Генетические карты хромосом

(методика составления)

Благодаря кроссинговеру генетики получили возможность исследовать порядок расположения генов в хромосомах и строить генетические карты. Принцип построения генетических карт прост. В его основе лежит положение о том, что если кроссинговер между генами происходит редко, то сила сцепления бóльшая, если часто – сцепление слабое.

По частоте кроссинговера судят о расстоянии между генами, однако определить порядок расположения генов в хромосоме можно только изучив взаимоотношения между тремя генами, например, А В С. Предположим, что частота кроссинговера между генами А и В равна некоторой величине М, а между генами В и С – N, то частота перекреста между А и С может быть равной либо величине М + N, либо M – N. Такая закономерность распространяется на все гены данной группы сцепления. Вполне очевидно, что объяснить эти факты можно, только признав линейное расположение генов внутри хромосомы.

На основании таких фактов в настоящее время для многих организмов составлены генетические карты хромосом. Наиболее подробные карты известны для дрозофилы, душистого горошка, кукурузы, мыши, кролика, курицы, нейроспоры и др. Карту хромосом по всей ее длине строят постепенно, складывая данные о частоте перекреста между двумя последовательно расположенными наиболее близкими генами. В результате генетическая длина карты хромосом может доходить до 100 единиц и более.

В поздней профазе мейоза (пахинеме) у гомологичных хромосом могут образовываться несколько хиазм. Это приводит к появлению одиночных или двойных, а также тройных и более сложных кросинговеров (рис. 40).

Для обнаружения двойных кросинговеров необходимо наличие гетерозиготности по трем генам, локализованным в одной группе сцепления. Рассмотрим это для трех генов дрозофилы, локализованных в половой хромосоме, а именно:

1) цвет тела: серый (А) или желтый (а);

2) форма щетинок: прямые (В) или загнутые (в);

3) размер крыльев: нормальные (С) или маленькие (с).

Для составления карты хромосом необходимо:

1. Скрестить гомозиготные особи с альтернативными признаками и получить F₁;

2. Произвести анализирующее скрещивание;

3. Установить кроссоверные особи в процентах среди гибридов анализирующего скрещивания.

Ход эксперимента выглядит так:

Самки, гетерозиготные по этим трем сцепленным генам, были скрещены с самцами, гомозиготными по рецессивным аллелям изучаемых генов.

гаметы: ♀ АВС, авс – некроссоверные

аВС, Авс – одиночный кроссинговер на участке А – В

АВс, авС – одиночный кроссинговер на участке В – С

АвС, аВс – двойной кроссинговер на участке А – С

Рис 40. Типы гамет, образующиеся у самки дрозофилы, гетерозиготной

по трем парам генов, находящихся в одной хромосоме

В потомстве анализирующего скрещивания получилось следующее расщепление:

F_ан ; ; ; ; ; ; ; ;

7336 7334 1994 2072 1318 1360 332 350

Всего поучено 22096 мух (7336+7334+…+350), в том числе 14670 – некроссоверных (66,4%). Рассчитаем частоту перекреста и расстояние между генами:

1) А и В: .

2) В и С: .

3) А и С: .

Учитывая, что один процент перекреста условно принят за единицу расстояния между генами, можно заключить, что гены А и В отстоят друг от друга дальше, чем В и С. Расстояние между А и С составляет 30,5 кроссоверных единиц, что равно сумме двух расстояний:

18,4 к. е. + 12,1 к. е. = 30,5 к. е.

Определим величину двойного кроссинговера (обмен средними участками):

.

Таким образом, из 22096 особей с перекрестом на первом участке (А-В) было 18,4%, на втором (В-С) – 12,1%, с двойным перекрестом – 3,1%. Фактически перекрест на участке А-В произошел не в 18,4% случаев, а в несколько большем числе, так как и при двойном кроссинговере был перекрест на участке А-В. Для получения общей величины перекреста на данном участке нужно сложить величины 18,4% + 3,1% = 21,5%. Таким же образом следует внести поправку в частоту перекреста и на участке В-С, так как он был не только при одиночном, но и при двойном кроссинговере; получим цифру 15,2% (12,1+3,1). Общее число перекрестов будет равно 36,7% (21,5+15,2).

Частота единичных кроссоверов между А и С равна 30,5%, однако в это число входят и двойные. Поскольку каждый двойной кроссовер состоит из двух единичных между крайними генами, то для того, чтобы получить их суммарную частоту между А и С, частоту двойных 3,1 нужно удвоить и прибавить к частоте единичных (6,2 + 30,5 = 36,7).

Таким образом, если учесть двойные кроссоверы, генетическая карта, построенная на основе их частот, становится линейной (21,5 + 15,2 = 6,2 + 30,5).

Исследованиями установлено, что двойной перекрест осуществляется фактически в меньшем числе случаев, чем ожидается. Предполагаемый двойной перекрест можно рассчитать, если известен порядок расположения генов в хромосоме и частота кроссинговера между ними.

Напомним, что вероятность совпадения двух отдельных событий равна произведению этих вероятностей для каждого из них. В нашем случае частота перекреста на участке между генами А-В равна 21,5, а между В-С – 15,2%, то вероятность возникновения двух перекрестов в одной тетраде (по одному в каждом из этих участков) составит:

.

Однако фактически двойную хиазму несли только 3,1% тетрад. Это объясняется явлением интерференции (подавления) двойного кроссинговера, когда кроссинговер в одном локусе препятствует его возникновению в другом. Степень интерференции зависит от расстояния между генами. По мере уменьшения расстояний между генами интерференция увеличивается, и наоборот.

Степень интерференции хиазм можно выразить в виде отношения:

.

Это отношение называют коэффициентом совпадения или коинциденции. В нашем примере он равен 95%, следовательно, часть случаев (5%) двойного кроссинговера не была осуществлена вследствие интерференции.

Задачи

1. У кукурузы при скрещивании линии, имеющей восковидный и выполненный эндосперм с линией, имеющей крахмалистый и морщинистый эндосперм, получен гибрид с крахмалистым и выполненным эндоспермом.

В результате проведения анализирующего скрещивания дигетерозиготы было получено: 599 особей с восковидным выполненным эндоспермом, 626 – с крахмалистым морщинистым, 141 – с крахмалистым выполненным и 137 – с восковидным морщинистым эндоспермом. Определите:

а) как комбинируются гены в парных хромосомах дигетерозиготного организма?

б) какова частота кроссинговера между двумя генами?

2. Растение кукурузы, выросшее из гладкого крахмалистого семени неизвестного происхождения, было вовлечено в анализирующее скрещивание: его пыльцой был опылен початок растения, выросшего из морщинистого восковидного семени. На этом початке возникло: 313 гладких с восковидным эндоспермом, 299 морщинистых крахмалистых, 71 гладких крахмалистых и 68 морщинистых восковидных зерен.

а) определите группы сцепления у дигетерозиготы;

б) какова частота кроссинговера и расстояние между генами?

3. Гены А и В наследуются сцепленно, расстояние между ними равно 20%. Гомозиготная по доминантным аллелям линия была скрещена с линией, гомозиготной по их рецессивным аллелям. Определите генотипы кроссоверных и некроссоверных особей и их соотношение в потомстве от анализирующего скрещивания соответствующего гибрида.

4. От скрещивания линии пшеницы, устойчивой к стеблевой ржавчине и мучнистой росе, с линией, восприимчивой к этим заболеваниям, получили гибриды F₁, устойчивые к ржавчине и мучнистой росе. Расстояние между генами – 4 морганиды.

Определите соотношение генотипических и фенотипических классов в потомстве от анализирующего скрещивания соответствующего дигибрида.

5. У томата при скрещивании линии, характеризующейся карликовостью и опушенностью плодов, с линией, имеющей высокий рост растений и гладкие плоды, получили гибриды высокого роста и с гладкими плодами. После проведения анализирующего скрещивания дигетерозиготного гибрида получено растений: 161 – высокого роста с гладкими плодами, 5 – высокого роста с опушенными плодами, 5 – карликовых с гладкими плодами и 158 – карликовых с опушенными плодами. Аналогичное анализирующее скрещивание другого растения томата, гетерозиготного по тем же аллелям, дало следующие результаты: 7 растений высоких с гладкими плодами, 138 – высоких с опушенными плодами, 145 – карликовых с гладкими плодами и 6 – карликовых с опушенными плодами. Определите:

а) как комбинируются гены в парных хромосомах в двух гетерозиготных растениях томата;

б) частоту рекомбинации и расстояние между двумя генами.

6. От скрещивания опушенного узловатостебельного сорта томата с неопушенным гладкостебельным возникли опушенные узловатостебельные гибриды. В потомстве от анализирующего скрещивания этих гибридов получено растений: 413 – опушенных узловатостебельных, 407 – неопушенных гладкостебельных, 91 – опушенных гладкостебельных и 81 – неопушенных узловатостебельных.

От скрещивания сорта опушенного двухкамерноплодного с неопушенным многокамерноплодным возникли гибриды опушенные двухкамерноплодные. В потомстве от анализирующего скрещивания последних получено растений: 303 – опушенных двухкамерноплодных, 301 – неопушенных двухкамерноплодных, 302 – опушенных многокамерноплодных и 304 – неопушенных многокамерноплодных. Определите:

а) локализацию трех генов;

б) расстояние между генами.

7. У кукурузы гены С и D наследуются сцепленно. Ген С обуславливает устойчивость к ржавчине, с – восприимчивость, ген D – нормальные листья, d – узкие листья. От скрещивания гомозиготной линии по доминантным аллелям двух генов с гомозиготной линией по рецессивным аллелям этих же генов получены гибриды F₁, характеризующиеся устойчивостью к ржавчине с нормальными листьями. В потомстве анализирующего скрещивания было получено 1000 растений, в том числе 40 кроссоверных. Определите:

а) соотношение генотипических и фенотипических классов генов в F_ан;

б) расстояние между генами С и D.

8. У кукурузы гены, обусловливающие зеленую окраску всходов и фертильность пыльцы, локализованы в одной хромосоме и наследуются сцепленно. Признак нормального развития хлорофилла в проростках доминантен по отношению к бесхлорофилльному, нормальная фертильность – по отношению к пониженной. При скрещивании гомозиготного растения по доминантным генам с гомозиготным растением по рецессивным в F₁ все растения имели зеленую окраску и фертильную пыльцу.

При проведении анализирующего скрещивания данного дигибрида получено растений: 88 – бесхлорофилльных с пониженной фертильностью, 90 – зеленых с нормальной фертильностью, 12 – зеленых с пониженной фертильностью и 10 – бесхлорофилльных с нормальной фертильностью. Определите:

а) группы сцепления генов;_.

б) расстояние между двумя генами.

9. От скрещивания красноцветковой линии душистого горошка, имеющей продолговатые пыльцевые зерна, с фиолетовоцветковой, имеющей шаровидные пыльцевые зерна, возникли гибриды фиолетовоцветковые с продолговатыми пыльцевыми зернами. Скрестив последние с линией красноцветковой с шаровидной пыльцой, получили растения: 445 – красноцветковых с продолговатыми пыльцевыми зернами, 439 – фиолетовоцветковых с шаровидными пыльцевыми зернами, 60 красноцветковых с шаровидной пыльцой и 55 – фиолетовоцветковых с продолговатыми пыльцевыми зернами. Определите:

а) комбинацию генов в гомологичных хромосомах дигибрида;_.

б) частоту кроссинговера между двумя генами.

10. Если початок линии кукурузы, характеризующейся не окрашенными антоцианом (Н), морщинистыми (М), восковидными (В) зерновками, опылить пыльцой линии, имеющей зерновки, окрашенные антоцианом (О), гладкие (Г), крахмалистые (К), то завяжутся зерновки ОГК. В таблице 9 представлены фенотипы родителей и расщепление в потомствах от анализирующих скрещиваний трех гибридов.

Таблица 9

а) Определите расстояние между тремя генами.

б) Нанесите данные локусы на генетическую карту.