Гібридологічний метод вивчення спадковості
Основні закономірності спадкування були відкриті Г. Менделем. Він досяг успіху у своїх дослідженнях завдяки зовсім новому, розробленому ним методу, який отримав назву гібридологічного аналізу. Суть гібридологічного методу вивчення спадковості полягає в тому, що про генотип організму судять за ознаками (фенотипу) потомків, отриманих при певних схрещуваннях.
Методи ґрунтуються на таких положеннях:
- Враховується не весь різноманітний комплекс ознак у батьків і гібридів, а аналізується спадковість за окремими ознаками та їхніми проявами.
- Проводиться точний кількісний облік спадкування кожного стану ознаки не лише в першому поколінні від схрещування, а в і наступних поколіннях.
Гібридологічний метод знайшов широке застосування в науці і практиці.
Об’єктом для досліджень Мендель брав горох, який має багато сортів, що відрізняються альтернативними проявами ознак. Вибір об’єкта виявився вдалим, оскільки спадкування ознак у гороха відбуваються досить чітко. Гороху звичайно властиве самозапилення, хоч можливе також перехресне запилення.
У самозапильної рослини все потомство є потомством одного організму, тобто становить так звану чисту лінію, а здатність до перехресного запилення полегшує гібридизацію. Це дало Менделю можливість проаналізувати потомство як кожної окремої особини, так і в результаті гібридизації. Перш ніж приступити до експериментів Мендель кілька років перевіряв чистоту сорту (гомозиготність), а впевнившись у цьому, розпочав експеримент.
Мендель проаналізував закономірності спадковості як у тих випадках, коли батьківські організми відрізнялися за альтернативним проявом однієї (моно-гібридне схрещування), так і у тих, коли вони відрізнялися за альтернативними виявами кількох ознак (ди -, три -, полі-гібридне). Відповідно до рівня науки того часу Мендель не міг ще пов’язати спадкові фактори з певними структурами клітин.
Перший закон Менделя
У дослідах Менделя при схрещуванні сортів гороху, які мали жовте і зелене насіння, все потомство (тобто гібриди першого покоління) виявилися жовтим насінням. При цьому не мало значення з якого саме насіння (жовтого чи зеленого) виросли материнські (батьківські) рослини. Отже, обидва батьки однаковою мірою здатні передавати свої ознаки потомству.
Аналогічні результати були виявлені і в дослідах, в яких до уваги бралися інші ознаки. Так, при схрещуванні рослин з гладеньким і зморшкуватим насінням все потомство мало гладеньке насіння. При схрещуванні рослин з пурпуровими і білими квітками у всіх гібридів виявилися лише пурпурові пелюстки квітів і т. д.
Виявлена закономірність отримала назву першого закону Менделя, або закон однотипності гібридів першого покоління. Стан (алель) ознаки, який проявляється в першому поколінні, отримав назву домінантного; стан (алель), який в першому поколінні гібридів не проявляється, називається рецесивним.
"Задатки" ознак (гени) Г. Мендель запропонував позначити літерами латинського алфавіту. Алелі, які належать до однієї пари станів ознаки, позначають однією і тією ж літерою, але домінантний алель – великою, а рецесивний – маленькою. Алель пурпурного забарвлення квітів слід позначити, наприклад, А, алель білого кольору квіток – а, алель жовтого кольору насіння – В, алель зеленого кольору насіння – в і т. д.
Згадаймо, що кожна клітина тіла має диплоїдний набір хромосом. Всі хромосоми парні, алелі ж гена містяться в гомологічних хромосомах. Отже, в зиготі завжди є два алелі і генотипову формулу за будь-якою ознакою слід записувати двома літерами.
Особину, гомозиготну за домінантним алелем, слід записувати АА, рецесивним – аа, гетерозиготну – Аа. Досліди показали, що рецесивний алель проявляє себе лише у гомозиготному стані, а домінантний – як у гомозиготному (АА), так і в гетерозиготному стані (Аа).
Гени розташовані в хромосомах. Отже, в наслідок мейозу гемологічні хромосоми (а з ними алелі гена) розходяться в різні гамети. Але оскільки у гомо-зиготи обидва алелі однакові, всі гамети несуть один і той самий алель, тобто гомозиготна особина дає лише один тип гамет.
Досліди по схрещуванню запропоновано записувати у вигляді схем. Домовились батьків позначати літерою Р, особин першого покоління – F1, особин другого покоління – F2 і т. д. Схрещування позначають знаком множення (Х), генотипову формулу материнської особини () записують першою, а батьківської () - другою. В першому рядку записують генотипові формули батьків, у другому – типи їхніх гамет, у третьому генотипи першого покоління і т. д.
Для прикладу запишемо схему моно-гібридного схрещування монозиготного гороху з пурпуровими і білими квітками:
Р АА х аа
Гамети А а
F1 Аа
Оскільки у першого батька лише один тип гамет (А) і у другого також один тип гамет (а), можливе лише одне сполучення Аа. Всі гібриди першого покоління виявляються однорідними: гетерозиготними за генотипами і домінантними за фенотипом.
Отже, перший закон Менделя, або закон одноманітності гібридів першого покоління, у загальному вигляді можна сформулювати так: при схрещуванні гомозиготних особин, які відрізняються одна від одної за однією парою альтернативних станів ознаки (контрастуючих), усе потомство у першому поколінні одноманітне як за фенотипом, так і за генотипом.
Другий закон Менделя
При схрещенні гетерозиготних гібридів першого покоління між собою (самозапилення або споріднене схрещування) у другому поколінні з’являються особини як з домінантними, так і з рецесивними станами ознак, тобто виникає розщеплення, яке відбувається в певних відношеннях.
Так, у дослідах Менделя на 929 рослинах другого покоління виявилося 705 з пурпуровими квітками і 224 з білими. У досліді, в якому враховується колір насіння, із 8023 насінин гороху, отриманим у другому поколінні, було 6022 жовтих і 2001 зелених, а і з 7324 насінин у відношенні яких враховувалась форма насінини, було отримано 5474 гладенькі і 1850 зморшкуватих.
Узагальнюючи фактичний матеріал, Мендель дійшов висновку, що у другому поколінні 75% особин мають домінантний стан ознаки, а 25% - рецесивний (розщеплення 3:1). Ця закономірність отримала назву другого закону Менделя, або закону розщеплення.
Згідно з цим законом та використовуючи сучасну термінологію, можна зробити такі висновки:
- а) алелі гена, перебуваючи у гетерозиготному стані, не змінюють структуру один одного;
- б) при дозріванні гамет у гібридів утворюється приблизно однакове число гамет з домінантними і рецесивними алелями;
- в) при заплідненні чоловічі і жіночі гамети, що несуть домінантні і рецесивні алелі, вільно комбінуються.
При схрещуванні двох гетерозигот (Аа), у кожній і з яких утворюється два типи гамет (половина з домінантним алелем – А, половина – з рецесивним – а), необхідно очікувати чотири можливі поєднання. Яйцеклітина з алелем А може бути запліднена з однаковою часткою ймовірності як сперматозооном з алелем А, так і сперматозооном або з алелм а, а яйцеклітина з алелем а – сперматозооном, або з алелем А, або з алелем а. Отримуються зиготи: АА, Аа, Аа, аа, або АА, Аа, Аа, аа.
За зовнішнім виглядом (фенотипом особини) АА і Аа не відрізняються, тому розщеплення виходить у співвідношенні 3:1.
За генотипом особини розділяються у співвідношенні 1АА:2Аа:1аа. Зрозуміло, що якщо від кожної групи особин другого покоління отримувати потомство лише при самозапилюванні, то перша (АА) і остання (аа) групи (вони гомозиготні) будуть давати лише одноманітне потомство (без розщеплення), а гетерозиготні (Аа) форми будуть давати розщеплення у співвідношенні 3:1.
При схрещуванні двох гібридів першого покоління, які аналізуються за однією альтернативною парою станів ознаки, у потомстві спостерігається розщеплення за фенотипом у співвідношенні 3:1, і за генотипом у співвідношенні 1:2:1.
Третій закон Менделя
Вивчаючи розщеплення при дигібридному схрещуванні Мендель звернув увагу на таку обставину. При схрещуванні рослин з жовтим гладеньким (АА ВВ) і зеленим зморшкуватим (аа вв) насінням у другому поколінні з’явилися нові комбінації ознак: жовте зморшкувате (А – вв) і зелене гладеньке (аа – В), які не зустрічались у вихідних форм. Із цього спостереження Мендель зробив висновок, що розщеплення за кожною ознакою (за кожною парою алелів) відбувається незалежно від другої ознаки (других пар алелів). У цьому прикладі форма насіння успадкувалася незалежно від їхнього забарвлення.
Ця закономірність отримала назву третього закону Менделя, який формується так: при схрещуванні гомозиготних особин, які відрізняються за двома (або більше) ознаками, у другому поколінні (F2) спостерігається незалежне успадкування і комбінування станів ознак, якщо гени, які їх визначають, розташовані у різних парах хромосом. Це можливо тому, що під час мейозу розподіл (комбінування) хромосом у статевих клітинах при їхньому дозріванні йде незалежно і може привести до появи нащадків з комбінацією ознак, відмінних від батьківських і прабатьківських особин.
Оскільки кожна пара алелів розподіляється в гібридів незалежно від іншої пари, то в нашому прикладі у дигеторозиготної особини (Аа Вв) при формуванні гамет алель А може виявитися в одній гаметі як з алелем В, так із алелем в. З такою ж ймовірністю і алель а може потрапити в одну гамету з алелем В, або з алелем в. Отже, у дигеторозиготної особини утворюється чотири можливі комбінації генів у гаметах: АВ, Аа, аВ, ав. Всіх типів гамет буде порівну (по 25%).
Це легко пояснити поведінкою хромосом при мейозі. Для спрощення візьмемо гіпотетичний організм, який має всього дві пари хромосом. Назвемо їх першою і другою парами. Якщо цей організм гетерозиготний за обома генами, то одна з хромосом першої пари буде нести в собі алель А, друга – алель а; у другій парі хромосом одна із них несе алель В, друга – алель в. Після мейозу кожна гамета має по одній хромосомі із кожної пари. Негомологічні хромосоми при мейозі можуть комбінуватися в будь-яких поєднаннях, тому хромосома з алелем А з однаковим успіхом (рівно-ймовірно) може потрапити у гамету як з хромосомою з алелем В, так і з хромосомою з алелем в.
Подібно може розділятися і хромосома з алелем а: або з алелем В, або з алелем в.
Для запису схрещування нерідко використовують спеціальні решітки, які запропонував англійський генетик Пеннет (решітка Пеннета). Ними зручно користуватися під час аналізу полі-гібридних схрещувань. Принцип побудови решітки полягає в тому, що зверху по горизонталі записують гамети батьківської особини, зліва по вертикалі – гамети материнської особини, в місцях перетину ймовірні генотипи потомства.
Якщо при схрещуванні аналізується більше двох ознак, то кількість очікуваних комбінацій збільшується. При три-гібридному схрещуванні гетерозиготи утворюються по вісім типів гамет, які дають 64 сполучення. Якщо всі можливі комбінації записати у вигляді решітки Пеннета, а потім проаналізувати, то виявиться, що розщеплення за фенотипом відбувається у співвідношенні 27:9:9:9:3:3:3:1.
Розщеплення за фенотипом у загальній формі можна виразити формулою (3+1) n, де n – кількість ознак, які взяті для аналізу при схрещуванні.
При аналізуючому схрещуванні число типів потомків вказує на число типів гамет, що утворює особина, генотип якої аналізується. При схрещуванні домінантної гомозиготної особини розщеплення не спостерігається, бо вона утворює один тип гамет з домінантними алелями.
P ААВВ х аавв
Гамети АВ ав
F1 АаВв
Гетерозигота за однією ознакою особина утворює два типи гамет і дає розщеплення у співвідношенні 1:1.
Гетерозиготна за двома ознаками особина утворює:
Р АаВв х аавв АаВВ х аавв
Гамети АВ, Ав ав АВ, аВ ав
F1 Аа, Вв, Аавв, аавв, аавв.
Чотири типи гамет і дає розщеплення у співвідношенні 1:1:1:1
Р АаВв х аавв
Гамети АВ, АВ, ав, ав ав
F1 Аа, Вв, Аавв, ааВв, аавв.
Закон,, чистоти гамет"
Поява серед гібридів другого покоління особин з рецесивним станом ознак дозволила Менделю зробити висновок про те, що,, задатки", які визначають рецесивний стан ознаки, в гетерозиготному організмі не зникають, а лише пригнічуються. Оскільки передавання станів ознаки до потомків здійснюється через гамети, то була гіпотеза частоти гамет. Пізніше ця гіпотеза отримала цитологічне обґрунтування. Ми знаємо, що у соматичних клітинах диплоїдний набір хромосом.
В однакових місцях (локусах) гомологічних хромосом містяться алелі гена. Якщо це гетерозиготна особина, то в одній із гомологічних хромосом розташований домінантний алель у другій – рецесивний. При утворені статевих клітин відбувається мейоз і в кожну з гамет потрапляє галоїдний набір хромосом. У ньому, як відомо, всі хромосоми непарні, і природно, в гаметі може бути або домінантний, або рецесивний алель. Гамети залишаються,, чистими" лише з якимось одним алелем, носієм одного із альтернативних станів ознаки.
Висновок. Основні генетичні поняття
Генетика (від грец. Генезіс – походження) – наука про спадковість і мінливість живих організмів і методи керування ними. В її основу покладені закономірності спадковості, виявлені Г. Менделем при схрещуванні різних сортів гороху (1901-1903). Народження генетики відносять до 1900 р., коли Х. де Фріз, К. Коренс і Є. Чермак повторно відкрили закон Г. Менделя. залежно від об’єкта дослідження виділяють генетику рослин, тварин, мікроорганізмів, людини і т. д., а від методів – біохімічну генетику й ін. Термін,, генетика" запропонував англійський генетики В. Бетсон (1905).
Ген – дискретна одиниця спадковості. за допомогою якої відбувається запис, зберігання та передача генетичної інформації в ряді поколінь, певна ділянка молекули ДНК у вищих організмів і РНК вірусів фагів – розташована у певному локусі (ділянці) дані хромосоми (в еукаріот) або генетичному матеріалі (у прокаріот).
Алель – один з можливих станів гена, наприклад, домінантний або рецесивний.
Домінування – явище, при якому один з алелів у гетерозиготі (домінантний алель) подавлює (пригнічує) дію іншого алеля (рецесивний алель).
Рецесивність – форма фенотипного вияву гена. Як правило, рецесивний алель гена виявляється лише за відсутності домінантного.
Генотип – сукупність усіх генів клітини, локалізованих в ядрі (хромосомах) або у різних реплікуючих структурах цитоплазми (пластидах, мітохондріях, плазмідах). Генотип це спадкова основа організму єдина система взаємодіючих генів, тому вияв кожного гена залежить від його генотипного середовища. Генотип – носій генетичної інформації, контролює формування всіх ознак організму, тобто його фенотипу.
Фенотип – сукупність властивостей і ознак організму, що склалися на основі взаємодії генотипу з умовами зовнішнього середовища. Фенотип ні коли не відображає генотип цілком, а лише ту його частину, яка реалізується в даних умовах онтогенезу. В процесі розвитку організму фенотип змінюється.
Спадковість – здатність живих організмів передавати особинам наступного покоління морфо-анатомічні, фізіологічні, біохімічні особливості своєї організації, а також характерні риси становлення цих особливостей у процесі онтогенезу.
Мінливість – властивість організму змінювати свою морфо-фізиологічну організацію, що зумовлює різноманітність індивідів, популяцій, рос, а також набувати нових ознак у процесі індивідуального розвитку.
Література
- Біологія. За редакцією Мотузного, 2-ге видання, виправлене. Київ,, Вища школа" 1995 р.
- Г. Д. Бердишев, І. Ф. Криворучко,, Медична генетика" Київ 1993,, Вища школа".
- Біологія. І. В. Барна, М. М. Барна Тернопіль 2000 р.