Практикум по генетике
.pdfРис. 4.1 Наследование признаков окраски тела и длины крыльев у дрозофилы при а) полном сцеплении; б) при неполном сцеплении. b+ - серое тело, b – черное тело, vg+ - длинные крылья, vg – зачаточные крылья.
121
В скрещивании гетерозиготной самки дрозофилы с гомозиготным по генам b и v (окраска тела и длина крыльев) самцом, вместо расщепления
1:1 (при полном сцеплении) имело место расщепление 41,5 % черных длиннокрылых, 41,5% серых бескрылых ( 83%), 8,5 % черных бескрылых и 8,5% серых длиннокрылых ( 17%) (рис. 4.1). Нарушение сцепления в
17% случаев Морган объяснил обменом гомологичными участками между гомологичными хромосомами (кроссинговером), который можно представить следующей схемой:
В результате такого обмена образуются кроссоверные хромосомы
(Ab и aB), которые дают кроссоверные гаметы (Ab и aB). На первых порах эту гипотезу встретили весьма критически, однако довольно скоро бельгийский цитолог Янссенс описал явление, подтвердившее теорию Моргана. Он наблюдал, что хромосомы в профазе мейоза образуют пары
(конъюгируют), в некоторых точках непосредственно соприкасаются и перекрещиваются друг с другом. По мнению Моргана, именно в этих точках контакта (хиазмах) и происходит обмен участками хромосом.
Итак, кроссинговер происходит в профазе мейоза между хроматидами гомологичных хромосом.
Частоту кроссинговера определяют по формуле:
rf |
число кроссоверов |
100 |
% |
общее число особей от анализирующего скрещивания |
Гомологичные хромосомы могут претерпевать перекрест в
нескольких местах. В соответствии с этим кроссинговер может быть
122
одинарным, двойным, тройным и множественным. Перекрест обозначается вертикальной чертой; например А В, двойной А В С. Ниже приведены схемы одинарного и двойного перекреста у AaBbCc (рис. 4.2).
1) Без перекреста |
2) А В |
3) В С |
4) А В С |
|
|
|
|
Гаметы АВС |
Abc |
ABc |
AbC |
abc |
aBC |
abC |
aBc |
Рисунок 4.2. Одинарный и двойной перекрест.
Частота некроссоверных хромосом и некроссоверных гамет всегда самая большая. Частота двойных кроссоверов – самая маленькая. Морган предложил использовать частоту кроссинговера как показатель относительного расстояния между генами. Единицей этого расстояния является 1% кроссинговера. В честь Моргана еѐ назвали сМ (сантиморган).
Если принять расстояние между генами АВ=15%, ВС=10%, то вероятность двойного перекреста равна произведению вероятностей одинарных, т.е.
123
15% х 10% = 1,5%. Это теоретически, а фактически двойной перекрест бывает меньше из-за явления, названного интерференцией (I). Это подавление перекреста в одной точке, перекрестом в соседней, в результате чего двойной перекрест происходит реже, чем ожидается теоретически. I = 1-C, где С (коинциденция) означает отношение фактического двойного перекреста к теоретически ожидаемому (формула №1).
C rf фактическая (двойных перекрестов) rf теоретическая (двойных перекрестов)
Если гены расположены близко, например 10%, то интерференция полная, равна 1, так как двойной перекрест не происходит совсем (С = 0). Если гены расположены сравнительно далеко, то I = 1 0.
При одинарном перекресте частота обменов всегда меньше 50%. Если она 50% значит, гены свободно комбинируются. Они или находятся в разных хромосомах (тогда 50%) или в одной, но на большом расстоянии друг от друга (это явление называется синтения) и сцепление между ними обнаруживается благодаря промежуточным генам. Ниже приводится схема, иллюстрирующая частоту перекреста между двумя генами (А В)
при участии 2х, 3х, четырех хроматид. Каждая хроматида может образовывать хиазмы с любой из хроматид гомологичной хромосомы, но в одном сечении бивалента может быть только один обмен (рис. 4.3).
Как видно из схемы, даже если учесть все варианты обмена, частота перекреста равна 50%, но он происходит не во всех клетках, так что фактически она меньше 50%.
Идею о линейном расположении генов в хромосоме Морган выдвинул на основании результатов анализирующего скрещивания по трем парам генов у мушки дрозофилы.
Так, rf по А В = 1,2%
В С = 3,5%
А С = 4,7%
124
Если обозначить гены точкой, то все они находятся на одной прямой, то есть, расположены линейно Ао_______Во____________оС.
Это подтверждают и опыты на других объектах. Так, например, у
кукурузы C/sh = 3%, sh/bz = 2%, C/bz = 5% (C – окраска алейрона, sh –
консистенция эндосперма, bz – бронзовые листья). Гены расположены линейно Cо_______shо_________оbz . Все это обеспечивается формулой: A B = B
C ± A C.
В результате определения частоты перекреста между различными генами и открывшимися в связи с этим возможностями их взаимного расположения Морган и его ученики создали первую генетическую карту дрозофилы. Генетическая (или хромосомная) карта – это графическое изображение порядка расположения генов в каждой хромосоме.
Одна условная единица расстояния между генами на карте равна 1%
кроссинговера. На карте указывают: номер хромосомы (группы сцепления), место центромеры, положение каждого гена с указанием расстояния до него от нулевой точки (начало хромосомы) и полные или сокращенные названия генов. Так, например, у дрозофилы группа сцепления Х хромосомы обозначена, как I, две группы сцепления,
соответствующие двум длинным метацентрическим хромосомам – II и III и
наименьшая –IV (рис 4.4).
Для того чтобы составить генетические карты необходимо изучить закономерность наследования большого числа генов. У дрозофилы изучено около 500 генов (Морган), у кукурузы – 400. Это колоссальный труд многих ученых. Поэтому они составлены пока лишь для некоторых наиболее изученных с генетической точки зрения объектов: дрозофилы,
кукурузы, томатов (~800 генов), мыши, кишечной палочки, пшеницы,
гороха, риса и других. Какие цели преследуют ученые в этом вопросе?
Охватить различные таксономические группы, модельные объекты,
вредителей (насекомые, микроорганизмы), объекты селекционной деятельности.
125
Итого: 50% кросс. : 50%
Рис. 4.3 Рекомбинация при участии двух, трех, четырех хроматид
(С.В. Иванова, 2006).
Значение генетических карт очень велико. Они дают представление о том, какие гены наследуются независимо друг от друга и какие сцепленно,
и как часто между ними происходит кроссинговер. Все это позволяет предвидеть характер наследования отдельных признаков и облегчает подбор пар для скрещивания в селекционной работе.
Основные положения хромосомной теории (по Гуляеву Г.В.)
1.Гены находятся в хромосомах, расположены линейно и образуют группы сцепления, число которых равно числу пар хромосом.
2.Гены, локализованные в одной хромосоме, наследуются сцепленно. Сила сцепления зависит от расстояния между генами.
3.Между гомологичными хромосомами возможен перекрест, в
результате которого происходит рекомбинация генов, являющаяся важным источником новых форм для естественного и искусственного отбора.
126
4. Сцепление генов и перекрест – закономерные биологические
явления.
Рис. 4.4 Генетические карты (группы сцепления) дрозофилы. Номера групп сцепления обозначены римскими цифрами (I-IV). Цифры на генетических картах обозначают локусы генов, или расстояние между генами и одним из концов хромосом (в процентах кроссинговера). Внизу слева – метафазная пластинка хромосом дрозофилы. Номера хромосом соответствуют номерам групп сцепления. Буквы справа от названия гена обозначают признак, затрагиваемый данным геном: В – тело; Е – глаза; W
– крылья; Н – щетинки (Ватти К.В. и Тихомирова М.М., 1972)
127
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Что входит в понятие «сцепленное наследование» и «группы сцепления»? От чего зависит число групп сцепления?
2.В чем суть работ Моргана и Гетчинсона по изучению наследования сцепленных признаков у дрозофилы и кукурузы?
3.Раскройте понятие «перекрест хромосом или кроссинговер», и какие его типы вы знаете?
4.Как рассчитывается частота перекреста и в каких единицах она выражается?
5.Приведите доказательства кроссинговера (генетические и цитологические).
6.Какие факты свидетельствуют о линейном расположении генов в хромосоме?
7.Что означает цис - и транс – положение генов?
8.Какое явление контролирует интерференция? Как рассчитывается коэффициент совпадения (С)?
9.Перечислите факторы внешней и внутренней среды, влияющие на кроссинговер.
10.В чем состоит генетическое и эволюционное значение кроссинговера?
11.Что представляют собой генетические карты хромосом эукариот, как их можно использовать?
12.Сформулируйте основные положения хромосомной теории Моргана.
Задачи с решением
При изучении сцепленного наследования для определения расстояния между генами предпочтительно использовать анализирующее скрещивание, при котором сразу и легко выделяются кроссоверные
(рекомбинантные) классы. По их доле можно вычислить процент
128
кроссинговера и выявить различия в частоте рекомбинаций у особей разного пола (если они есть) по результатам реципрокных скрещиваний, используя гетерозиготных особей либо в качестве женского, либо в
качестве мужского родителя. |
|
|
||||
|
|
Дигетерозиготу АаВb можно представить в хромосомной форме |
||||
|
AB |
или |
Ab |
при сцеплении генов (гены А и В в одной паре), причем |
AB |
|
|
|
|
|
|
||
|
ab |
|
aB |
ab |
называется цис–положение, aBAb - транс–положение.
При полном сцеплении особь, гетерозиготная по всем рассматриваемым признакам, образует два типа гамет, при неполном сцеплении происходит образование кросоверных и некросоверных гамет, при этом:
1.Количество некроссоверных гамет всегда больше, чем кроссоверных.
2.В пределах кроссоверов образуется два равных по численности класса по каждому перекресту.
3.Вероятность объединения генов разных групп сцепления в каждой гамете равна произведению вероятностей каждого гена, образующего эту гамету.
4.Вероятность объединения разных типов гамет в зиготе равна произведению частот этих гамет.
5.Если известно количество кроссоверных особей, то процент кроссинговера между генами вычисляется по формуле № 2:
rf a b 100 % n
где а, b - кроссоверы, n - общее количество особей от анализирующего скрещивания.
Если известно расстояние между генами (в % перекреста или сМ), то
количество кроссоверных гамет определенного типа, можно вычислить по
формуле № 3
129
n % кроссинг овера (расстояние между г енами)
2
Задача 1. Скрещиваются два растения кукурузы. Одно имеет окрашенный
алейрон и гладкий (без вмятин) эндосперм, другое – неокрашенный
алейрон и зерно с вмятиной.
ВF1 все растения имели семена с окрашенным гладким эндоспермом.
ВFа получилось расщепление:
окрашенных гладких семян |
4152 |
неокрашенных с вмятиной семян |
4166 |
окрашенных с вмятиной семян |
149 |
неокрашенных гладких семян |
152 |
Провести генетический анализ, то есть, определить, какие признаки доминантные, какие рецессивные, где находятся гены: в одной паре хромосом или разных, если в одной, то, на каком расстоянии друг от друга,
дать схему скрещивания.
Решение:
В данной задаче рассматривается наследование двух пар признаков.
Поскольку все первое поколение единообразно, можно предположить, что родительские формы были гомозиготны, а проявление признаков окрашенного и гладкого эндосперма свидетельствует с большой вероятностью об их доминантности.
В Fa получилось четыре фенотипа, но их численность разная, не входит в рамки менделевского расщепления 1:1:1:1, которое определяется свободным комбинированием генов, находящихся в разных парах хромосом.
По-видимому, гены С и Sh (обозначим их так), находятся в одной паре хромосом, т.е. сцеплены, тогда схема скрещиваний и результаты расщепления можно представить следующим образом
130