Практикум по генетике
.pdfПодсолнечник Helianthus annuus |
34 |
|
|
Соя Glycine hispida |
38 |
|
|
Арахис Arachis hypogaea |
40 |
|
|
Кунжут Sesamum indicum |
26 |
|
|
Горчица белая Sinapis alba |
24 |
|
|
Лен-долгунец Linum usitatissimum |
32 |
|
|
Конопля Cannabis sativa |
20 |
|
|
Хлопчатник травянистый (гуза) Gossypium herbaceum |
26 |
|
|
Хлопчатник обыкновенный Gossypium hirsutum |
52 |
|
|
Хлопчатник перувианский Gossypium barbadense |
52 |
|
|
Сахарная свекла Beta vulgaris |
18 |
|
|
Картофель культурный Solanum tuberosum |
48 |
|
|
Табак Nicotiana tabacum |
48 |
|
|
Земляная груша (топинамбур) Helianthus tuberosus |
102 |
|
|
Клевер красный Trifolium pratense |
14 |
|
|
Клевер ползучий Trifolium repens |
32 |
|
|
Люцерна посевная Medicago sativa |
32 |
|
|
Люпин желтый Lupinus luteus |
52 |
|
|
Люпин узколистный Lupinus angustifolius |
40 |
|
|
Тимофеевка луговая Phleum pratense |
42 |
|
|
Овсяница луговая Festuca pratensis |
14 |
|
|
Овощные культуры |
|
|
|
Томат Lycopersicon esculentum |
24 |
|
|
Перец красный Capsicum annum |
24 |
|
|
Огурец Cucumis sativus |
14 |
|
|
Тыква гигантская Cucurbita maxima |
48 |
|
|
Арбуз столовый Citrullus vulgaris |
22 |
|
|
Репа, турнепс Brassica campestris |
20 |
|
|
Капуста кочанная Brassica oleracea var. capitata |
18 |
|
|
11
Редька культурная Raphanus sativus |
18 |
|
|
Свекла обыкновенная Beta vulgaris |
18 |
|
|
Лук репчатый Allium cepa |
16 |
|
|
Плодовые культуры |
|
|
|
Яблоня домашняя Malus domestica |
34 |
|
|
Груша обыкновенная Pirus communis |
34 |
|
|
Абрикос Armeniaca vulgaris |
16 |
|
|
Вишня обыкновенная Cerasus vulgaris |
32 |
|
|
Слива домашняя Prunus domestica |
48 |
|
|
Персик Persica vulgaris |
16 |
|
|
Земляника лесная Fragaria vesca |
14 |
|
|
Земляника садовая Fragaria grandiflora |
56 |
|
|
Клубника Fragaria moschata |
42 |
|
|
Малина обыкновенная Rubus idaeus |
14 |
|
|
Крыжовник Grossularia reclinata |
16 |
|
|
Смородина красная Ribes rubrum |
16 |
|
|
Смородина черная Ribes nigrum |
16 |
|
|
Животные |
|
|
|
Голубь Columbia livic |
80 |
|
|
Коза домашняя Capra hircus |
60 |
|
|
Комар-пискун Culex pipiens |
6 |
|
|
Кошка домашняя Felis catus |
38 |
|
|
Кролик Lepus cuniculus |
44 |
|
|
Крупный рогатый скот Bos tauris |
60 |
|
|
Куры домашние Yallus gallus |
78 |
|
|
Крыса серая Ratus norvegicus |
42 |
|
|
Лошадь Equus caballus |
66 |
|
|
Муха домашняя Musca domestica |
12 |
|
|
Муха плодовая Drosophila melanogaster |
8 |
|
|
12
Мышь домашняя Mus musculus |
40 |
|
|
Окунь Perca fluviatilis |
28 |
|
|
Рак речной Astacus fluviatilis |
116 |
|
|
Сазан Cyprinus carpio |
104 |
|
|
Собака домашняя Canis familiaris |
78 |
|
|
Таракан Blatta orientalis |
48 |
|
|
Шимпанзе Anthropopithecus pan |
48 |
|
|
Человек Homo sapiens |
46 |
|
|
В интерфазе хромосомы находятся в деконденсированном состоянии, при котором их линейная длина увеличивается в десятки и сотни раз. Это метаболически активное состояние, связанное с синтезом ДНК и РНК. Для примера, молекула ДНК, содержащаяся в 46 хромосомах одной клетки человека, имеет общую длину около 2 м. Это в среднем в миллион раз больше, чем диаметр клеточного ядра, составляющий около 1
микрометра.
Митоз является частью клеточного цикла, включающего, кроме собственно деления, и периоды интерфазы: G1 – пресинтетический,
S-период – синтетический, G2 – постсинтетический (рис. 1.4).
В дополнение к схеме клеточного цикла, приведенной в учебниках,
рассмотрите схему жизненного цикла соматических клеток высших организмов, описанную Епифановой О.И. (1997) на рис. 1.5.
Эта схема отражает чередование периодов активной пролиферации
(G1, G2, S, M-митоз) и состояний пролиферативного покоя, то есть особого физиологического состояния клетки, в котором она может оставаться в течение длительного времени без деления, но, полностью сохраняя жизнеспособность и возможность возвращения в цикл после митогенного стимула (действия эндогенных и экзогенных факторов) до определенного возрастного предела в жизни клетки, после чего она может еще какое-то время функционировать, но обречена на гибель (апоптоз).
13
Апоптоз – запрограммированная гибель клеток. Такая гибель клеток в ряде случаев является необходимым условием жизни целого организма,
например, в случае поражения отдельных клеток вирусами, бактериями,
повреждений ДНК, опухолей клеток и других дефектов. Апоптоз имеет важное значение для поддержания соотношения и постоянства числа клеток разных типов для различных органов.
При апоптозе происходит фрагментация клетки с образованием апоптических мембранных телец, ядерная и цитоплазматическая конденсация и эндолитическое расщепление ДНК до небольших олигонуклеотидных фрагментов. Клетка или фрагменты клеток фагоцитируются макрофагами.
Рис. 1.4. Соотношение цикла синтеза ДНК и клеточного деления (по М.Е. Лобашеву, 1969).
G1 – пресинтетическая фаза, S – фаза синтеза, G2 – постсинтетическая фаза,
M – деление клетки.
14
Рис. 1.5. Схема жизненного цикла соматических клеток высших организмов, включающего в себя следующие события: митотический
(клеточный цикл), период покоя, состояние специфического функционирования и гибель клетки. G1 - пресинтетический период, S –
синтетический, G2 - постсинтетический период, R1 и R2 – состояния пролиферативного покоя. 2с – количество ДНК после митоза в монохроматидной хромосоме, 4с – удвоенное количество ДНК (по О.И.
Епифановой. 1997).
Клетки могут переходить в состояние покоя как после митоза (то есть хромосомы монохроматидные 2n=2c). Так и по завершении синтеза ДНК (хромосомы дихроматидные 2n=4c).
Таким образом, митоз является основным типом деления клеток. Его биологическое и генетическое значение состоит в размножении клеток при сохранении всей наследственной информации, поскольку в процессе разделения хромосом на хроматиды в анафазе сохраняется весь набор генов от первой клетки организма – зиготы.
Кроме митоза в клетках некоторых органов растений и животных встречаются и другие типы деления: амитоз, эндомитоз и политения.
Амитоз, или прямое деление клетки путем образования перетяжки,
приводит к неравномерному распределению ДНК и цитоплазмы и образованию неравноценных клеток. При эндомитозе не формируется веретено деления и сохраняется ядерная оболочка, вследствие чего
15
образуются полиплоидные клетки с увеличенным числом хромосом.
Политения рассматривается как частный случай эндомитоза, поскольку после многократной репликации ДНК все хроматиновые нити (хроматиды)
плотно прилегают друг к другу и соединены общей центромерой, образуя гигантские политенные хромосомы.
Мейоз. Этот тип деления происходит в спорогенных тканях
(археспориальных, материнских клетках) – в микроспороцитах пыльников и макроспороцитах семяпочки (рис. 1.6). В результате мейоза образуются гаплоидные (n) клетки, то есть с половинным от диплоидного спорофита числом хромосом (гаметофит в жизненном цикле растения). Набор генов в хромосоме и сочетание бывших материнских и отцовских хромосом не будут идентичными по сравнению с исходной материнской клеткой вследствие обмена гомологичными участками хромосом (кроссинговера) в
профазе I и случайного сочетания хромосом в анафазе I.
Мейоз состоит из двух делений: I – редукционного и II –
эквационного. После редукционного деления образуется диада гаплоидных спор. Гаплоидное, то есть половинное число хромосом образуется в результате того, что в анафазе I происходит разделение каждого бивалента
(то есть двух дихроматидных хромосом) на 2 отдельные хромосомы, к
полюсам клетки отходят дихроматидные хромосомы, центромеры хромосом не делятся. Например, в клетках озимой ржи диплоидное число хромосом равно 14. В зиготене после коньюгации гомологичных хромосом образуются 7 бивалентов. Эти 7 бивалентов в анафазе I разделяются, и
каждому полюсу уходит по 7 дихроматидных хромосом. При этом возможны любые сочетания хромосом от бивалентов у полюсов клетки.
Поскольку в паре гомологичных хромосом одна от материнской гаметы,
другая – от отцовской, то, как крайний вариант, все бывшие материнские хромосомы могут отойти к одному полюсу, а отцовские – к другому, а
могут возникнуть любые их сочетания. В случае с озимой рожью, у
16
которой 2n=14 (7 бивалентов) число возможных комбинаций 27, то есть по общей формуле число сочетаний равно 2n.
Рис. 1.6. Схема мейоза у покрытосеменных растений (по А.И.
Атабековой, 1971). 1 – интерфаза; 2-5 – профаза (2 – лептонема. 3 –
зигонема, 4 – пахитена, 5 - диакинез); 6 – метафаза I; 7 – анафаза I; 8 –
интеркинез; 9 – метафаза II; 10 – анафаза II; 11 – телофаза II; 12 –
образование тетрады микроспор.
Кроме того, надо помнить о кроссинговере - обмене гомологичными участками хроматид в профазе I, в результате которого происходит
17
рекомбинация сцепленных генов, локализованных в одной хромосоме, то есть образование новых сочетаний генов в сестринских хроматидах.
Это явление более подробно будет рассмотрено в разделе
«хромосомная теория наследственности», но здесь для более полного понимания последствий кроссинговера рассмотрим небольшой пример:
если в паре гомологичных хромосом локализованы гены A B C , a b c
то есть в одной хромосоме – все доминантные гены, в другой -
рецессивные, то при расхождении такого бивалента без кроссинговера к полюсам клетки отойдут хромосомы с генами ABC и abc. Если же произойдет кроссинговер между A/b, образуется новое сочетание – Abc и aBC; между B/c – ABc и abC; двойной кроссинговер – AbC и aBc.
Таким образом, кроссинговер приводит к перекомбинации генетического материала, то есть к новому сочетанию аллелей.
Перекомбинация генов и различные сочетания хромосом и являются основой комбинативной изменчивости.
Второе, эквационное, деление (мейоз II) проходит аналогично митозу и приводит к образованию тетрады гаплоидных спор (рис. 1.7, 1.8).
После микроспорогенеза каждая из четырех микроспор вступает в процесс микрогаметогенеза, то есть из каждой микроспоры образуется пыльцевое зерно, в котором после первого митоза образуются вегетативная и генеративная клетки. У одних культур генеративная клетка делится митозом на 2 спермия еще в пыльцевом зерне, у других – при прорастании в пыльцевой трубке.
Таким образом, если проследить весь путь от начала делений материнской клетки микроспор до формирования мужских гамет – спермиев, можно отметить, что из одной материнской клетки
(микроспороцита) формируются 8 спермиев.
Из макроспороцита семяпочки после мейоза также образуется тетрада макроспор, но у большинства растений дальнейшее развитие и
18
превращение в зародышевый мешок претерпевает только одна
макроспора, три остальные – дегенерируют (рис. 1.8), после трех митотических делений образуется восьмиядерный зародышевый мешок с одной яйцеклеткой. Следовательно, из одной клетки макроспороцита образуется одна женская гамета.
При половом размножении в жизненном цикле высших растений и животных преобладает диплоидная стадия (спорофит), гаплоидное состояние (гаметофит) свойственно только половым клеткам.
После прорастания пыльцы на рыльце пестика происходит процесс двойного оплодотворения (рис. 1.9), в результате которого образуется диплоидная зигота (яйцеклетка + спермий), из которой будет развиваться зародыш семени, и триплоидная клетка (диплоидное центральное ядро +
спермий), из которой будет развиваться триплоидный эндосперм (рис.
1.10).
Двойное оплодотворение у растений (амфимиксис) приводит к восстановлению диплоидного состояния спорофита с новым сочетанием генов и хромосом у гибридного организма.
У некоторых видов растений описаны случаи развития зародыша без оплодотворения – апомиксис (партеногенез, апогамия, апоспория,
адвентивная эмбриония).
19
Рис. 1.7. Типы развития тетрад микроспор у покрытосеменных растений (по Е.И. Устиновой, 1970). А – сукцессивный
(последовательный), Б – промежуточный тип, В – симультанный
(одновременный) тип; 1 – профаза I, 3 – метафаза II, 4 – телофаза II, 5 –
тетрада микроспор.
20