Практикум по генетике

М ИНИ СТЕ Р СТВ О СЕ Л Ь СК ОГ О ХОЗ Я ЙС ТВ А Р ОС С ИЙ СК О Й ФЕД ЕР АЦ И И

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ – МСХА имени К.А. ТИМИРЯЗЕВА

(ФГОУ ВПО РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева)

Иванова С.В., Долгодворова Л.И., Потоцкая И.В.,

Фесенко И.А., Большакова Л.С.

ПРАКТИКУМ ПО ГЕНЕТИКЕ

Учебное пособие для студентов

по агрономическим специальностям

Москва, РГАУ – МСХА им. К.А. Тимирязева

2007

1

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современная генетика – наука о наследственности и изменчивости организмов - в настоящее время проходит качественно новый этап своего развития, связанный с изучением молекулярных основ строения и функционирования генов и геномов, проблем генетической инженерии и

ееиспользования в медицине, биологической промышленности, сельском хозяйстве и других направлениях науки и практики.

Историю генетики условно делят на три этапа. Первый этап классической генетики (1880 – 1930гг.), связанный с созданием теории дискретной наследственности (менделизм) и хромосомной теории наследственности (работы Моргана и его школы). Второй этап (1930 – 1953 гг.) – углубление принципов классической генетики и пересмотр ряда

ееположений, исследования по мутационной изменчивости,

доказательства сложного строения гена и генетической роли молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) как материальной основы наследственности в клетке. Третий этап начинается с 1953 г., когда было описано строение ДНК и ее свойства, начаты и продолжаются работы по выделению ДНК и РНК и расшифровка генетического кода. В последние годы активно исследуются молекулярные основы строения и функционирования геномов, устанавливаются полные нуклеотидные последовательности геномов ряда организмов, в том числе человека,

ведутся интенсивные исследования в области генетической инженерии.

Студенты агрономических специальностей в относительно коротком по объему и времени курсу генетики должны освоить основные разделы генетики, поскольку невозможно проводить биологические исследования без знания генетических закономерностей и методов генетических исследований.

Все основные генетические и цитологические закономерности в значительной степени сходны для животных, растений и микроорганизмов, и разнообразие в их проявлении связано в основном

3

лишь с различными способами их размножения. Поэтому примеры и задачи разбираются на разных живых объектах, так как общие генетические закономерности можно экстраполировать на ряд различных объектов.

Авторы ставили своей задачей в практикуме обратить особое внимание на разбор и освоение основных разделов генетики, без знания которых невозможно освоение курса на более высоком уровне.

При изучении каждого раздела необходимо выполнять все задания и для проверки усвоения материала ответить на контрольные вопросы.

Авторы надеются на то, что практикум поможет студентам в освоении программ курса генетики и будут благодарны за высказанные замечания и пожелания, которые будут учтены при переработке данного пособия.

4

РАЗДЕЛ 1

ЦИТОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Этот раздел генетики является основополагающим для понимания закономерностей наследственности и изменчивости и требует вспомнить знания биологических предметов (ботаники, зоологии и др.).

Необходимо рассмотреть схему строения клетки (рис. 1.1) как элементарной единицы живого и уточнить функции ее органоидов,

обратив внимание на то, что клетки разных тканей и организмов гомологичны по своему строению и что размножение клеток происходит путем деления. Индивидуальное развитие от одной клетки до многоклеточного организма с различными специализированными тканями и органами – это результат последовательного, избирательного включения в активное состояние разных генных участков хромосом в различных клетках. Таким образом, любая клетка многоклеточного организма тотипотентна, то есть обладает одинаковым полным фондом генетического материала, всеми возможными потенциями для проявления его свойств.

Но вследствие дифференцировки как результата избирательной

(дифференцированной) активности разных генов в клетках по мере развития многоклеточного организма, одни и те же гены в разных клетках могут находиться либо в активном, либо в репрессивном состоянии. То есть в процессе онтогенеза происходит специализация клеток и тканей.

При этом у животных организмов такая специализация часто необратима, а

у растений даже из отдельных клеток можно получить нормальные растения (вегетативное размножение).

У живых организмов существует два типа организации клеток:

прокариотическая (доядерная), такая, как у бактерий и сине-зеленых водорослей, которые обычно делятся бинарным образом, то есть простой перегородкой без участия специальных аппаратов деления; и

эукариотическая (собственно ядерная), у которых клеточное ядро отделено

5

от цитоплазмы ядерной оболочкой, и нормальным полноценным способом деления является митоз, при котором происходит образование специального аппарата клеточного деления – веретена. Благодаря веретену деления равномерно и точно по двум дочерним клеткам распределяются после деления центромеры 2 хроматиды одной хромосомы, и, таким образом, сохраняется постоянство числа хромосом (2n) и идентичность генетического материала (рис. 1.2).

При половом размножении жизнь нового организма начинается с одной диплоидной клетки (зиготы), образовавшейся после слияния двух гаплоидных клеток – женской половой гаметы (яйцеклетки) и мужской

(спермия у растений или сперматозоида у животных). После деления зиготы образуется клеточное потомство, которое многократно делится митозом – многоклеточный зародыш, из которого образуется многоклеточный организм. Клетки такого организма обладают разной способностью к делению.

Рис. 1.1. Строение животной (слева) и растительной (справа) клеток

(по М.Е. Лобашеву, 1969).

6

У растений наряду с интенсивно делящимися камбиальными и меристематическими клетками, дающими начало различным органам и тканям, имеются клетки, способные к возобновлению деления при регенерации (вегетативном размножении), а также клетки, потерявшие способность к делению.

При изучении клеточного цикла необходимо обратить особое внимание на изменения, происходящие в морфологии хромосом, а именно,

на разные уровни компактизации хроматина: нуклеосомный,

нуклеомерный, хромомерный, хроматидный.

Максимальная конденсация хроматина наблюдается в метафазе – начале анафазы митоза. Такое максимально конденсированное,

неактивное, транспортное состояние предназначено для того, чтобы во время клеточного деления перенести к полюсам клетки без нарушений огромные по длине молекулы ДНК.

Вметафазе изучают и описывают кариотип, то есть совокупность хромосом, специфичную для каждого вида, свойственную соматическим клеткам организма, а также их характеристику по числу, размерам и форме хромосом (рис. 1.3.).

Всоматических клетках число хромосом называют диплоидным,

обозначают 2n, так как после оплодотворения половина хромосом получена от материнской гаплоидной гаметы – яйцеклетки (n), а половина от отцовской гаметы (спермий у растений или сперматозоид у животных),

также гаплоидной (n).

Парные морфологически одинаковые хромосомы, полученные от материнского и отцовского организмов, называются гомологичными.

У раздельнополых организмов имеется пара гомологичных хромосом, различающихся по морфологии и генному набору – половые хромосомы, обозначенные X и Y. Все остальные морфологически одинаковые хромосомы называются аутосомы, они гомологичны.

8

У некоторых видов растений (рожь, кукуруза) и животных

(пресноводные тубелярии) имеются так называемые добавочные,

генетически малоактивные В-хромосомы.

Количество хромосом в наборе не связано с уровнем организации живых организмов (таб.1.1).

Таблица 1.1 Число хромосом у некоторых видов растений и животных

10