой жизнеспособности с равной вероятностью возможна встреча гаметы, несущей доминантный аллель А, с такой же гаметой или с гаметой, несущей рецессивный аллель а. Встреча двух гамет — случайное событие, но при большом числе таких событий выявляется определенная закономерность, которую и наблюдал Мендель. Отсюда следует, что важным условием выявления закономерностей расщепления является размер выборки данных, которая оценивается в опыте. Само явление расщепления — это биологическое явление, но проявление его носит статистический характер.

К началу XX в., когда были заново открыты законы Менделя, в цитологии накопилось уже много сведений о развитии гамет и возникла гипотеза о связи генов с хромосомами. Цитологические основы дигибридного скрещивания опираются на следующие факты. В настоящее время известно, что при образовании гамет (гаметогенезе) в профазе I мейоза происходит конъюгация гомологичных хромосом; в анафазе I число хромосом, находящихся у каждого из полюсов клетки, уменьшается вдвое. Известно также, что при расхождении к разным полюсам каждая пара хромосом ведет себя независимо от других пар. При слиянии двух гамет в зиготе восстанавливается диплоидный набор хромосом (2п). При образовании гамет у дигетерозиготной особи (АаВЬ) пары аллельных генов находятся в разных парах гомологичных хромосом, и в результате образуется 4 типа гамет: АВ, АЬ, аВ, ab. Эти 4 типа гамет возникают вследствие случайного и независимого расхождения двух пар гомологичных хромосом к полюсам клетки в анафазу I мейоза. Из этого следует, что аллель А с одинаковой вероятностью может попасть в гамету с аллелем В или с аллелем Ь. То же самое справедливо и для аллеля а.



3.5 Закономерности наследственности, их цитологические основы

Предложена Г. Менделем, используется для записи результатов скрещиваний: Р — родители; F — потомство, число внизу или сразу после буквы указывает на порядковый номер поколения (F1 — гибриды первого поколения — прямые потомки родителей, F2 — гибриды второго поколения — возникают в результате скрещивания между собой гибридов F1); × — значок скрещивания; G — мужская особь; E — женская особь; A — доминантный ген, а — рецессивный ген; АА — гомозигота по доминанте, аа — гомозигота по рецессиву, Аа — гетерозигота.

Успеху работы Менделя способствовал удачный выбор объекта для проведения скрещиваний — различные сорта гороха. Особенности гороха: 1) относительно просто выращивается и имеет короткий период развития; 2) имеет многочисленное потомство; 3) имеет большое количество хорошо заметных альтернативных признаков (окраска венчика — белая или красная; окраска семядолей — зеленая или желтая; форма семени — морщинистая или гладкая; окраска боба — желтая или зеленая; форма боба — округлая или с перетяжками; расположение цветков или плодов — по всей длине стебля или у его верхушки; высота стебля — длинный или короткий); 4) является самоопылителем, в результате чего имеет большое количество чистых линий, устойчиво сохраняющих свои признаки из поколения в поколение.

Опыты по скрещиванию разных сортов гороха Мендель проводил в течение восьми лет, начиная с 1854 года. 8 февраля 1865 года Г. Мендель выступил на заседании Брюннского общества естествоиспытателей с докладом «Опыты над растительными гибридами», где были обобщены результаты его работы.

Опыты Менделя были тщательно продуманы. Если его предшественники пытались изучить закономерности наследования сразу многих признаков, то Мендель свои исследования начал с изучения наследования всего лишь одной пары альтернативных признаков.

Мендель взял сорта гороха с желтыми и зелеными семенами и произвел их искусственное перекрестное опыление: у одного сорта удалил тычинки и опылил их пыльцой другого сорта. Гибриды первого поколения имели желтые семена. Аналогичная картина наблюдалась и при скрещиваниях, в которых изучалось наследование других признаков: при скрещивании растений, имеющих гладкую и морщинистую формы семян, все семена полученных гибридов были гладкими, от скрещивания красноцветковых растений с белоцветковыми все полученные — красноцветковые. Мендель пришел к выводу, что у гибридов первого поколения из каждой пары альтернативных признаков проявляется только один, а второй как бы исчезает. Проявляющийся у гибридов первого поколения признак Мендель назвал доминантным, а подавляемый — рецессивным.

При моногибридном скрещивании гомозиготных особей, имеющих разные значения альтернативных признаков, гибриды являются единообразными по генотипу и фенотипу.

Генетическая схема закона единообразия Менделя

(А — желтый цвет горошин, а — зеленый цвет горошин)

Г. Мендель дал возможность самоопылиться гибридам первого поколения. У полученных таким образом гибридов второго поколения проявился не только доминантный, но и рецессивный признак. Результаты опытов приведены в таблице.

ПризнакиДоминантныеРецессивныеВсегоЧисло%Число%Форма семян547474,74185025,267324Окраска семядолей602275,06200124,948023Окраска семенной кожуры70575,9022424,10929Форма боба88274,6829925,321181Окраска боба42873,7915226,21580Расположение цветков65175,8720724,13858Высота стебля78773,9627726,041064Всего:1494974,90501025,1019959

Анализ данных таблицы позволил сделать следующие выводы:

1. единообразия гибридов во втором поколении не наблюдается: часть гибридов несет один (доминантный), часть — другой (рецессивный) признак из альтернативной пары;
2. количество гибридов, несущих доминантный признак, приблизительно в три раза больше, чем гибридов, несущих рецессивный признак;
3. рецессивный признак у гибридов первого поколения не исчезает, а лишь подавляется и проявляется во втором гибридном поколении.

С 1854 года в течение восьми лет Мендель проводил опыты по скрещиванию растений гороха. Им было выявлено, что в результате скрещивания различных сортов гороха друг с другом гибриды первого поколения обладают одинаковым фенотипом, а у гибридов второго поколения имеет место расщепление признаков в определенных соотношениях. Для объяснения этого явления Мендель сделал ряд предположений, которые получили название «гипотезы чистоты гамет», или «закона чистоты гамет». Мендель предположил, что:

1. за формирование признаков отвечают какие-то дискретные наследственные факторы;
2. организмы содержат два фактора, определяющих развитие признака;
3. при образовании гамет в каждую из них попадает только один из пары факторов;
4. при слиянии мужской и женской гамет эти наследственные факторы не смешиваются (остаются чистыми).

В 1909 году В. Иогансен назовет эти наследственные факторы генами, а в 1912 году Т. Морган покажет, что они находятся в хромосомах.

Для доказательства своих предположений Г. Мендель использовал скрещивание, которое сейчас называют анализирующим (анализирующее скрещивание — скрещивание организма, имеющего неизвестный генотип, с организмом, гомозиготным по рецессиву). Наверное, Мендель рассуждал следующим образом: «Если мои предположения верны, то в результате скрещивания F1с сортом, обладающим рецессивным признаком (зелеными горошинами), среди гибридов будут половина горошин зеленого цвета и половина горошин — желтого». Как видно из приведенной ниже генетической схемы, он действительно получил расщепление 1:1 и убедился в правильности своих предположений и выводов, но современниками он понят не был. Его доклад «Опыты над растительными гибридами», сделанный на заседании Брюннского общества естествоиспытателей, был встречен полным молчанием.

Во времена Менделя строение и развитие половых клеток не было изучено, поэтому его гипотеза чистоты гамет является примером гениального предвидения, которое позже нашло научное подтверждение.

Явления доминирования и расщепления признаков, наблюдавшиеся Менделем, в настоящее время объясняются парностью хромосом, расхождением хромосом во время мейоза и объединением их во время оплодотворения. Обозначим ген, определяющий желтую окраску, буквой А, а зеленую — а. Поскольку Мендель работал с чистыми линиями, оба скрещиваемых организма — гомозиготны, то есть несут два одинаковых аллеля гена окраски семян (соответственно, АА и аа). Во время мейоза число хромосом уменьшается в два раза, и в каждую гамету попадает только одна хромосома из пары. Так как гомологичные хромосомы несут одинаковые аллели, все гаметы одного организмы будут содержать хромосому с геном А, а другого — с геном а.

При оплодотворении мужская и женская гаметы сливаются, и их хромосомы объединяются в одной зиготе. Получившийся от скрещивания гибрид становится гетерозиготным, так как его клетки будут иметь генотип Аа; один вариант генотипа даст один вариант фенотипа — желтый цвет горошин.

У гибридного организма, имеющего генотип Аа во время мейоза, хромосомы расходятся в разные клетки и образуется два типа гамет — половина гамет будет нести ген А, другая половина — ген а. Оплодотворение — процесс случайный и равновероятный, то есть любой сперматозоид может оплодотворить любую яйцеклетку. Поскольку образовалось два типа сперматозоидов и два типа яйцеклеток, возможно возникновение четырех вариантов зигот. Половина из них — гетерозиготы (несут гены А и а), 1/4 — гомозиготы по доминантному признаку (несут два гена А) и 1/4 — гомозиготы по рецессивному признаку (несут два гена а). Гомозиготы по доминанте и гетерозиготы дадут горошины желтого цвета (3/4), гомозиготы по рецессиву — зеленого (1/4).

Закономерности наследования признаков

К независимому наследованию приводит поведение хромосом во время мейоза. Гены двух разных пар признаков находятся в негомологичных хромосомах. У гомозиготных особей образуется только один тип гамет, содержащих по одной из каждой пары негомологичных хромосом. В процессе оплодотворения диплоидный набор хромосом восстанавливается. Генотип гибридов первого поколения представлял собой следующее сочетание RrYy (или АаВв, чтобы проследить по иллюстрации).

Так как негомологичные хромосомы расходятся произвольно, то гибридные особи дают 4 типа гамет: Ав, АВ, аВ, ав. Попарное слияние этих типов гамет при оплодотворении даёт 16 возможных вариантов зигот.

Для объяснения результатов скрещивания, проведенного Г. Менделем, У. Бэтсон (1902) предложил гипотезу «чистоты гамет». Ее можно свести к следующим двум основным положениям:

• у гибридного организма гены не гибридизируются (не смешиваются), а находятся в чистом аллельном состоянии;
• из аллельной пары в гамету попадает только один ген вследствие расхождения гомологичных хромосом или хроматид при мейозе.

Число пар генов и соответствующих им признаков, по которым организмы отличаются друг от друга, часто бывает больше двух. Анализ данных по большому количеству аллельных пар называют полигибридным скрещиванием.

При таком анализе приходится изучать большое количество генотипов и фенотипов. Но закономерности, которым подчиняется их наследование часто бывает таким же как при моно- и дигибридном скрещивании.

Законы Менделя носят статистический характер (выполняются на большом количестве особей) и являются универсальными, т. е. они присущи всем живым организмам. Для проявления третьего закона Менделя необходимо соблюдение ряда условий:

• гены разных аллельных пар (неаллельные) должны находиться в разных парах (негомологичных) хромосом;
• между генами не должно быть сцепления и взаимодействия, кроме полного доминирования;
• должна быть равная вероятность образования гамет и зигот разного типа и равная вероятность выживания организмов с разными генотипами (не должно быть летальных генов).

В основе независимого наследования генов разных аллельных пар лежит генный уровень организации наследственного материала, заключающийся в том, что гены относительно независимы друг от друга.