Генетические эксперименты Г. Менделя. Гибридологический метод

Г. И. Мендель проводил свои опыты по скрещиванию растений в 1856…1865 гг. в монастыре г. Брюнна (ныне – г. Брно, Чехия). Несколько лет он потратил, чтобы выбрать экспериментальный объект; остановился на горохе – Pisum sativum. Его достоинства:

- размножается половым способом (в отличие от ястребинки и одуванчика, у которых семена могут завязываться без опыления; это – так называемый бесполосеменной способ размножения), поэтому Мендель избежал связанной с этим западни;

- имеются сорта с контрастными (альтернативными, взаимоисключающими) признаками;

- имеются «чистые» линии (сорта), которые сохраняют определенный признак на протяжении многих поколений, не давая расщепления при скрещивании с себе подобными (такие линии У. Бэтсон в 1902 г. назвал гомозиготными, а дающие расщепление – гетерозиготными);

- особое строение цветков, благодаря которому скрещивание легко контролировать (цветки обоеполые; тычинки и пестики закрыты лепестками (парус, лодочка, крыло), что препятствует перекрестному опылению).

После выбора этого объекта Мендель еще 2 года потратил на предварительные скрещивания различных сортов, чтобы убедиться, что – это действительно «чистые» линии. Остановился на 7 парах признаков:

- красные и белые, верхушечные и пазушные цветки;

- гладкие и морщинистые, желтые и зеленые семена;

- длинные и короткие стебли;

- простые и фрагментированные, зеленые и желтые стручки.

Сама техника скрещивания заключалась в том, что у цветка гороха одного сорта удалялись тычинки до созревания его пыльцы, затем на пестик этого цветка наносилась пыльца с тычинки, взятой из цветка другого родителя. Для повышения достоверности таким образом опылялись многие десятки цветков. Затем Мендель собирал семена (сотни и тысячи), образовавшиеся после перекрестного опыления, высевал их и изучал признаки у растений – гибридов первого поколения (от лат. hybridus – помесь). При необходимости можно было провести перекрестное опыление между этими гибридами или дождаться, когда произойдет самоопыление, и собрать семена гибридов второго поколения.

В результате Менделем был создан гибридологический метод анализа наследования признаков, который успешно применяется и сейчас.

Его особенности:

1) обязательное использование гомозиготных особей («чистых линий»);

2) анализируются пары альтернативных (взаимоисключающих) признаков;

3) проводится точный количественный учет потомков с различными комбинациями признаков (используются математические методы);

4) наследование признаков прослеживается в ряду поколений.

Гибридологический– значит основанный на скрещивании; а гибрид- это потомок от скрещивания двух особей.

В 1909 г. датчанин Вильгельм Иогансен предложил термины ген, фен, генотип, фенотип.

Ген – элементарная единица наследственности, наследственный задаток, определяющий развитие одного признака;

фен– отдельный признак, определяемый одним геном; признак - свойство, отличительная особенность организма;

генотип – совокупность всех генов организма;

фенотип– совокупность всех внешних и внутренних признаков организма, которые развиваются на основе генотипа под влиянием условий окружающей среды.

Ген в современной интерпретации – это участок ДНК, несущий информацию о строении одного или нескольких полипептидов или одной молекулы рРНК или тРНК.

2. Моногибридное скрещивание. Первый и второй законы Менделя

При скрещивании двух чистых линий гороха, различающихся по одной паре альтернативных признаков, например, красные и белые цветки (это моногибридное скрещивание), Мендель получил семена гибридов. После их высева в почву выросли растения только с красными цветками, т. е. один из признаков (красная окраска) подавлял развитие другого (белая окраска).

Первый из них, преобладающий, Мендель назвал доминантным (от лат. dominus – господин), а второй, подавляемый – рецессивным (от лат. recession – отступление).

Мендель нашел очень удачную, алгебраическую форму записи схем скрещивания. Единицы наследственности он называлзадатками, или элементами и обозначал их латинскими буквами: строчными – рецессивные, заглавными – доминантные.

Гомозиготным называется такой организм, клетки которого несут несут только доминантный или только рецессивный гены. Гетерозиготным называется организм, клетки которого несут и доминантный, и рецессивный гены.

Parentis P: АА × аа

Гаметы G: А а

Filii F₁: Аа

Формулировка первого закона (единообразия I поколения):При моногибридном скрещивании гомозиготных организмов наблюдается единообразие гибридов I поколения как по фенотипу, так и по генотипу.

В последующих опытах Мендель дождался самоопыления гибридов
I поколения, собрал несколько сотен семян, высеял их и изучил фенотип гибридов II поколения. Оказалось, что соотношение растений с доминантным и рецессивным признаками составляет примерно 3 : 1. При этом анализу подвергалось от нескольких сотен до 1,5 тысяч растений в каждом случае. Такой же результат получается и при перекрестном опылении гибридов I поколения.

Схема скрещивания в этом случае такая:

P (F₁): Аа × Аа

G: А а А а

F₂: АА Аа аА аа

Формулировка второго закона (расщепления):При моногибридном скрещивании гетерозигот у потомков наблюдается расщепление в соотношении примерно 3 : 1 по фенотипу и 1 : 2 : 1 по генотипу.

Более удобный способ записи опытов по скрещиванию предложил в начале XX века британский генетик Реджинальд Грундалл Пеннет
(Punnett). Это так называемая решетка Пеннета.

P: Аа × Аа

Дробями записаны частоты гамет, при их перемножении получаются частоты генотипов.

Цитологический смысл законов Менделя очевиден: при мейозе в каждую гамету попадает только одна хроматида из пары гомологичных хромосом и, соответственно, один из пары генов, определяющих альтернативные признаки.

Гены А и а, определяющие развитие альтернативных признаков, называются аллелями (В. Иогансен, 1926). По сути дела, аллели – это варианты, мутантные формы некоего исходного гена («дикого типа»). Они находятся в идентичных участках гомологичных хромосом.

Причины доминированиямногообразны и не до конца изучены, одна из них: доминантный аллель определяет синтез полноценного фермента, а рецессивный – дефектного: вследствие мутации в гене фермент либо не синтезируется вовсе, либо дефектен (имеет меньшее сродство к субстрату, дает меньшую скорость реакции и т. д.).

Сейчас мы рассмотрели полное доминирование, описанное Менделем. Известно также неполное доминирование, или промежуточный тип наследования.

При неполном доминированиигетерозигота имеет фенотип, промежуточныймежду фенотипами гомозигот. Например, у растения ночная красавица(Mirabilis jalapa) имеются гомозиготные линии с красными (АА) и белыми (аа) цветками. Гибриды F1 являются гетерозиготами Аа и имеют цветки розовой окраски. Во втором поколении наблюдается расщепление 1:2:1 как по фенотипу, так и по генотипу. В целом, 1^ый и 2^ой законы Менделя соблюдаются с поправкой на промежуточный фенотип у гетерозигот.

Причина промежуточного проявления признака у гетерозигот: аллель А находится в геноме гетерозиготы в единственном числе, поэтому проявляется слабее, чем в геноме гомозиготы АА (двойная доза генов, а значит, и продуктов генов!).

3. Дигибридное скрещивание. Третий закон Менделя

Изучив наследование одной пары аллелей, Мендель решил проследить наследование двух признаководновременно. Для этой цели он использовал гомозиготные растения гороха, отличающиеся по двум парам альтернативных признаков: семена желтые гладкие и зеленые морщинистые. Такое скрещивание, при котором родители различаются по двум парам альтернативных признаков, называется дигибридным. Если изучаются 3 и более пар признаков, то скрещивание полигибридное.

В результате такого скрещивания в первом поколении Мендель получил растения с желтыми гладкими семенами. Этот результат показал, что закон единообразия гибридов первого поколения проявляется не только при моногибридном, но и при полигибридном скрещивании, если родительские формы гомозиготны.

Затем Мендель скрестил гибриды первого поколения между собой. Для анализа результата этого скрещивания используем решетку Пеннета.

В результате свободного комбинирования 4 типов гамет в зиготы попадают гены во всех возможных 16^ти комбинациях. В потомстве выявляются 4 фенотипических класса: примерно 9 частей растений с горошинами желтыми гладкими (А-В-), 3 части – с желтыми морщинистыми (А-вв), 3 части – с зелеными гладкими (ааВ-), 1 часть – с зелеными морщинистыми (аавв), т. е. расщепление 9:3:3:1. Два фенотипических класса из 4^х – абсолютно новые, отличные от родительских форм. При этом количество генотипических классов равно 9.

P: AABB × aabb

G: AB ab

F₁: AaBb

P(F₁): AaBb × AaBb

Если проанализировать расщепление отдельно по каждой из пар альтернативных признаков (желтый и зеленый цвет, гладкая и морщинистая поверхность),

~3:1→ желтые : зеленые,

то получится:

~ 3:1→ гладкие : морщинистые,

т. е. каждая пара признаков дала расщепление в F₂ независимо от другой пары. Это явилось результатом случайного комбинирования генов при образовании зигот, что и привело к образованию двух новых фенотипических классов, отличных от родительских форм.

Отсюда вытекает третий закон Менделя– закон независимого комбинирования признаков: При дигибридном (полигибридном) скрещивании гомозиготных организмов во втором поколении наблюдается независимое комбинирование признаков и соответствующих им генов разных аллельных пар.

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

1) из каждой пары аллелей в гамету попадает только один ген;

2) у гибридного организма гены не смешиваются, а находятся в чистом аллельном состоянии.

Эта гипотеза после открытия механизмов мейоза стала очевидным фактом и называется теперь «правилом», или «законом» чистоты гамет. Её цитологический смысл заключается в том, что в первом делении мейоза гомологичные хромосомы, несмотря на то, что они действительно сливаются в одно целое (процесс конъюгации), всё же сохраняют свою дискретность и расходятся в дочерние клетки, а во втором делении мейоза в каждую гамету попадает только одна хроматида и, соответственно, один аллель из каждой аллельной пары.