Практикум по генетике

Подсолнечник 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