Законите на генетиката
Когато се разглеждат основните закони на генетиката, трябва да се отбележи, че те имат статистически характер, т.е. тези закони могат да бъдат открити при изучаване на много голям брой обекти. Така че, след като са изследвани 10 индивида от даден вид, е невъзможно да се открие един или друг закон - има твърде малко паралелни наблюдения. Колкото повече паралелни наблюдения се правят, толкова по-ясно и ярко ще се прояви този или онзи генетичен закон.
Преглед на законите на генетиката, открити от Г. Мендел
Използвайки хибридологичния метод на изследване, Г. Мендел открива законите на независимото наследяване на признаците. Тези закони са открити при изучаване на моделите на наследяване при грахови растения, като се използват монохибридни и дихибридни кръстоски.
1. Първият закон на Мендел - законът за еднаквост на всички индивиди от първо поколение за всеки тип кръстосване (както моно-, така и полихибридно кръстосване): за всяко кръстосване всички индивиди от първо поколение (F1) се характеризират с един и същ фенотип според кръстосания признак.
Този фенотип се определя или от доминантна черта, или се появяват междинни черти, или се появяват нови черти в резултат на генно взаимодействие. Така че, при кръстосване на грах с жълти и зелени семена в първото поколение, всички растения имат жълти семена (доминантно-рецесивно наследяване). При кръстосване на Violets Night Beauty с бели и червени цветя, всички растения от първо поколение имат розови цветя (междинно наследяване).
За кръстосване вземете хомозиготни организми. Например, майчиният организъм има гени за жълт цвят на семената (нека обозначим AA), а бащиният организъм има гени за зелен цвят на семената (нека означим aa). Тогава майчините гамети (яйца) съдържат един ген за жълтия цвят на семето (A) и бащините гамети (сперматози)- един ген за зеления цвят на семето (а). По време на оплождането се образува хетерозигота, съдържаща гените на алтернативните черти, обсъдени по-горе; отбелязани с Aa. Тъй като в този случай се наблюдава доминантно-рецесивен характер на наследяване на черти, всички индивиди от първо поколение (F1) имат жълти семена, т.е. те се характеризират със същия фенотип за тази черта.
В случай на еквивалентен характер на взаимодействието на гените се наблюдава междинен характер на наследяване. В този случай хетерозиготни организми (означени като A1A2) също възникват със същия фенотип за специфична черта. Така че, при кръстосване на Violets Night Beauty с бели и червени цветя във F1, всички растения имат розови цветя.
2. Вторият закон на Мендел - законът за разделяне на признаците (законът на монохибридното кръстосване) - понякога се нарича правило за разделяне на признаците. Този закон е валиден за монохибридно кръстосване и се проявява при кръстосване на различни индивиди, получени чрез монохибридно кръстосване във второ поколение (F2): при кръстосване на индивиди от първо поколение, получени след монохибридно кръстосване, потомството показва разделяне на признаците в определено количествено съотношение, което за доминантно-рецесивно унаследяване е 3:1, а за междинно унаследяване 1:2:1 (номер 2 означава, че хибридите принадлежат към индивиди с междинен белег).
1. Чрез кръстосване на грахови растения с гладки семена (F1, получени след кръстосване на растения с гладки и набръчкани семена), получаваме второ поколение (F2), докато 3/4 от потомството има гладки семена, а 1/4 са набръчкани.
Това явление може да се обясни по следния начин. Растенията от първо поколение са хетерозиготни (нека ги обозначим с Аа). Те произвеждат два вида гамети (да ги наречем A и a). Тези гаметихарактерни както за бащинските, така и за майчините организми. При осъществяване на процесите на оплождане са възможни четири комбинации (в тях на първо място е генът, получен от тялото на майката, ние ще го изберем): AA, Aa, aA и aa. Комбинацията АА съответства на хомозиготна доминантна черта (гладки семена); комбинации от Aa и aA съответстват на хетерозигота (гладки семена), а последната комбинация от aa е хомозиготна за рецесивен признак. Така във второто поколение възникват три различни генотипа за този признак и само два фенотипа отговарят на тях.
2. Чрез кръстосване на виолетови растения с розови цветя (F1) получаваме F2, при което 1/4 от потомството има бели цветя, 1/4 от потомството е червено, а половината от потомството (2/4) е розово. Обяснението за това явление е същото като в пример 1, но тук наблюдаваме разликата - три генотипа за този признак (A1A1, A1A2 и A2A1; A2A2) съответстват на три фенотипа (бели, розови и червени цветя).
3. Третият закон на Мендел е законът за полихибридното кръстосване или законът за независимото разделяне на признаците.
Този закон се проявява във второто поколение с дихибридно и полихибридно (три-, тетра- и др.) кръстосване: при кръстосване на индивиди от първо поколение, получени чрез кръстосване в дихибриден (полихибриден) тип, в потомството (във второто поколение) има разделяне на знаци (за доминантно-рецесивния характер на наследяването) в количествено отношение, изразено с формулата (3 + 1) n, където n \u003d 2, 3, 4 и т.н.
За цитологично обяснение е удобно да се използва решетката на Punnett. Нека анализираме информацията, дадена на фигурата. Първо бяха кръстосани растения от вида обикновен грах с жълти и гладки семена (ние обозначаваме гена за жълтия цвят на семената като А, а за гладката форма като В) с растения, които имаха зеленинабръчкани семена (нека означим гена за зеления цвят на семето като a, гена за набръчканата форма като b). Всички получени растения от първо поколение са хетерозиготни и имат жълти гладки семена (доминантно рецесивно унаследяване, при което гените за жълт цвят и гладка повърхност на семената доминират над гените за зелен цвят и набръчкана форма). Назовете закона в този случай.
След кръстосване на растения от първо поколение, те получиха F2 - второ поколение, в което наблюдаваме закона за независимо разделяне на признаците: 1/16 от всички растения имат зелени набръчкани семена, 3/16 са зелени и гладки; 3/16 са жълти и набръчкани, а останалите (9/16) са жълти и гладки. Следователно, по време на дихибридно кръстосване, четири фенотипа се появяват във F2 (според тези признаци).
При дихибридно кръстосване всяко растение образува четири вида гамети, а за двама родители тези гамети могат да дадат 16 комбинации. В резултат на това се оказва, че 1/16 от поколението е хомозиготно за рецесивни и същия брой за доминантни признаци, а всички останали индивиди са хетерозиготни за поне един признак; абсолютно хетерозиготни (по два признака) само 4/16 от поколението.
Изчислението показва, че четирите фенотипа при дихибридно кръстосване съответстват на девет фенотипа (направете това изчисление сами).
Трябва да се отбележи, че третият закон на Мендел е валиден, ако гените, отговорни за тези черти, са в различни двойки хромозоми; по този начин генът за цвета на семената се намира в едната двойка хомоложни хромозоми, а генът, който определя формата на семената, е в другата.
Вероятно има случаи, когато гените, отговорни за определени черти, се съдържат в една двойка хромозоми. За такива вариации законите на Мендел (с изключение на първия) не са приложими. Тези случаиспазвайте закона на Морган.
Закон на Морган - закон за свързаното унаследяване на белези
Редица организми имат малък брой хромозоми; следователно много гени, които определят различни групи алтернативни признаци, се намират в една хомоложна двойка хромозоми, т. са свързани и се предават на потомството заедно. И така, в плодовата муха Drosophila генът, който определя дължината на крилата, и генът, отговорен за цвета на тялото, са разположени на хомоложни хромозоми.
Дихибридното кръстосване, извършено според тези признаци във второто поколение, няма да даде независимо разделяне на признаците, тоест няма да съответства на третия закон на Мендел. Това явление е открито от Т. Морган и го формулира под формата на закона за свързаното наследство:
При дихибридно кръстосване на организми, в които гените са разположени в една двойка хомоложни хромозоми, във второто поколение се наблюдава разделяне на знаците не според третия, а според втория закон на Мендел.
Чрез кръстосване на плодови мухи с тъмен цвят на тялото и нормални крила (доминантни белези) с мухи с къси крила и сиво тяло (рецесивни белези) се получава хетерозиготно поколение (F1) с тъмни тела и нормални крила.
При кръстосване на индивиди от първо поколение са получени организми, при които 1/4 от поколението има скъсени крила и сиво тяло, а 1/3 от поколението има нормални крила и тъмно тяло. Това се дължи на факта, че гените за цвета на тялото и дължината на крилата са разположени в една двойка хомоложни хромозоми, т.е. те са свързани. Въпреки това сред индивидите F2 са наблюдавани както насекоми с тъмно тяло и скъсени крила, така и индивиди със сиво тяло и нормални крила. Това се дължи на кросинговъра, при който хромозомите обменят сегменти в резултат на конюгация и кръстосване.хомоложни хромозоми. Но тези явления са случайни и не се подчиняват на математически закони.
Закон за хомоложните серии на наследствената изменчивост
В процеса на изучаване на моделите на наследяване на мутационна (наследствена) променливост Н. И. Вавилов откри закон, известен в науката като закон на хомоложните серии на наследствената променливост, който беше формулиран, както следва:
Ако видовете и родовете са генотипно свързани помежду си чрез единство на произхода, тогава те образуват серии от форми на организми, сходни по своите характеристики, т.е. хомоложни серии.
И така, пшеницата, ръжта, ечемикът са филогенетично близки видове - родове от класа на едносемеделните покритосеменни растения. Те са зърнени храни. В природата бодливите форми на зърнени култури са често срещани, тъй като бодливостта е форма на адаптация на житните растения срещу изяждане от животни. За практически нужди човекът е развил безостни форми, които са по-удобни за стопанска дейност от шиповидните. В процеса на разработване на безостни сортове зърнени култури, всички тези три вида, принадлежащи към различни родове, преминаха през едни и същи етапи на "изкуствена еволюция", давайки подобни междинни форми:
остисти форми → ниско остисти форми → безостни форми.
Тези форми са характерни и за пшеницата, и за ръжта, и за ечемика.
Хомоложните серии са известни не само за зърнени култури, но и за други растения.
Анализиращ кръст
Както е показано по-горе, за да се идентифицират модели на наследяване на черти, е необходимо хомозиготните индивиди да бъдат подложени на първично кръстосване. Въпреки това, фенотипът за този признак не винаги е знак за хомозиготността на даден организъм, например грахът с жълти семена може да бъде или хомозиготен (АА) за доминиращ признак, илихетерозиготни (Аа). Следователно е необходим метод за откриване на хомозиготност, който е анализиращо кръстосване.
За анализните кръстоски се използват организми с рецесивен алтернативен признак и тези организми се кръстосват с организми, чиято хомозиготност трябва да се определи. Ако в първото поколение няма разделяне на признаци, тогава тези организми са хомозиготни за доминантния признак, в противен случай (в това поколение ще се появят организми с рецесивни признаци), изследваните организми са хетерозиготни.
Помислете за пример. При кръстосване на морски свинчета с къса коса (рецесивен признак) (aa е обозначението на родителския организъм, който дава гамети a) с прасета с дълга коса (доминантна черта), в първото поколение се получава потомство с дълга коса. Заключение - дългокосместите прасета са хомозиготни (AA - обозначението на родителския организъм, който произвежда гамети A), тъй като зиготата от първото поколение ще съответства на обозначението Aa. Случаят, когато дългокосместите прасета са били хетерозиготни, характеризирайте себе си. Също така отговорете на въпроса: възможно ли е да се използват хомозиготни организми с доминантни белези за анализиране на кръстоски и защо? Докажете отговора си, като използвате цитологични изображения.
Генно взаимодействие
При изучаване на моделите на наследяване на черти е необходимо да се вземе предвид естеството на въздействието на някои гени върху други. В предишните подраздели беше показано, че алелните гени имат определено влияние един върху друг, при което се наблюдава или доминантно-рецесивен характер на взаимодействието, или когато алелните гени действат един върху друг, възниква нов признак, междинен между оригиналните признаци - когатосъщото въздействие на гените един върху друг.
В генетичните изследвания беше установено, че неалелните гени също могат да взаимодействат помежду си и когато взаимодействат, в тялото се появяват нови признаци, т.е. възниква нов фенотип. Така че, при кръстосване на пилета с розови и орехови гребени, те получиха първото потомство на пилета с граховидни гребени. Кръстосването на индивиди един с друг доведе до разделяне на признаците не според втория закон на Мендел (както се предполагаше, тъй като външното кръстосване беше монохибридно), а според третия закон - закона за независимо разделяне на признаците.
Установено е, че 1/16 от потомството е с прост гребен, 3/16 с форма на роза, 3/16 с форма на орех, а останалите (9/16) с форма на грах. Следователно розовите и ореховите форми на гребена не се определят от един ген, а са резултат от взаимодействието на два неалелни гена, тъй като естеството на разделянето на знаците съответства на дихибридно кръстосване.
Множествено действие на гените
Генетиците са открили, че един ген може или да повлияе на една специфична черта, или да повлияе на няколко черти, т.е. има множество действия. По този начин вододелът има ген за цвят на цветя, докато генът за червен цвят влияе на цвета на листата (вододелът с червени цветя има лилави листа). В допълнение, този ген влияе върху дължината на стъблото и теглото на семената - стъблото е по-дълго в зоната на събиране с червени цветя, а семената имат по-голяма маса от семената в зоната на събиране с различен цвят на цветята.
Мухата Drosophila има ген, който определя цвета на очите. Ако Drosophila съдържа ген, който причинява липсата на пигмент в окото, тогава тези мухи имат ниска плодовитост, по-кратък живот и специфично оцветяване на вътрешнитеоргани.