Основы генетики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «ГАУ Северного Зауралья»

Агрономический институт

Контрольная работа

На тему: «Основы генетики»

Тюмень

2015

Содержание

1. Передача наследственной информации при половом размножении

2. Сцепленное наследование, его специфика и особенности расщепления в потомстве

3. Гетерозис. Генетические представления о гетерозисе. Теории гетерозиса. Практическое использование гетерозиса

4. Задачи

Список использованной литературы

1. Передача наследственной информации при половом размножении

Наследственность - это присущее всем организмам свойство обеспечивать в ряду поколений преемственность признаков и особенностей развития, то есть морфологической, физиологической и биохимической организации живых существ и характера их индивидуального развития (онтогенеза). Процессы расщепления и рекомбинации генов осуществляются благодаря половому размножению, когда любое наследственное изменение может распространиться на всю популяцию данного вида. Половое размножение объединяет генетический материал двух особей, что ускоряет процесс эволюции. При половом размножении в результате слияния раздельных наследственных факторов возникает защита от действия вредных мутаций.

Передача наследственной информации при половом размножении происходит в результате мейоза, или редукционного деления (рис. 1).

Рис.1. Схема мейоза

Так как при оплодотворении объединяются материнский и отцовский наборы хромосом, уменьшение их числа вдвое при образовании гамет биологически необходимо. Этот процесс осуществляется во время мейоза. Мейоз состоит из двух быстро следующих друг за другом делений клеток. Одно из них редукционное (первое мейотическое деление), при котором число хромосом уменьшается в 2 раза; второе - эквационное (второе мейотическое деление), протекающее так же, как и митоз. Каждое из этих делений состоит из 4х фаз: профазы, метафазы, анафазы, телофазы.

Наиболее сложно протекает профаза первого деления. Она делится на пять последовательных стадий: лептонему, зигонему, пахинему, диплонему и диакинез.

В лептонеме размер ядра увеличивается, хромосомы имеют вид длинных тонких деспирализированных нитей, каждая из которых состоит из двух хроматид. В стадии зигонемы наблюдается конъюгация хромосом, состоящая в том, что парные (гомологичные) хромосомы сближаются и по всей длине соприкасаются участками друг с другом. Конъюгация хромосом контролируется генетической системой, усиливающей или ослабляющей спаривание. В стадии пахинемы конъюгирующие хромосомы образуют сдвоенные пары - биваленты. Каждый бивалент состоит из четырех хроматид. Во время диплонемы хроматиды в спаренных гомологичных хромосомах начинают расходиться. В это время хорошо наблюдается перекрест парных хромосом, во время которого происходит обмен их гомологичными участками (кроссинговер). В диакинезе хромосомы благодаря спирализации утолщаютя и укорачиваются, разрушается оболочка ядра, и наступает вторая стадия первого деления - метафаза, когда спаренные хромосомы, состоящие из четырех хроматид, располагаются в плоскости экватора веретена деления.

В анафазе спаренные гомологичные хромосомы, каждая из которых состоит из двух тесно связанных между собой хроматид, расходятся. Такие хромосомы называют диадами. К каждому полюсу отходит одна из хромосом каждой пары. Следовательно, в каждую вновь образовавшуюся клетку попадает половина хромосом материнской клетки, то есть происходит редукция (уменьшение) числа хромосом.

Распределение хромосом по дочерним клеткам при редукционном делении случайное: из каждой пары гомологичных хромосом любая может попасть либо в одну, либо в другую клетку.

Сразу же после первого деления и короткой телофазы наступает интерфаза. В неё хромосомы уже вступают удвоенными. Удвоение (редупликация) произошло ещё перед первым делением (в интерфазе, предшествовавшей профазе первого деления). Вслед за этим наступает второе деление мейоза. Оно проходит по типу митоза, повторяя все его фазы.

При оплодотворении гаметы, имеющие гаплоидный набор хромосом, сливаются и образуется зигота, которая уже имеет диплоидный набор хромосом, свойственный особям данного вида. В конце мейоза образовавшаяся клетка имеет опять гаплоидный набор хромосом, при этом имеет новое сочетание генов по сравнению с гаметами, давшими начало данному организму. Возможность перекомбинации генов в образующихся гаметах практически бесконечна благодаря кроссинговеру (перекресту хромосом).

Таким образом, две парные хромосомы в результате перекреста и последующего разрыва обмениваются гомологичными участками. И гены, которые были в одной хромосоме, оказываются в разных хромосомах и попадают в разные гаметы, соответственно новая особь имеет отличный от родительской особи набор генов, то есть наследственной информации.

Гомологичные хромосомы (парные, гены которых в соответствующих (идентичных) локусах представляют собой аллельные гены -- аллели, то есть кодируют одни и те же белки или РНК) могут претерпевать скручивание и перекрест в нескольких местах. Чем в большем числе точек происходит кроссинговер, тем сильнее возрастает рекомбинация генов.

Из этого следует, что мейоз является механизмом, поддерживающим видовое постоянство числа хромосом; обеспечивает генетическую разнородность гамет благодаря случайной перекомбинации материнских и отцовских хромосом; вызывает образование хромосом нового генетического состава благодаря обмену участками гомологичных материнских и отцовских хромосом.

2. Сцепленное наследование, его специфика и особенности расщепления в потомстве

В 1906 г. английские генетики У. Бетсон и Р. Пеннет в опытах по скрещиванию душистого горошка обнаружили, что некоторые признаки наследуются вместе, а не независимо, как следует из законов Менделя. Это явление получило название сцепления генов. В дальнейшем оно было обнаружено у всех организмов.

Впервые сцепление было детально изучено Т. Морганом в опытах на дрозофиле (рис.2). Он показал, что цвет глаз у дрозофилы - признак, сцепленный с полом, то есть гены, обуславливающие этот признак, находятся в Х-хромосомах. На основании этого он предположил, что сцепление генов является следствием их нахождения в одной хромосоме, поэтому правило независимого комбинирования генов здесь не действует. Аналогичным образом наследуются все признаки, определяемые генами, расположенными в Х-хромосомах, и у других организмов, где гетерогаметен мужской пол. Так, у человека около 60 генов наследуются сцеплено с Х-хромосомой, в том числе гены, обуславливающие такие заболевания как гемофилия, цветовая слепота, мускульная дистрофия, дальтонизм и другие.

Существуют также гены, наследуемые сцеплено с Y-хромосомой, то есть наследуемые исключительно по мужской линии. Такие признаки называются голандрическими. У человека таким образом наследуется ген, ответственный за развитие мужской потенции, гены, контролирующие размер зубов, волосатость мочек ушей (ихтиоз) и другие.

Законы Менделя справедливы для признаков, которые определяют гены, находящиеся в разных хромосомах. Все гены одной хромосомы образуют одну группу сцепления, а число групп сцепления у особей данного вида всегда соответствует гаплоидному числу хромосом n.

наследственный размножение гетерозис расщепление

Рис.2. Скрещивание белоглазой самки с красноглазым самцом у дрозофилы

Изучая явление сцепления генов, Морган и его ученики установили, что сцепление почти никогда не бывает полным. Если гены сцеплены, то дигетерозиготы при скрещивании должны давать расщепление не на 4 фенотипических класса, как при независимом наследовании, а на 2, причём эти фенотипические классы должны точно соответствовать фенотипам родителей. Так бывает при полном сцеплении генов. Однако часто при скрещивании дигетерозиготы по генам, наследуемым сцеплено, то есть по генам, расположенным в одной хромосоме, в потомстве появляются особи с новым сочетанием генов, которые отсутствовали у родителей.

Если гены разных аллельных пар лежат в одной и той же хромосоме, следовательно, сцеплены, то единственной причиной их перекомбинации может быть процесс конъюгации гомологичных хромосом в профазе мейоза. Во время конъюгации хромосомы сближаются и прикладываются друг к другу гомологичными участками, образуя биваленты (четвёрки хроматид). В это время между хроматидами может происходить обмен гомологичными участками - перекрест хромосом или кроссинговер (рис. 3), открытый Т. Морганом в 1911 году.

Рис. 3. Схема перекреста хромосом и рекомбинация находящихся в них генов.

Гаметы с хромосомами, претерпевшими кроссинговер, называются кроссоверными, соответственно и особи, возникшие с участием кроссоверных гамет называют кроссоверными или рекомбинантными, а образованные без них - некроссоверными или нерекомбинантными.

У любого вида организмов число генов всегда во много раз больше числа хромосом. Следовательно, в каждой хромосоме находится много генов, которые наследуются вместе, то есть образуют группу сцепления. Число групп сцепления соответствует числу пар гомологичных хромосом. Например, у дрозофилы имеется 4, а у кукурузы 10 пар хромосом, и соответственно у них имеются 4 и 10 групп сцепления.

Определение групп сцепления - трудоёмкая работа, требующая многократных скрещиваний и наблюдений. Кроме того, для этого необходимо иметь много мутантных форм по различным признакам. Поэтому группы сцепления установлены не полностью даже у наиболее хозяйственно важных растений и животных.

3. Гетерозис. Генетические представления о гетерозисе. Теории гетерозиса. Практическое использование гетерозиса

Гетерозис (гибридная сила) - увеличение мощности, жизнеспособности и продуктивности (или гибридной мощности) гибридов первого поколения по сравнению с родительскими формами.

Понятие гетерозиса было введено в науку американским генетиком В.Шеллом в 1914 году. Впервые это явление обнаружил в 1772 году И.Кельрейтер при скрещивании двух видов табака. В дальнейшем Ч. Дарвин изучал это явление в опытах по опылению кукурузы.

Гетерозис в природе свойственен всем организмам. Он возник вместе с появлением диплоидности и полового процесса и непосредственно связан с гетерозиготностью.

О гетерозисе можно говорить в том случае, когда гибридное потомство превосходит обоих родителей по отдельным признакам, например, по степени развития вегетативных органов, урожайности, устойчивости к болезням, вредителям и т.д.

Однако, лишь определённые пары родительских форм дают гетерозисное потомство. Какие пары конкретно дадут наибольший эффект от скрещивания, селекционеры точно сказать не могут и, в основном, это выясняется путём экспериментов. Также известно, что гетерозис в полной мере проявляется лишь в первом поколении, в последующих гибридная мощность резко снижается (рис.4). Это явление связано с уменьшением гетерозиготности растений в гибридных популяциях.

Рис.4. Проявление эффекта гетерозиса в F₁ и его снижение в последующих поколениях, % - относительная урожайность гибридов F₂ и F₃ по сравнению с F₁

Длительное самоопыление приводит к появлению растений, гомозиготных по большинству генов или почти по всем генам. В случае гетерозигот исходной формы по одной паре аллелей в каждом последующем поколении при самоопылении доля гетерозиготных растений будет уменьшаться вдвое и соответственно увеличиваться доля гомозиготных особей: в первом поколении их будет 50%, во втором 75%, в третьем 87,5% и т.д. Доля гетерозиготных и гомозиготных особей при самоопылении рассчитывается по формулам: (1/2)ⁿ для гетерозигот и 1-(1/2)ⁿ для гомозигот, где n - число самоопылений.

Инбридинг (получение потомства от скрещивания родственных между собой особей) исходной формы, геторозиготной по одной паре аллелей (Аа), приводит к возникновению гомозигот уже двух разных типов.

Таким образом, формы, гетерозиготные по любой паре аллелей, в результате длительного инбридинга превращаются в линии, гомозиготные по этим аллелям. Чем больше пар аллелей, по которым гетерозиготно исходное растение, тем больше разных гомозиготных линий может получиться при длительном самоопылении.

Гетерозис в общей форме есть результат создания гетерозиготности в процессе скрещивания и возникновения новых взаимодействий между генами. Важнейшее отличие гетерозисных гибридов от обычных гибридных сортов состоит в том, что они используются в производстве лишь в первом поколении, а поэтому у однолетних культур их нужно получать ежегодно.

При гетерозисе не обязательно происходит усиление всех свойств и признаков организма. Один из них может проявляться сильнее, чем другие, а по некоторым признакам гетерозис может совсем отсутствовать. То есть дискретная природа наследственности определяет дискретное проявление гетерозиса.

Существуют различные теории гетерозиса. Первая попытка теоретического объяснения этого явления была сделана американскими исследователями Г. Шеллом и Э. Истом в 1908 году. Учёные считали, что соединение при гибридизации гамет с разным набором генов уже само по себе стимулирует более быстрое развитие зародыша и рост гибрида. То есть гетерозиготность является основной причиной гибридной мощности. Эта теория получила название теория сверхдоминирования (гетерозиготности).

Явление сверхдоминирования проявляется в том, что в ряде случаев гетерозиготные особи (Аа) превосходят по мощности не только особей с рецессивной гомозиготой (аа), но и особей с доминантной гомозиготой (АА):

Аа>АА>аа

Гипотеза гетерозиготности получила экспериментальное подтверждение в работах многих учёных на различных объектах (ячмене, кукурузе, томатах и других культурах).

Теория сверхдоминирования указывает на важное значение для возникновения гибридной мощности наследственной разнокачесвенности, которая создаётся в результате гетерозиготного состояния в одинаковых локусах гомологичных хромосом. Поскольку, как правило, максимальный гетерозис проявляется в результате скрещивания неродственных особей, то, согласно теории, эффект гетерозиготного состояния тем выше, чем больше различаются аллели каждого локуса.

Теория гетерозиготности обясняет многие случаи гетерозиса, но не охватывает всё многообразие этого сложного явления.

Теория доминирования (взаимодействия благоприятных доминантных факторов) была сформулирована Г. Девенпортом в 1908 году, дополнена А. Б. Брусом и наиболее полно изложена Д. Джонсом в 1917 году. В её основе лежит представление о том, что в процессе эволюции одни гены, которые благоприятно воздействуют на рост и развитие организма, становятся доминантными и полудоминантными, а другие гены, действующие неблагоприятно - рецессивными. По этой теории гетерозис связан с многосторонним действием доминантных генов: во -первых, они подавляют возможное вредное действие своих рецессивных аллелей; во-вторых, обладают аддитивных (суммирующим) эффектом в отношении многих количественных признаков, в отношении которых и проявляется гетерозис. Например, если какой-либо признак контролируется двумя доминантными генами А и В, тогда их сочетание в гибриде вызовет наиболее выраженный такой признак (рис.5).

Рис.5. Аддитивный эффект действия двух доминантных генов при скрещивании двух сортов гороха

По этой теории при скрещивании двух самоопылённых линий aaBBccDD и AAbbCCdd пониженная жизнеспособность первой связана с проявлением вредного действия рецессивных генов а и с, а второй - с b и d. В полученном от скрещивания этих линий гибриде AaBbCcDd доминантные гены защитят гетерозиготу от действия рецессивных аллелей.

Некоторые доминантные гены могут подавлять действие не только своих рецессивных аллелей, но и доминантных генов других пар аллелей. Это явление получило название эпистаза.

Гипотеза доминирования в целом объясняет основные особенности гетерозиса и депрессию при инбридинге. На её основе успешно осуществлялась селекция кукурузы в течение многих лет.

Теория доминирования не исключает также и теорию гетерозиготности, их также можно рассматривать как составляющие одной общей теории гетерозиса.

Концепция генетического баланса была выдвинута Лернером (1954) и поддержана Н. В. Турбиным (1961). Она исходит из того, что характер проявления любого признака у каждого родительского сорта или линии представляет собой результат выработанного в ходе отбора определённого равновесия в разнонаправленном действии на признак многих генов и условий окружающей среды, в которой происходит развитие организма. При скрещавании различающихся в наследственном отношении родительских форм у получаемых гибридов изменяется генетический баланс, что может вызвать изменение степени проявления того или иного признака.

Эта концепция позволяет соединить теории гетерозиготности и доминирования, учесть различные факторы (цитоплазмические, физиологические, биохимические) и условия окружающей среды. Однако, она не даёт представления об удельном весе каждого из факторов и типов взаимодействия наследственных факторов, лежащих в основе гетерозиса.

Концепцию компенсаторных комплексов предложил В. А. Струнников в 1983 году, которая объединила представления об аллельных и неаллельных взаимодействиях генов, обеспечивающих гетерозис. Компенсаторный комплекс - комплекс генов и их алллелей, который подбирают при получении инбредных линий. Он нивелирует отрицательные эффекты высокого уровня гомозиготности, а при гибридизации даёт эффект гетерозиса.

В сельскохозяйственных странах гетерозис широко используется при возделывании кукурузы, сахарной и кормовой свёклы, сорго, лука, томата, перца, огурца, моркови, тыквы, клещевины и других культур. Разработка приёмов создания гетерозисных гибридов различных культур - одно из крупнейших достижений современной генетики.

Раньше всего явление гетрозиса в больших масштабах стали использовать у кукурузы. Обычные сорта этой культуры почти полностью вытеснены гетерозисными гибридами первого поколения. Основные посевы кукурузы на зерно занимают двойные межлинейные (рис.5) и сортолинейные гибриды. Двойные межлинейные гибриды получают от скрещивания двух простых межлинейных гибридов (четырёх самоопылённых линий), а сортолинейные - от скрещивания сорта с самоопылённой линией или простого межлинейного гибрида с сортом.

В отличие от комбинационной селекции, при которой скрещивания проводят, чтобы создать генетическую изменчивость для обора, при селекции гетерозисных гибридов скрещивание служит для массового получения семян и их дальнейшего практичского использования.

Гетерозис - это общебиологическое явление, свойственное всем видам живых организмов. На практике его также используют в животноводстве и птицеводстве. Проведение межпородных и межлинейных скрещиваний даёт возможность значительно увеличить производство мяса, молока, яиц и других продуктов при одних и тех же затратах кормов.

4. Задачи

Задача №71. У космеи красная окраска цветков не полностью доминирует над белой. У гетерозиготных растений цветки розовые. В скрещиваниях получены расщепления по фенотипу 1:2:1 и 1:1. Определите генотипы и фенотипы родителей.

Задача №81. У земляники красная окраска ягод не полностью доминирует над белой, а нормальная чашечка - над листовидной. У дигетерозиготы ягоды розовые с промежуточной чашечкой. Определите генотипы родителей и проанализируйте результаты скрещивания, если в F₂ получено 9 фенотипических классов в соотношении 4:2:2:2:2:1:1:1:1.

Задача №83. При скрещивании кабачков с патиссонами растения F₁ имели плоды дисковидной формы. В F₂ наблюдалось расщепление: 182 растения с дисковидными плодами, 131 - с круглыми и 24 - с удлинёнными. Определите соотношение фенотипов в F₂, генотипы в каждой группе фенотипов и генотипы родителей. Какие возможны признаки у растений и в каком соотношении при скрещивании удлинённых форм с круглыми?

Задача №96. Среди 1000 растений огурца черношипого сорта (АА) обнаружено 9 растений с булыми шипами (аа). Определить долю черношипых гомозигот и гетерозигот в популяции.

Список использованной литературы

1. Абрамова З.В., Карлинский О.А. Практикум по генетике. - 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Колос, Ленинградское отделение, 1979. - 192 с.

2. Гуляев Г.В. Генетика. - М.: Колос, 1984. - 351 с.

3. Жученко А.А., Гужов Ю.Л., Пухальский В.А. и др. Генетика/под ред. А.А. Жученко. - М.: КолосС, 2004. - 480 с.

4. www.bio.fizteh.ru

Размещено на Allbest.ru