Наследование при полигибридном скрещивании

1. Анализ наследования при дигибридном скрещивании

2. Цитологические основы дигибридного расщепления

3. Тригибридное скрещивание

4. Закономерности полигибридного расщепления

5. Ограниченность закона независимого наследования

6. Основные законы наследования и принципы наследственности

До сих пор мы рассматривали наследование при скрещивании растений и животных, условно принимая, что родительские формы отличаются по одной паре признаков, или аллелей гена. Совершенно очевидно, что в большинстве случаев организмы различаются по многим признакам. Чтобы одновременно проанализировать наследование нескольких признаков, необходимо разложить это сложное явление на более простые составные элементы, а затем представить себе весь процесс в целом. Именно так поступил Мендель. Он изучал наследование каждой пары признаков в отдельности, не обращая внимания на другие пары, а затем сопоставил и объединил все эти наблюдения.

Дигибридное скрещивание. Г. де Фриз (1900) предложил дигибридами называть организмы, полученные от скрещива­ния особей, различающихся одновременно двумя парами альтернативных признаков; если признаков три пары — тригибридами, более – полигибридами.

Мендель скрещивал формы гороха, различающиеся по двум парам признаков: с желты­ми и гладкими семенами (AB) и с зелеными и морщинистыми (ab).

Родительские растения будут иметь генотипы AABB и aabb и образовывать гаметы соответственно. В этом случае генотип гибрида F₁ будет AaBb, т.е. является дигетерозиготой. Для проверки генотипа гибрида и определения типов гамет, которые он образует, Мендель провёл анализирующее скрещивание гибрида F₁ с рецессивной родительской формой aabb. В F_B он получил четыре фенотипических класса: гладких жёлтых семян 56, гладких зелёных -51, морщинистых жёлтых – 49 и морщинистых зелёных -53. Все четыре класса встречаются примерно с равной частотой, т.е. отношение этих классов 1 : 1 : 1 : 1. С помощью анализирующего скрещивания можно определить, что дигетерозигота (AaBb) образует четыре сорта гамет – AB, Ab, aB, ab в равных количествах. От рецессивной родительской формы (aabb) все гибриды получают только рецессивные аллели (ab).

В потомстве от этого скре­щивания было получено 556 семян, из них 315 было гладких желтых, 101 морщинистое жел­тое, 108 гладких зеленых, 32 морщинистых зе­леных. Гаметы в этом скрещивании образуют­ся в соответствии с расщеплением хромосом в мейозе, сочетания гамет могут быть опреде­лены с помощью решетки Пэннета. Всего можно получить 16 комбинаций гамет, из них 9 клеток, в которых есть хотя бы по одному доминантному аллелю из каждой пары, 3 комбинации, в которых встречается А аллель, а b в гомозиготе, еще три, в которых гомозиготным является а, и, наконец, один класс, в котором и а, и b — гомозиготы. Можно рас­считать ожидаемое расщепление для этих 4 фенотипических классов:

A-B- 556 X 9/16 = 312 (получено 315)

А-bb 556 X 3/16 = 104 (получено 101)

ааB- 556 X 3/16 = 104 (получено 108)

aabb 556 X 1/16 = 32 (получено 34)

Реальное расщепление идеально соответ­ствует теоретически ожидаемому.

Дигибридное скрещивание

Если подсчитать число семян по каждой паре признаков отдельно, окажется, что отно­шение числа гладких семян к числу морщини­стых было 423 : 133, а желтых к зеленым — 416 : 140, т. е. для каждой пары соотношение было 3 : 1. Очевидно, что в дигибридном скре­щивании каждая пара признаков при расщеп­лении в потомстве ведет себя так же, как в моногибридном скрещивании, т.е. независимо от другой пары признаков. Таким образом, Мендель объективно установил существование третьего закона наследования — закона не­зависимого наследования признаков и сфор­мулировал принцип генетической рекомбина­ции — появление потомства с комбинацией признаков, отличной от родительской. Рекомбинация связана с независимым расхождением хромосом при гаметогенезе или с кроссинговером.

Второй путь является математическим, основанном на законе сочетания двух и более независимых явлений. Этот закон гласит: если два явления независимы, то вероятность того, что они произойдут одновременно, равны произведению вероятности каждого из них.

Расщепления по каждой паре аллелей при дигибридном скрещивании происходят как два независимых явления. Появление особей с доминантными признаками при моногибридном скрещивании происходит в 3/4 всех случаев, а с рецессивными 1/4. Вероятность того, что признаки гладкая форма и жёлтая окраска семян проявляется одновременно, вместе равна произведению 3/4 х 3/4 = 9/16, морщинистая форма и жёлтая окраска 1/4 х 3/4 = 3/16 и морщинистая форма и зелёная окраска – 1/4 х 1/4 =1/16. Произведение отдельных вероятностей даёт отношение классов расщепления по фенотипу 9/16 : 3/16 : 3/16 : 1/16 или 9 : 3 : 3 : 1. Таким образом, генетическими методами было показано, что дигибридный организм образует 4 сорта гамет в равном отношении и, следовательно, является гетерозиготным по обеим аллельным парам. В дигибридном скрещивании каждая пара признаков при расщеплении в потомстве ведёт себя так же, как в моногибридном скрещивании, т.е. независимо от другой пары признаков. На основании одновременного анализа наследования нескольких пар альтернативных признаков Мендель установил закономерность независимого распределения факторов, или генов, которая известна как третий закон Менделя.

Формула 9 : 3 : 3 : 1 выражает расщепление в F₂ по фенотипу при дигибридном скрещивании. Анализ расщепления по генотипу даёт нам формулу расщепления: 1AABB, 2AaBB, 2AABb, 4AaBb, 1Aabb, 2Aabb, 1aaBB, 2aaBb и 1aabb. Расщепление по генотипу в F₂ при дигибридном скрещивании 1 : 2 : 2 : 4 : 1 : 2 : 1 : 2 : 1отражает расщепление 9 : 3 : 3 : 1. При полном доминировании гомозиготные формы по фенотипу неотличимы от гетерозиготных. Сходные фенотипы иногда обозначают фенотипическим радикалом. Под фенотипическим радикалом понимается та часть генотипа организма, которая определяет его фенотип. Так, AABB, AaBb, AABb и AaBB не отличаются по фенотипу и имеют одинаковый фенотипический радикал A-B-. Следующие из перечисленных выше генотипов 1AAbb и 2Aabb имеют фенотипический радикал A-bb, 1aaBB, 2aaBb-ааB-, 1aabb-ab.

Цитологические основы дигибридного расщепления. К моменту переоткрытия законов Менделя цитология накопила достаточно знаний о развитии половых клеток и идея о связи генов с хромосомами была подготовлена. Была высказана мысль о параллелизме между независимым расщеплением по разным генам и поведением негомологичных закономерностей расщепления и цитологических данных о поведении хромосом в мейозе явилась первым шагом к формированию хромосомной теории наследственности.

В тех случаях, когда необходимо указать, что те или иные гены находятся в гомологичных хромосомах, принято при написании генетических формул зигот изображать хромосомы в виде двух или одной черточки с указанием обеих аллелей гена:

Формула дигетерозиготы (AaBb) может быть написана так:

Поскольку гаметы несут только по одной из гомологичных хро­мосом и соответственно по одной аллели каждого гена, то фор­мулы гамет могут быть написаны так:

A B, a b и т.п.

В процессе мейоза у гибридных организмов

в анафазе осуществляется расхождение к полюсам гомологич­ных хромосом каждой пары, причем негомологичные хромосомы у полюсов комбинируются случайно во всех возможных сочета­ниях. Хромосома, несущая аллель А, с равной вероятностью мо­жет отойти к одному полюсу как вместе с хромосомой, имеющей аллель В, так и с хромосомой, несущей аллель b; такая же веро­ятность имеется и для другой хромосомы – с аллелью а. Таким образом, при образовании как женских, так и мужских гамет возможны четыре сочетания материнских и отцовских хромосом с содержащимися в них аллелями генов: AB, aB, Ab, a.

При оплодотворении соединение гамет должно происходить также по правилам случайных сочетаний с равной вероятностью для каждого. В F₂ возникают все воз­можные типы зигот и в таком же соотношении, как это наблю­дается в скрещивании (9 : 3 : 3 : 1).

Изучение двух процессов – поведения хромосом в редукцион­ном делении и распределения наследственных факторов в потом­стве гибридов — является классическим примером научного син­теза. Эти принципы установлены цитологией и генетикой неза­висимо друг от друга в разное время.

Закономерности полигибридного расщепления. Анализ наследования одной пары признаков в моногибридном скрещивании позволяет понять наследование двух и более пар признаков при дигибридном и полигибридном скрещиваниях.

Расщепление в F₂ по фенотипу для каждой пары альтерна­тивных признаков равно 3 : 1. Это исходное отношение обеспечи­вается точным цитологическим механизмом расхождения гомо­логичных хромосом в мейозе.

Принцип независимого поведения разных пар альтернативных признаков в расщеплении по фенотипу в F₂ выражается форму­лой (3+1)ⁿ, где n—степень гетерозиготности. Исходя из приведенной формулы, можно рассчитать число ожидаемых классов ( в расщеплении по фенотипу при любом числе пар признаков, взятых в скрещивание:

моногибридное скрещивание (3 + 1)¹=3 : 1, т.е. 2 класса,

дигибридное скрещивание (3+ 1)² — 9 : 3 : 3 : 1, т. е. 4 класса,

тригибридное скрещивание (3 + 1)³ = 27 : 9 : 9 : 9 : 3 : 3 : 3 : 1, т.е. 8 классов, и т. д.

Иначе говоря, число фенотипических классов в F₂ может быть выражено формулой 2ⁿ, где основание 2 указывает на парность (аллельность) двух аллелей одного гена, находящихся в одной паре гомологичных хромосом, а степень n — число генов в него­мологичных хромосомах, по которым различаются скрещиваемые родительские формы.

Таким же образом можно рассчитать число типов гамет, об­разующихся у любого гибрида первого поколения, и число ком­бинаций гамет, дающих различные генотипы в F₂: моногибрида Аа образуются два сорта гамет, или 2¹; у дигибрида АаВв — четыре, или 2²; у тригибрида — 2³, или восемь сортов гамет и т. д. Следовательно, число различных типов гамет, образуемых гибридом F₁, также может быть выражено формулой 2ⁿ, где п - число генов, по которым различаются скрещиваемые формы.

Так как при моногибридном скрещивании у гибрида F₁ об­разуются два сорта женских и мужских гамет, то очевидно, что при этом возможно образование 4 комбинаций в отношении: 1AA : 2Аа : 1аа, т. е. 4¹. При дигибридиом скрещивании таких со­четаний будет 4²=16, при тригибридном 4³ = 64 и т.д., т.е. чис­ло возможных комбинаций гамет выражается формулой 4ⁿ, где основание 4 отражает число возможных комбинаций мужских и женских гамет в моногибридном скрещивании, п — число пар аллелей.

Число генотипических классов в потомстве моногибрида со­ставляет 3, при дигибридном скрещивании в F₂ генотипических классов 9, или 3², при тригибридном — 3³ и т. д.

Итак, число генотипических классов можно определить по формуле 3ⁿ, где n — число гетерозиготных пар аллелей.

Ограниченность закона независимого наследования. Все эти расчеты, проведенные еще Менделем, правомочны при одном важном условии: гены находятся в негомологичных хромосомах. Однако известно, что число последних для каждого вида орга­низмов является относительно небольшим и постоянным. Так, у человека имеется 23 пары гомологичных хромосом, у кукурузы — 10 и т.д. Следовательно, возможно одновременное не­зависимое наследование лишь стольких генов, сколько пар гомо­логичных хромосом имеется у организмов данного вида.

На первый взгляд это ограничение закона независимого соче­тания признаков может создать впечатление ограниченности на­следственной изменчивости в силу небольшого числа возможных комбинаций гамет. Однако это не так. Рассмотрим для приме­ра возможный размах комбинативной изменчивости, возникаю­щей в силу свободной комбинации гамет у человека. Допустим, что в каждой из 23 пар хромосом человека имеется только по одной паре аллелей. При этом число различных типов гамет выразится величиной 8 388 608, а их возможных комбинаций — 70 368 744 177 664.

Закономерное расщепление при полигибридном скрещивании осуществляется при соблюдении всех условий, о которых шла речь при анализе моногибридного скрещивания. К ним нужно добавить 2 следующих условия: 1) нахождение учитываемых генов в негомологичных хромосомах; 2) равновероятное образо­вание всех сортов гамет на основе случайного расхождения не­гомологичных хромосом в мейозе.

Анализ полигибридных скрещиваний производится так же, как и дигибридных, однако с каждым увеличением числа признаков возрастает число комбинаций гамет.

Если у дигибрида, как мы видели, получается 16 комбинаций, у тригибрида их уже 64, а у тетрагибрида – 256.

Тригибридное скрещивание. Для тригибридного скрещивания Мендель избрал следующие три пары альтернативных признаков семян: гладкая – морщинистая форма семян, жёлтая – зелёная окраска семядолей, а также серо-коричневая и неокрашенная кожура. В этом скрещивании материнское растение было гомозиготным по всем трём доминантным признакам, т.е. имело генотип AABBCC, отцовское гомозиготным по трём рецессивным признакам aabbcc. Все три гена находились в негомологичных хромосомах. Тригибрид первого поколения имел структуру . По внешнему виду семена тригибрида полностью походили на материнские. Гибриды F₁ образуют 8 сортов гамет как женских, так и мужских, а именно: ABC, AbC, ABc, aBC, Abc, aBc, abC, abc. При оплодотворении в результате сочетания восьми сортов женских и восьми сортов мужских гамет во втором поколении образуется 64 комбинаций. У тригибрида расщепление в F₂ по фенотипу включает 8 классов в определённом числовом отношении: 27 : 9 : 9 : 9 : 3 : 3 : 3 : 1. чтобы убедиться в том, что тригибрид действительно образует 8 типов гамет в равных количества, можно воспользоваться методом анализирующего скрещивания. Скрещивая тригибрид с формой гомозиготной по всем трём рецессивным признака, х , мы

получим расщепление в отношении 1 : 1 : 1 : 1 : 1 : 1 : 1 : 1.

Основные законы наследования и принципы наследственности. Наследственность и наследование есть два разных явления, которые не всегда различают. Наследование – процесс передачи задатков наследственно детерминированных признаков и свойств организма в процессе размножения от родителей потомкам. Под наследственностью следует понимать свойство струк­тур клетки и организма в целом обеспечивать материальную и функциональную преемственность между поколениями. В основе того и другого лежит точная репродукция наследственно значимых структур и закономерное распределение их при делении клеток.

Закономерности единообразия гибридов первого поколения, расщепления и независимого комбинирования признаков, открытые Менделем, а также сцепление и наследование признаков, сцепленных с полом, открытые Морганом, относятся к закономерностям наследования, а не наследственности.

Успех Менделя в их открытии обусловлен разработкой им метода генетического анализа отдельных пар признаков; Мендель, по существу, создал научные основы генетики, открыв следующие явления:

1. Каждый признак определяется отдельным наследственным фактором, передающимся через половые клетки; в современном представлении эти задатки соответствуют генам.

2. Гены сохраняются в чистом виде в ряду поколений, не утрачивая своей индивидуальности и не изменяясь, т.е. ген от­носительно постоянен.

3. Наследственные задатки являются парными: один — мате­ринский, другой — отцовский; один из них может быть доминант­ным, другой — рецессивным; это положение соответствует от­крытию принципа аллелизма, согласно которому ген представ­лен всегда минимум двумя аллелями.

4. Оба пола в равной мере участвуют в передаче своих на­следственных свойств потомству.

5. Число генов уменьшается в половых клетках вдвое; это положение явилось генетическим предвидением существования мейоза.

На основании изложенного нам представляется полезным различать законы, непосредственно сформулированные Менде­лем и относящиеся к процессу наследования, и принципы наслед­ственности, вытекающие из работы Менделя.

К законам наследования относятся закон единообразия гиб­ридов первого поколения, расщепления наследственных призна­ков в потомстве гибрида и закон независимого комбинирования наследственных признаков. Эти законы отражают процесс пере­дачи наследственной информации в поколениях при половом размножении.

Принципы наследственности имеют другое содержание и мо­гут быть сформулированы в следующем виде:

1. Дискретная (генная) наследственная детерминация при­знаков.

2. Относительное постоянство наследственной единицы — гена.

3. Аллельное состояние гена (доминантность и рецессив­ность).

Менделевские законы наследования и вытекающие из них принципы наследственности являются основным содержанием генетики. Их открытие дало современному естествознанию еди­ницу измерения жизненных процессов — ген — и тем самым со­здало возможности объединения естественных наук — биологии, физики, химии и математики с целью анализа биологических процессов.

Вопросы

1. С чем связана генетическая рекомбинация?

2. Как происходит расщепление по каждой паре аллелей при дигибридном скрещивании?

3. Что такое фенотипический радикал?

4. Каковы закономерности полигибридного расщепления?

5. В чём сущность ограниченности закона независимого наследования?

6. В чём различие используемых в генетике понятий «наследственность», «наследование», «наследуемость».

ЛЕКЦИЯ 5