Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
На сайте writer5.ru вы найдете большую подборку дипломных, курсовых работ, рефератов, эссе, контрольных и лабораторных работ по самым разным учебным дисциплинам. Есть бакже хорошая подборка учебников и научной литературы для самостоятельной работы
Предмет генетики та її місце в системі природничих наук
Конспект >> Биология
Предмет генетики та її місце в системі природничих наук
Предмет генетики. Генетика - наука про спадковість і мінливість. Спадковість звичайно визначають як здатність організмів відтворювати собі подібне, як властивість батьківських особин передавати свої ознаки й властивості потомству. Цим терміном визначають також подібність родинних особин між собою.
Ч. Дарвін відзначав, що нащадки, як правило, не є точною копією батьківських особин, тому що поряд зі спадковістю їм властива мінливість, що проявляється в розходженнях окремих органів, ознак або властивостей, або комплексу їх у нащадків у порівнянні з батьками й родичами.
Завданням генетики є вивчення передачі спадковості від батьків нащадкам. Наступність між поколіннями здійснюється шляхом полового, безстатевого або вегетативного розмноження. При половому розмноженні виникнення нового покоління відбувається в результаті злиття материнських і батьківської полових клітин, тому нащадки несуть ознаки обох батьківських форм. Полові клітини становлять мізерно малу частку багатоклітинного організму. Вони містять спадкоємну інформацію - сукупність генів - одиниць спадковості. Спадкоємна інформація визначає чіткий план онтогенезу, у процесі якого розвиваються й формуються! специфічні для даної Особини властивості й ознаки.
Поряд з терміном «спадковість» у генетику застосовують терміни «успадкування» і «спадкоємність». Спадкуванням називають процес передачі спадкоємних задатків або спадкоємної інформації від одного покоління іншому, у результаті чого в нащадків формуються певні ознаки й властивості, властивим батьківським особинам. Терміном «спадкоємність» позначають частку генетичної мінливості в загальної фенотипвої мінливості ознаки в конкретній популяції тварин або рослин.
Особлива увага в генетику приділяється вивченню мінливості - здатності організмів змінюватися під дією спадкоємних і неспадкоємних факторів. Розрізняють спадкоємну (генотипову) мінливість і неспадкоємну, виникаючу під впливом зовнішнього середовища й, що проявляється у виді модифікацій.
Сучасне вивчення спадковості й мінливості ведеться на різних рівнях організації живої матірки - молекулярний, клітинному, орган змінюємо й популяції; норм; при цьому використають різні методи досліджень.
Основні розділи. Розділ генетики, що вивчає явище спадковості на клітинному рівні, має назву цитогенетики. У розділі вивчають ядерну та цитоплазматичну спадковість, поведінку хромосом під час мітозу та мейозу, можливі порушення, структуру та реплікацію ДНК.
У наступному розділі вивчають спадковість, закономірності успадкування та способи взаємодії генів. У окремому розділі вивчають біологію визначення статі і зчеплене зі статтю успадкування, природне і штучне перевизначення статі.
Вивчення особливостей генетичного аналізу у мікроорганізмів і ряд знань з біохімії дозволяють зрозуміти механізми, методи, можливості, значення і відносну небезпеку генної інженерії.
Розуміння генетичних основ онтогенезу дозволяє регулювати план розвитку організму завдяки онтогенетичній мінливості й адаптаційних можливостей, визначити стадії та критичні періоди розвитку, знати термін дії гена і фактори його диференціальної активації.
Закономірності успадкування в популяціях дозволяють встановити фактори генетичної динаміки популяцій: інбридинг, мутаційний тягар, неспрямованість мутацій, дрейф генів, адаптивну цінність генотипів, коефіцієнт відбору.
Вивчення генетики людини відкриває можливості для медичної генетики: спадкові хвороби та їх поширення, причини виникнення вроджених і спадкових захворювань, фактори, що їх провокують, рання діагностика.
Генетичні основи розглядають селекцію як науку і як технологію, піднімають її роль в інтенсифікації виробництва аграрної продукції, дозволяють прогнозувати результати схрещування.
Основные этапы развития генетики. К началу XX в. в растениеводстве и животноводстве был накоплен экспериментальный материал о наследовании потомками признаков родительских форм. Особенно ценные данные были получены во второй половине XVIII в. И. Кельрейтером, который изучал полученные им гибриды у 54 видов растений и установил ряд закономерностей в наследовании признаков: равное влияние на признак отцовской и материнской форм, возврат признака у гибрида к одной из исходных родительских форм. Он впервые обратил внимание на дискретный характер наследования признаков, установил наличие пола у растений. Важное значение имели работы О. Сажре и Ш. Нодена во Франции, Т. Найта в Англии, А. Т. Болотова и К- Ф. Рулье в России, а также многих других ученых и практиков, которые наблюдали и описывали характер наследования признаков у растений и животных при внутривидовом и межвидовом скрещиваниях.
Ч. Дарвин (1809—1882) в своей работе «Происхождение видов» (1859) и в последующих трудах обобщил опыт и наблюдения практиков и естествоиспытателей по изучению явлений наследственности н изменчивости, которые наряду с отбором являются движущими факторами эволюции органической природы. В работе «Временная гипотеза пангенезиса» Дарвин сделал попытку объяснить, каким образом осуществляется передача признаков и свойств от родителей потомкам. Эволюционная теория Дарвина сыграла важную роль в дальнейшем развитии генетики, обусловила возникновение ряда гипотез и теории, объясняющих сущность наследственности и изменчивости.
Основоположником генетики принято считать Г. Менделя (1822—1884), который впервые разработал метод научного подхода к изучению наследственности и в своих опытах с растительными гибридами установил важнейшие законы наследования признаков. Результаты своих исследований Мендель доложил на заседании общества естествоиспытателей в г. Брно (Чехословакия) и опубликовал в трудах этого общества в 1865 г. работу под скромным названием «Опыты над растительными гибридами». К сожалению, эта работа не была должным образом оценена современниками и во второй половине XIX в. не оказала существенного влияния на дальнейшее развитие генетики.
В 1900 г. Г. де Фриз (1848—1935) в Голландии, К. Корренс (1864—1933) в Германии и Э. Чермак (1871 — 1962) в Австрии независимо друг от друга установили, что полученные ими результаты по наследованию признаков у растительных гибридов полностью согласуются с данными Г. Менделя, который за 35 лет до них сформулировал правила наследственности. Г. де Фриз предложил установленные Г. Менделем правила называть законами наследования признаков.
С 1900 г. началось интенсивное развитие науки о наследственности и изменчивости, и в 1906 г. по предложению английского ученого В. Бэтсона (1861 —1926) она получила название «генетика» от латинского слова geneo—порождаю. На различных видах животных и растений были проверены законы Г. Менделя и установлена их универсальность. Вместе с тем имеющиеся отклонения в фенотипическом проявлении признаков у гибридов, в характере расщепления гибридов показали сложные взаимодействия генов. Важную роль в развитии генетики сыграли исследования В. Бэтсона, который изучал наследование признаков у кур, бабочек, лабораторных грызунов; шведского ученого Г. Нильссона-Эле по генетике количественных признаков и полимерии; датчанина В. Иогансена (1857— 1927), создавшего учение о чистых линиях, которым были предложены термины «ген», «генотип», «фенотип».
Цитологические исследования Т. Бовери (1862—1915) показали наличие параллелизма в поведении хромосом в мейозе и при оплодотворении с наследованием признаков у гибридов, что послужило предпосылкой для развития хромосомной теории наследственности, основоположником которой является Т. Г. Морган (1861 — 1945), который вместе с А. Стертевантом (1892—1970) и К. Бриджесом (1889—1938) установил, что наследственные факторы — гены — локализованы в хромосомах клеточного ядра.
Лекция генетических Kapf, доказан хромосомный механизм определения пола. Хромосомная теория наследственности была крупнейшим достижением генетики и сыграла ведущую роль в ее дальнейшем развитии, становлении молекулярной биологии.
Большой интерес к генетическим исследованиям был и у русских ученых. В 1912 г. в России вышла книга профессора Е. А. Галанова (1872—1931) «Менделизм», в которой были представлены исследования в области генетики. Ю. А. Филипченко (1882 — 1930) в 191.3 г. впервые стал читать курс генетики в университетах России, создал кафедру генетики и экспериментальной зоологии в Петроградском университете, написал целую серию работ по частной генетике растении и животных. В этот период стали интенсивно развиваться генетические исследования, связанные с прикладными вопросами сельского хозяйства, например сравнительная генетика как теоретическая основа селекции культурных растении, блестяще разработанная Н. И. Вавиловым (1887 —1943), установившим один из величайших законов генетики — закон гомологических рядов в наследственной изменчивости. И. В. Мичурин (1855—1935) на основании экспериментальной работы теоретически обосновал закономерности наследования признаков у многолетних плодовых растении. II последующие годы в СССР были созданы генетические школы Н. К. Кольцова (1872—1940), А. С. Серебровского (189U- 1948), М. Ф Иванова (1871 — 1935). С. Н. Давыденкова (1881 — 1961) разрабатывал проблемы медицинской генетики.
Важное значение для развития генетики имели работы по получению и изучению индуцированных мутаций. О возможности спонтанного изменения признака или свойства у отдельных особей писал Ч. Дарвин. В 1902 г. Г. де Фриз создал и опубликовал основные теоретические положения мутационной теории. В 1925 г. Г.А. Надеон и И.С. Филиппов и Ленинграде наблюдали мутационные изменения у дрожжевых и плесневых грибом под действием ионизирующей радиации. В 1927 г в США Г. Меллером (1890—1967) были получены мутации у плодовой мушки (Drosophila nietanogaster) в результате воздействия рентгеновских лучей. Эти работы послужили началом широкого круга исследований по изучению характера мутационной изменчивости, разработке методов их получения, проверке и поискам факторов, вызывающих мутации. Большой вклад В развитие .мутагенеза и его прикладное использование внесли советские генетики Н. П. Дубинин, В. В, Сахаров. М. Е. Лобашов, С. М. Гершлинзон, И. А. Рапопорт. В растениеводстве успешно разрабатывается методика получения геномных мутаций, обусловленных изменением числа хромосом в клетках растений, — полиплоидия, А. Р. Жебрак, Л. П. Бреславец получали полиплоидные формы у растений. Г. Д. Карпеченко экспериментально показал возможность создания новых видов растений методом аллополиплоидии. В. Л. Рыбин осуществил реконструкцию (воссоздание) существующего вида растений — культурной липы.
В развитие генетики популяций и разработку генетических аспектов эволюционной теории большой вклад внесли русские ученые С. С. Четвериков (1880-1959), И. И. Шмальгаузен (1884-1963), Н. П. Дубинин. Для разработки генетических методов ^лекции животных важное значение имели работы М.Ф. Иванова, А. С. Серебровского, С. Г. Давыдова и др.
С 1944 г. начались интенсивные исследования явлений наследственности и изменчивости на молекулярном уровне. 1944 т американский генетик О. Эвери с сотрудниками показал, что ведущая роль в сохранении и передаче наследственной информации принадлежит ДНК. Это открытие послужило началом развития молекулярной генетики. Важное значение для развития молекулярной генетики имели успехи в области биохимии нуклеиновых кислот, проводимые В. А. Энгельгардом и его грудниками в Институте молекулярной биологии АН СССР, американским биохимиком Э. Чаргаффом и др.
В 1953 г. Ф. Крик и Д. Уотсон разработали модель структурной формулы молекулы ДНК; в 1961 — 1965 гг. М. Ниренберг и С. Очао расшифровали генетический код. Было установлено, го дезоксирибонуклеиновая кислота содержит наследственную информацию, специфическую для каждого вида и особи, и что гены являются функциональными единицами гигантских молекул ДИК, которая способна самокопироваться и таким образом сохраняться в поколениях. Наследственная информация реализуется в процессе синтеза белка, при этом важную роль играют рибонуклеиновые кислоты —информационная (иРНК), рибосомальная (рРНК) и транспортная (тРНК).
В 1969 в США Г. Корана с сотрудниками синтезировал вне организма химическим путем участок молекулы ДНК —ген аланиновой т-РНК пекарских дрожжей. С начала 70-х годов в лабораториях многих стран мира, в том числе н в СССР, с применением специфического фермента—обратной транскриптазы (ревертазы) была разработана методика синтеза генов вне организма. Синтез и выделение генов, переносимых в клетки бактерий, позволяют получать штаммы суперпродуцентов аминокислот, ферментов, биологически активных веществ, гормонов. Это направление развития генетики получило название генетической инженерии.
Методы генетических исследований. Современник генетика изучает явления наследственности и изменчивости, опираясь на достижения различных отраслей биологии—биохимии, биофизики. цитологии, эмбриологии, микробиологии, зоологии, ботаники, растениеводства и животноводства. Генетические исследования значительно обогатили теоретические области биологии, а также зоотехнию, ветеринарию, племенное дело н разведение сельскохозяйственных животных, селекцию и семеноводство растений, медицину.
Основными объектами генетических исследований на молекулярном уровне являются молекулы нуклеиновых кислот – ДНК и РНК, обеспечивающие сохранение, передачу и реализацию наследственной информации. Изучение нуклеиновых кислот вирусов, бактерий, грибов, клеток растений я животных, культивируемых вне организма (m vitro), позволяет установить закономерности действия генов а процессе жизнедеятельности клетки к организма.
Гибридологический метод впервые был разработан и применен Г. Менделем в 1856—1863 гг. для изучения наследования признаков и с тех пор является основным методом генетических исследований. Он включает систему скрещиваний заранее подобранных родительских особей, различающихся по одному, двум или трем альтернативным признакам, наследование которых изучается. Приводится тщательный анализ гибридов первого, второго, третьего, а иногда и последующих поколений по степени и характеру проявления изучаемых признаков. Этот метод имеет важное значение в селекции растений и животных. Он включает и так называемый рекомбинационный метод, который основан на явлении кроссинговера — обмена идентичными участками в хроматидах гомологических хромосом в профазе1 мейоза. Этот метод широко используют для составления генетических карт, а также для создания рекомбинантных молекул ДНК, содержащих генетические системы различных организмов.
Моносомный метод позволяет установить, в какой хромосоме локализованы соответствующие гены, а в сочетании с рекомбинационным методом — определить место локализации генов в хромосоме.
Генеалогический метод —один из вариантов гибридологического. Его применяют при изучении наследования признаков по анализу родословных с учетом их проявления у животных родственных групп в нескольких поколениях. Этот метод используют при изучении наследственности у человека и животных, малоплодие которых имеет видовую обусловленность.
Близнецовый метод применяют при изучении влияния определенных факторов внешней среды и их взаимодействия с генотипом особи, а также для выявления относительной роли генотипической и модификационной изменчивости в общей изменчивости признака. Близнецами называют потомков, родившихся в одном помете одноплодных домашних животных {крупный рогатый скот, лошади и др.).
Различают два типа близнецов — идентичные (однояйцовые), имеющие одинаковый генотип, и неидентичные (разнояйцовые), возникшие из раздельно оплодотворенных двух или более яйцеклеток.
Мутационный метод (мутагенез) позволяет установить характер влияния мутагенных факторов на генетический аппарат клетки, ДНК. хромосомы, на изменения признаков или свойств. Мутагенез используют в селекции сельскохозяйственных растений, в микробиологии дли создания новых штаммов бактерий. Он нашел применении в селекции тутового шелкопряда.
Популяцнонно-статистический метод используют при изучении явлений наследственности в популяциях. Этот метод дает возможность установить частоту доминантных и рецессивных аллелей, определяющих тот или иной признак, частоту доминантных и рецессивных гомозигот и гетерозигот, динамику генетической структуры популяций под влиянием мутаций изоляции и отбора. Метод является теоретической основой современной селекции животных.
Феногенетический метод позволяет установить степень влияния генов и условий среды на развитие изучаемых свойств и признаков в онтогенезе. Изменение в кормлении и содержании животных влияет на характер проявления наследственно обусловленных признаков и свойств.
Составной частью каждого метода является статистический анализ — биометрический метод. Он представляет собой ряд математических приемов, позволяющих определить степень достоверности полученных данных, установить вероятность различий между показателями опытных и контрольных групп животных. Составной частью биометрии являются закон регрессии и статистический закон наследуемости, установленные Ф. Гальтоном.
В генетике широко используют метод моделирования с помощью ЭВМ для изучения наследования количественных признаков в популяциях, для оценки селекционных методов — массового отбора, отбора животных по селекционным индексам. Особенно широкое применение данный метод нашел в области генетической инженерии и молекулярной генетики.
Изучение закономерностей наследственности и изменчивости организмов необходимо для решения ряда важнейших проблем и вопросов самого широкого спектра:
Лекція: «Спадковість та успадкування»
Питання:
Поряд з терміном «спадковість» у генетику застосовують терміни «успадкування» і «спадковість». Спадкуванням називають процес передачі спадкоємних задатків або спадкоємної інформації від одного покоління іншому, у результаті чого в нащадків формуються певні ознаки й властивості, властивим батьківським особинам. Терміном «спадковість» позначають частку генетичної мінливості в загальної фенотиповій мінливості ознаки в конкретній популяції тварин або рослин.
Основні види схрещувань - моногібридне, полігібридне та аналізуюче. Далі будуть розглянуті й роз'яснені при вивченні законів Менделя. Він вніс дуже важливий внесок у з'ясування сутності спадковості, досвіди якого по схрещуванню рослин лежать в основі більшості сучасних досліджень. Застосовуючи схрещування рослин, що розрізняються по контрастних ознаках, Мендель в 1865 р. сформулював ідею про існування спадкоємних факторів. Гибридологічний метод, пов'язаний з вивченням характеру спадкування окремих ознак і властивостей, значною мірою визначив успіх досліджень Менделя й дозволив йому виявити й сформулювати основні правила спадковості.
До основних особливостей гибридологічного методу вивчення спадковості відносять: 1) використання як вихідні форми схрещування рослин, що відрізняються друг від друга порівняно невеликою кількістю (одна, дві або три пари) контрастних ознак, і ретельний облік характеру спадкування кожного з них; 2) точний кількісний облік гібридних рослин, що розрізняються по окремих ознаках, у ряді послідовних поколінь; 3) індивідуальний аналіз потомства від кожної рослини в ряді послідовних поколінь; 4) неприпустимість впливу чужорідного генетичного матеріалу на батьківські раси й гібриди; 5) збереження здатності до розмноження в гібридів і їхніх нащадків.
Схрещуючи рослини, що розрізняються між собою по одній парі альтернативних ознак, (таке схрещування називають моногібридним), Мендель виявив, що гібриди першого покоління проявляють тільки одну ознаку з альтернативної пари. Taк, при схрещуванні сорту гороху, що має жовті насіння, із сортом, що мав зелені насіння, всі гібридні насіння були жовтими, поза залежністю від того, який сорт використали в якості материнського. При схрещуванні високих рослин з низькорослими в першому поколінні всі рослини були високорослими й т.д. На підставі цих досвідів він дійшов висновку, що при схрещуванні сортів, що відрізняються по одній парі ознак, у гібридів першого покоління (F1) завжди є ознака тільки одного з батьків. Такі ознаки Мендель назвав домінантними (лат. dominantis - пануючий). Ті ознаки, які в гібридів першого покоління не проявлялися, Мендель назвав рецессивными (лат. recessus-відступ).
Це явище Мендель назвав правилом домінування, що у цей час прийнято називати першим законом Менделя або законом однаковості гібридів першого покоління.
Піддавши гібридні рослини самозапиленню, Мендель виявив, що серед нащадків таких гібридів поряд з особинами, що несуть домінантна ознака, з'явилися особини з особливостями іншого батька, що раніше не виявилися. Відзначений Менделем факт того, що рецесивна ознака в схованому виді проходить через покоління гібридів і знову виникає в їхніх нащадках, привів ученого до ідеї про існування відповідальних за ці явища спадкоємних факторів. Для зручності обробки отриманих даних Мендель застосував літерне позначення спадкоємних факторів: для домінантної ознаки А, для рецессивного - а. Спадково чисті домінантні особини одержали позначення АА, а чисті рецессивные особини— аа. Альтернативні спадкоємні фактори стали називати аллелями. Аллели можна охарактеризувати як різні (контрастні) форми одного гена, або інакше в результаті модифікації гена, або як ознаки, обумовлені однією парою аллельных генів. Надалі організми, що мають пару однакових аллелей (АА або аа), стали називати гомозиготними, а особин з набором Аа — гетерозиготними. Шляхом самозапилення рослин першого покоління Мендель одержав насіння. Три чверті цих насінь мали жовте фарбування й одна чверть — зелену. При вирощуванні й самозапиленні рослин із зелених насінь було виявлено, що всі ці рослині утворять тільки зелені насіння. Рослини, отримані з жовтих насінь, при самозапиленні виявили інші властивості. З жовтих насінь Мендель виростив і піддав самозапиленню певна кількість рослин. Одна чверть цієї кількості утворила тільки жовті насіння, у той час як три чверті рослин утворили як жовті, так і зелені насіння в кількостях, що наближаються до співвідношення 3:1. Таким чином, рослини третього покоління розділилися на дві групи: групу рослин, що утворила тільки жовті насіння, і групу рослин, подібно гібридам що дав як жовті, так і зелені насіння в співвідношенні 3:1. Неконстантні й константні рослини в F2 минулого виявлені в співвідношенні, близькому 2:1.
На підставі проведених досвідів Мендель сформулював друге правили, або закон розщеплення ознак у гібридів другого покоління. Другий закон спадковості - основний внесок Грегора Менделя в експериментальне вивчення спадковості.
Третій закон Менделя — закон незалежного спадкування — був сформульований їм на підставі вивчення потомства від дигибридных схрещувань. Так, при схрещуванні сорту гороху, що мав гладкі жовті насіння (ААВВ), із сортом, що мав зелені зморшкуваті насіння (aabb, гібриди F, мали жовті гладкі насіння, тому що гладка форма насінь домінує над зморшкуватою. В F2 серед отриманих насінь Мендель виявив кілька фенотипів, що можна виразити співвідношенням 9:3:3:1. При розгляді цього співвідношення видно, що поряд з насіннями, що володіють сполученнями ознак, характерними для вихідних форм (гладкі жовті й зморшкуват зелені), в F2 з'являються насіння з новими сполученнями ознак — гладк зелені й зморшкувата жовті, тобто відбувається перекомбінація ознак вихідних форм.
На підставі докладного аналізу даного досвіду й ряду аналогічних схрещувань Мендель дійшов висновку, що фактори А и В у гібридів Аавь при утворенні полових клітин розподіляються між собою зовсім незалежно друг від друга й дають різні сполучення з однаковою частотою. Тому серед полових клітин, утворених гібридами fj, одна половина містить фактор А, інша - а. Така сама ситуація й з факторами В и Ь. Кожна полова клітина містить тільки по одному представнику від пари факторів Аа й по одному представнику від пари ВЬ, тому можливі тільки чотири сполучення - АВ, Ab, a, ab. Це рівною мірою відносячи як до жіночих полових клітин, так і до чоловічого. Сполучення гамет з різними генотипами відбуваються зовсім випадково, тому утворення зигот у гібридів при дигібридних схрещуваннях математично можна виразити в такий спосіб: (AB + Ab + a+ab) х (AB + Ab + a + + АВ). Після розкриття дужок і об'єднання зигот формула здобуває наступний вид: 9АВ : ЗАЬ : Зав : ab, що повністю відповідає емпірично знайденому співвідношенню: 9 гладких жовтих (АВ) : 3 зморшкуватим жовтим (Ab) : 3 гладким зеленим (ав) : 1 зморшкуватому зеленому (ab).
Якщо припустити, що фактори А и В розташовані в різних негомологічних хромосомах (незалежний розподіл спадкоємних факторів має місце тільки при цьому умові), те, користуючись сучасною термінологією, весь процес розщеплення можна описати за допомогою ґрат Пеннета. Для наочності пари хромосом, у яких розташовані гени А к а, зображена у вигляді палочковидних тіл, а пари хромосом, у яких розташовані гени В и Ь, - у вигляді округлих. Хромосоми домінантного предка пофарбовані в чорний цвіт, а хромосоми рецесивного залишені білими. Тому що після мейозу число хромосом зменшується вдвічі, те гамети домінантного батька мають генотип АВ, а гамети рецесивного - генотип ab. З'єднання гамет дає зиготу F, з генотипом АаВь. Під час мейозу в гібридів F, батьківські й материнські хромосоми розходяться в дочірні клітини зовсім незалежно друг від друга.
Для досвідів по схрещуванню Мендель вибрав 22 сорту гороху, які мали чіткі альтернативні розходження по ряду ознак: круглі або зморщені насіння, жовті або зелені сім'ядолі, високі або карликові рослини. Досліджуючи ці сорти методом самозапилення, Мендель переконався, що вони являють собою спадково чисті форми в ряді поколінь вони не давали ніяких відхилень від стандартних ознак сорту. Мендель схрещував рослини, що відрізняються друг від друга по одному, двох або трьох парах контрастних ознак. Частина гібридних рослин Мендель схрещував з вихідними сортами, а інші піддав самозапиленню. У другому поколінні гібридів він уважно вивчав всі рослини й записував результати своїх спостережень. Отримані дані Мендель обробив математично й у результаті виявив чітку закономірність передачі окремих ознак від батьківських форм до нащадків у ряді послідовних поколінь.
Мендель відкрив закони успадкування ознак у гібридів першого, другого та наступних поколінь. Але це епохальне відкриття привернуло до себе увагу вчених лише через 35 років, тобто в 1900 р. Саме тоді Е.Чермак в Австрії, К.Корренс в Німеччині І Г.Де Фріз в Голландії, незалежно один від одного, одночасно відкрили закономірності успадкування, тобто перевідкрили закони Менделя. Згодом з'ясувалось, що закономірності, які Мендель відкрив на рослинах гороху, підтвердились на Інших рослинних і тваринних об'єктах. Розгорнуті широкі дослідження показали, що закони Менделя характерні для всіх диплоїдних видів рослинних і тваринних організмів, тобто вони універсальні. Таким чином, відкриття Менделя значно випередило рівень розвитку сучасної йому біології. Тодішні біологи були неспроможні осмислити чи зрозуміти факти матеріальності існування спадкової субстанції, а тому й відкриті закони виявились для них незрозумілими.
Досліди Менделя характеризувались принципово новими підходами до їх проведення та теоретичного узагальнення результатів. Ознайомившись з методами роботи Й.Кельрейтера, У.Герберта, Х.Лекока та інших дослідників, які створювали і вивчали гібридні форми організмів, Мендель відзначив, що жоден з них не попробував вивчити гібридних нащадків у наступних поколіннях. Саме цей факт блокував можливість творчих підходів та узагальнень при аналізі результатів подальших етапів досліджень, оскільки етапи залишались поза увагою вчених. Свої дослідження Мендель розпочав з вибору об'єкта, який мав відповідати таким вимогам:
На думку Менделя, цим вимогам добре відповідали бобові рослини. У гороху, наприклад, легко ідентифікуються альтернативні ознаки. Пилки квіток дозрівають, розтріскуються і відкривають приймочку маточки задовго до розпускання квіток, тобто горох відноситься до рослин-самозапилювачів. Гібридні нащадки в нього добре плодоносять. Всі ці факти спонукали Менделя обрати саме горох об'єктом своїх дослідів.
Насіння кожного з 34 зразків гороху посівного Мендель висівав окремими ділянками протягом двох поколінь, не втручаючись у процеси запилення. В результаті з 34 зразків насіння було відібрано 22, в яких стабільно успадковувались ознаки в певних альтернативних формах. Серед них були відібрані пари вихідних форм з такими альтернативними ознаками:
гни-забарвлення недозрілих бобів — зелене або жовте; - місце розміщення квіток — пазушне або верхівкове;
– висота рослин — висока або низька, тощо.
Побачивши, що кожна ознака може виступати в двох або декількох альтернативних станах, Мендель значив ознаки символами латинського алфавіту. При цьому домінантний стан ознаки він позначив великою, а рецесивний — малою літерою. Це дозволило в стислій формі запису досягнути високої інформативності. Разом з цим буквова форма запису генів за характером фенотипового проявлення ознак дозволила у високоінформативній формі записувати схеми схрещувань, систематизувати сукупності нащадків цих схрещувань у групи за теоретично очікуваними комбінаціями генів, які вивчаються дослідником.
Вже згадувалось, що кожну ознаку Мендель умовно позначав будь-якою літерою, а альтернативний прояв цієї ж ознаки тією самою літерою, але великою чи малою, у залежності від стану домінування. Наприклад, схрещування жовтонасіниих рослин гороху із зеленонасінними в першому поколінні дало лише жовтонасінних нащадків, а при самозапиленні їх у другому поколінні, крім жовтого насіння в бобах з'явилось зелене насіння у співвідношенні 3:1. Аналогічні факти були виявлені в дослідах для вивчення успадкування інших ознак рослин гороху.
Аналіз експериментальних даних привів Менделя до розуміння того, що спадковий фактор, напри-ознаки забарвлення насіння, може існувати і локалізуватись в організмі у двох альтернативних станах — жовтому і зеленому. Але в гібридному організмі жовте панує, або домінує над зеленим. Тому спадковий фактор жовтого забарвлення, як домінантний, можна позначити великою літерою А, а зеленого, як рецесивний, — малою літерою а. Звідси випливає, що гібридна особина у своїх спадкових структурах контролюється двома екземплярами спадкового фактора забарвлення насіння. Тому в гібридної особини генотип ознаки забарвлення насінин можна записати символами Аа. Аналогічно з цим вихідна батьківська звивчаста форма, в ряду поколінь якої народжуються лише жовтонасінні нащадки, повинна мати АА-, і зеленонасінна форма — аа-спадконі фактори. Парність однойменних спадкових факторів дістала назву алельних (від грецького алелос - протилежний). Таким чином алелізм означає можливість існування одних генів в різних станах (алелях). Бо і справді, в генетиці визначити наявність будь-якого гена можна не в тому разі, коли він у сукупності однотипних організмів фенотипово проявляється в двох або кількох альтернативних формах. Наприклад, забарвлення пелюсток, скажімо, в айстр буває білим, жовтим, синім, червоним, брунатним. Коні бувають сірої, мишастої, буланої, гнідої масті тощо. І це відноситься до всіх ознак, якими характеризуються всі види живих організмів.
У 1902 р. В.Бегсон запропонував називати непбридних особин, які характеризуються АА- чи аа- або чи ЬЬ-генотипами гомозиготними, а гібридних особин з Аа- або Вв-факторами — гетерозиготними. З 1909 р. В.Йогансен запропонував менделівські спадкові фактори називати генами. Символи, якими позначають гени певної ознаки, складають її генотип, а характер зовнішнього прояву даної ознаки на тілі організму — її фенотип.
На відміну від своїх попередників, Мендель спочатку піддав аналізу закономірності успадкування лише однієї окремої ознаки, яка проявлялась у двох альтернативних станах, а не всю їх сукупність. Вивчаючи закономірності, він перейшов до вивчення закономірностей успадкування одноразово двох або трьох неальтернативних ознак, кожна з яких існує у двох — домінантному та рецесивному станах. Таким чином, Мендель практично розробив методи гібридологічного аналізу при моногібридних (АА х аа), дигібридних (ААВВ х аавв), тригібридних (ААВВСС х ааавсс) та полігібридних схемах схрещувань.
І закон Менделя. Мендель виконав штучні схрещування між рослинами, що характеризувались різними альтернативними станами однієї і тієї ознаки, яку залучали до гібридизації. Від цих моногібридних схрещувань він одержував насіння, а потім І рослини Р, (першого гібридного покоління). Спостерігаючи за характером прояву фенотипових ознак, Мендель помітив, що в рослин першого гібридного покоління з двох альтернативних станів кожної ознаки фенотипово проявляється лише один альтернативний стан. Наприклад, як у прямому, так і в реципрокному (зворотньому) схрещуваннях рослин гороху, які мають гладеньке насіння, з особинами зі зморшкуватим насінням — форма всього гібридного покоління (Р,) насіння завжди буває тільки гладенькою. Аналогічні результати були одержані Менделем і в гібридів Р,, в яких він вивчав успадкування інших ознак. Скажімо, в гібридів Р, за ознаками забарвлення насіння, чи пелюсток або ж форми бобів тощо завжди проявлялась лише одна альтернативна форма відповідної ознаки. Отже, залучені до схрещування партнери, що відрізняються між собою характером фенотипового проявлення альтернативної ознаки, народжують нащадків Р,, у яких фенотипово формується і проявляється лише один з алельних станів цієї ознаки і яким володіла лише одна з двох батьківських особин. Такі дані дозволили Менделю зробити висновку про одноманітність гібридних нащадків першого гібридного покоління.
Явище одноманітності гібридних нащадків Р, від схрещування між собою гомозиготних особин, які залучені до вивчення, настільки чітко проявляється в усіх видів організмів, що в науці воно набуло сили закону. Виходячи з сучасного рівня наших знань, цей закон можна сформулювати так: гібриди першого покоління, що походять від гомозиготних батьківських особин, які відрізняються один від одного альтернативним станом певної ознаки, є повністю одноманітними за генотиповими і фенотиповими структурами відповідної ознаки.
Наприклад, дві особини, гомозиготні за різними альтернативними станами А-ознаки, залучені до схрещувань між собою:
Р АА х аа
Гамети а а
F1 Аа.
З наведеної схеми видно, що нащадки F1 при будь-якій чисельності їх (за фенотипово проявленою домінантною А-ознакою) матимуть гетерозиготний Аа-генотип. Це означає, що особини з однаковим генотипом мають характеризуватись однаковим фенотипом. Виявлена закономірність так само відноситься до двох АВ-ознак, або до декількох, скажімо, АВС-ознак. Наприклад, при схрещуванні гомозиготної особини ААввСС-генотипу з особиною ааВВсс-генотипу одержимо:
Р ААввСС х ааВВсс
Гамети A a B b C c
F1 АаВвСс
З наведеної схеми знову можна бачити, що гібридні нащадки F1 які походять від гомозиготних батьків, характеризуються однаковими генотипами і фенотипами за ознаками, які вивчаються.
ІІ закон Менделя. Вивчивши ріст і розвиток гібридних особин першого покоління, Мендель, на відміну від своїх попередників, пішов далі і продовжив вивчення закономірностей успадкування ознак гібридних особин у другому, третьому та наступних поколіннях. Серія цих досліджень була суттєво спрощена тим, що Мендель спочатку прослідкував закономірності успадкування в ряду поколінь окремої ознаки, яка проявляється двома алельними формами. Такими ознаками були: забарвлення насіння — жовте чи зелене; форма насіння — гладеньке чи зморшкувате; забарвлення недозрілих бобів — зелене чи жовте; форма бобів гладенька чи "перешнурована" між насінинами тощо. Аналізуючи характер успадкування алельного стану окремої ознаки, Мендель не звертав уваги на характер проявлення на цих самих рослинах інших ознак. У ході досліджень Мендель встановив, що нащадки другого гібридного покоління, які походять від вільного розмноження гібридів Р, у межах власної сукупності, розщеплюється на дві фенотипові групи, одна з яких представляє відтворену ознаку, характерну для батьківського організму жіночої статі, а друга — чоловічої. При цьому одна група характеризується фенотиповим проявленням домінантного стану ознаки, а друга — рецесивного. З'ясувалось, що чисельність особин у груп з проявом домінантного стану ознаки завжди в три рази більша, ніж у групі з рецесивним проявом цієї ж ознаки. Серія досліджень, проведених Менделем, підтвердила, що гібридні нащадки в Рг за своїми алельними станами окремої ознаки розщеплюються у відношенні 3:1.
Аналіз результатів схрещувань показує, що від схрещування жовтозерних рослин із зеленозерними всі гібридні нащадки виявляються жовтозерними. Розмножуючись у межах власної сукупності, вони утворюють у другому гібридному поколінні нащадків уже із жовтим і зеленим насінням у відношенні 3:1. Отже, спадкові структури гібридів є подвійними. Цей факт послужив базою для висновку Менделю, що таке відношення гібридних нащадків Р1 може виникати лише за умови, що гібридні рослини Р, у процесі розмноження утворюють дві рівновеликі, але генетично різні групи гамет. На схемі (рис. VI.!) чітко видно, що кожна гетерозиготна особина утворює А-домінантну і а-рецесивну групу гамет. Як зазначалось раніше, це забезпечується процесами мейозу Якщо в мікроспорогенезі мейотична клітина Аа-генотипу вступає в мейоз, то при редукційному поділі на кожну гаплоїдну клітину домінантного А-генотипу утворюється гаплоїдна клітина з рецесивним а-генотипом. Тому кількість А- і а-клітин завжди однакова. Що ж до макроспорогенезу (овогенезу), то хоч після завершення мейотичного поділу вихідної Аа-клітини з утворених чотирьох клітин (дві А- і дві а-генотипу) лише одна започаткує майбутню яйцеклітину, генотип останньої з однаковою ймовірністю може виявитись домінантним або рецесивним за будь-яким піддослідним геном А. Тому в сукупностях кількість яйцеклітин домінантних А- і в-ґенотипів завжди однакова.
Оскільки в процесі запліднення гамета жіночої статі А-домінантного чи а-рецесивного генотипу може з однаковою ймовірністю зустрітися з А-домінантною або з а-рецесивною гаметою чоловічої статі, то за генними комбінаціями цих гамет нащадки другого покоління будуть утворювати чотири рівновеликі групи АА-, Аа-, аА- і аа-генотипів. Зрозуміло, що особини Аа- і аА-генотипів однакові. Це дає підстави вважати, що нащадки Рг розщеплюються на три генотипові групи у відношенні АА : 2Аа : аа, тобто 1:2:1. Крім того, оскільки ген А у своєму прояві домінує над геном а, то внаслідок цього на кожних три особини з домінантною ознакою відтворюється одна особина з рецесивним проявом цієї ж ознаки. В другому гібридному поколінні 1/4 частина нащадків народилась з АА-домінантною вихідною батьківською формою, а 1/4 частина нащадків — з аа-рецесивною вихідною батьківською формою, тим часом як половина (2/4) нащадків F1 успадкувала нову комбінацію Аа-генів. У разі повного домінування А-гена над алельним а-геном, фенотипи особин з АА- і Аа-генотипами є однаковими.
Таким чином, якщо йдеться про теоретично очікувані відношення фенотипово неоднакових груп нащадків у другому поколінні, то вони мають очікуватись за генотипом 1 : 2 : 1, а за фенотипом як 3 : 1. Проте слід пам'ятати, що комбінування гамет чоловічої та жіночої статі в процесі запліднена підпорядковане закону ймовірностей. З цієї причини кожна комбінація утворюється з частотою, яка впритул наближається до теоретично очікуваної, але з деяким відхиленням від неї в той чи інший бік. ЦІ відхилення обумовлюються не тільки закономірностями реалізації імовірностей, але й тим, що в процесі розвитку і росту живих організмів окремі особини з різних причин можуть загинути.
Наприклад, у дослідах Менделя від схрещування жовтонасінних рослин з зеленонасінними в Г-; з 8023 насінин виявилось 6022 жовтих і 2001 — зелених, тобто у відношенні —9 : 3 : 3 : 1. За ознакою забарвлення насінних оболонок це відношення становило 3,15 : 1, а за ознакою забарвлення недозрілих бобів -2,82 : 1. Такі відхилення від теоретично очікуваних відношень мають місце завжди.
Всебічне вивчення Менделем закономірностей успадкування семи різних ознак у гороху, кожна ч яких проявлялась у двох альтернативних формах, привело його до розуміння того, що розщеплення нащадків у другому гібридному поколінні за фенотиповим проявленням різних ознак є не безладним, а упорядкованим. Ця упорядкованість проявляється у формі закону, який можна сформулювати так: моногібридне схрещування гомозиготних за альтернативними формами певної ознаки особин обумовлює розщеплення нащадків у другому поколінні на дві фенотипово різноманітні за цією ознакою групи у відношенні 3:1.
Вивчення успадкування цих ознак в ряду наступних поколінь показало, що домінантний І рецесивний алелі кожної ознаки в процесі розмноження активно переходять з гетерозиготного а гомозиготний стан. Спираючись на закон розщеплення, Мендель допустив, що кожний з нащадків Р; має однакову можливість розмножуватись І утворювати однакову кількість своїх нащадків. Наприклад, особина Аа-генотипу в новому поколінні народжує чотири рівновеликі групи нащадків (АА, Аа, аА, аа}. Якщо тепер кожна з цих груп має можливість родити однакову кількість своїх нащадків, То легко можна підрахувати їхні кількісні відношення в кожному поколінні.
Спадкові фактори, які вивчав Мендель, характеризувались повним переважанням домінантного гена над алельним до нього рецесивним геном. Проте існує величезна кількість генів, котрі в комбінації зі своїми алельни-ми партнерами дають проміжне домінування. Це особливо характерно для генів, які обумовлюють формування кількісних ознак, таких, як розміри організмів, їхніх органів, вміст жирів, білків, вуглеводів тощо. Але і серед генів, що обумовлюють формування якісних ознак, також трапляються алелі з проміжним домінуванням. Наприклад, у нічної красуні бувають червоноквіткові і білоквіткові рослини. Якщо білоквіткову форму схрестити з червоноквітковою, то всі нащадки, як від прямих так і від зворотних схрещувань, будуть лише рожевоквітковими, а нащадки другого покоління розщеплюються на три групи: з червоними, рожевими і білими квітками. В разі проміжного домінування, характер фенотипового розщеплення нащадків у другому поколінні повністю збігається з характером генотипового розщеплення.
ІІІ закон Менделя. Ми прослідкували закономірності успадкування окремої ознаки, яка виступає в двох альтернативних формах. Проте організми перших-ліпших таксономічних видів характеризуються не однією, а багатьма неалельними ознаками, кожна з яких може виступати в двох або в декількох альтернативних формах. Зіткнувшись з цим фактом, Мендель перейшов до вивчення закономірностей успадкування двох, а потім і трьох неальтернативних ознак у гороху.
Наприклад, в одному з дослідів він схрещував рослини, які характеризувались жовтим і гладеньким насінням з рослинами, що мали зелене і зморшкувате за формою насіння. В результаті було одержано насіння першого гібридного покоління, жовте за забарвленням і гладеньке за формою. При дальшому розмноженні було одержане насіння другого гібридного покоління, яке за забарвленням і формою розщепилось таким чином: жовте, гладеньке — 315, жовте, зморшкувате — 101, зелене, гладеньке — 108, зелене, зморшкувате — 32. Щоб вивести певну залежність, позначимо ознаку жовтого забарвлення насіння символом А, зеленого — а, гладенького насіння — В, а зморшкуватого — в. після чого запишемо схему схрещувань у формі, запропонованій англійським генетиком Р.Пеннетом, а саме: групи генетичне однотипних нащадків Рг, які походять від однакових комбінацій гамет, впишемо в окремі клітинки решітки.
Аналіз цієї схеми показує, що від схрещування гомозиготних рослин, в яких насіння жовте і гладеньке з рослинами, в яких насіння зелене і зморшкувате, всі нащадки в Г, виявились дигетерозигоіними: фенотипово всі вони мали жовте і гладеньке насіння. Ці дигібридні рослини, виконуючи функцію батьків Рг, утворили по чотири генотипові групи гамет. У загальній сукупності цих гамет (як жіночої, так і чоловічої статі) кількісно всі чотири групи мають бути рівновеликими. Це знову ж таки обумовлене закономірностями мейозу. Те, що кожна з гамет однієї статі має однакову можливість зустрітись з будь-якою з чотирьох типів гамет протилежної статі статистичне сталі відношення фенотипово неоднакових груп нащадків Р2, які утворюються 16-ма комбінаціями гамет. Якщо проаналізувати характер фенотипового прояву ознак забарвлення та форми насіння, то можна зробити висновок, що за цими ознаками вся сукупність нащадків Р2 розділиться на чотири фенотипові групи: 9А-В- : ЗА-вв : ЗааВ- : Іаава. Прочерки у формулах генотипів означають, що в цих місцях може бути як домінантний, так і рецесивний алельний ген. Також зрозуміло, що домінантний АВ-генотип має утворювати жовте, гладеньке насіння, комбінація домінантного А-гена з рецесивним в-геном - жовте, зморшкувате, а комбінація рецесивного а-гена з домінантним В-геном — зелене, гладеньке насіння. Нарешті, рецесивні ав-гени обумовлюють формування зеленого, зморшкуватого насіння.
Отже, вивчення Менделем характеру розмноження нащадків у другому поколінні показало, що тут з'являються особини з новими комбінаціями ознак. Наприклад, в однієї з вихідних батьківських форм, які залучались Менделем до дигібридного схрещування, ознака жовтого забарвлення насіння комбінувалась з ознакою гладенької форми, а в другої — ознака зеленого забарвлення комбінувалась з ознакою зморшкуватої форми. Проте в нащадків другого Покоління крім груп особин, в яких повторились батьківські комбінації ознак, з'явились дві групи особин, в яких ознака жовтого забарвлення насіння, як зазначалось вище, комбінувалась з ознакою зморшкуватої форми, а ознака зеленого забарвлення — з ознакою гладенької форми.
Зі схеми тригібридних схрещувань видно, що від такого схрещування в першому поколінні з'являються генотипово і фенотипово однакові тригібридні нащадки, а при подальшому розмноженні кожен утворює по вісім генотипово неоднакових, але рівновеликих груп гамет відповідної статі. Оскільки будь-яка з цих гамет однієї статі має однакову ймовірність зустрітися з будь-якою з восьми гамет протилежної статі, цілком зрозуміло, що внаслідок цього може утворитись 64 комбінації гамет. У даному разі решітка Пеннета повинна складатись з 64 клітинок. Якщо ж згрупувати нащадків Р; за феноти-повим проявом ознак, то, на відміну від дигібридного схрещування, тут вже з'явиться вісім фенотипово неоднакових групнащадків у співвідношенні 27:9:9:9:3:3:3:1.
Таким чином, якщо при дигібридному схрещуванні нащадки F2 розщеплюються на чотири фенотипово неоднакові групи у співвідношенні 9 : 3 : 3: 1, і в двох із них проявляються нові комбінації неалельних ознак, то при тригібридному схрещуванні нащадки Ра розщеплюються на вісім груп, при цьому у двох них повторюються комбінації неалельних ознак батьків, а в шести — з'являються нові комбінації таких Зауважимо, що в усіх випадках частота нових комбінацій ознак свідчить про рівновеликість гено-»о різних груп гамет, які утворюються полігібридними особинами, та про вільне комбінування генів між собою в процесі розмноження.
Аналіз результатів, одержаних при ди- та тригібридних схрещуваннях, привів Менделя до висновку про вільне, незалежне комбінування спадкових факторів, які успадковуються нащадками другого покоління. З цього висновку випливає третій закон Менделя, який можна сформулювати так: при схрещуванні організмів, гомозиготних за двома або декількома алельними ознаками, і при подальшому розмноженні нащадків, гени, що обумовлюють формування цих ознак, вільно і незалежно комбінуються між собою, локалізуючись у генотипах нащадків другого покоління відповідно законів ймовірностей.
Гіпотеза чистоти гамет. Факт подвійності спадкових факторів, локалізованих в організмах, навів Менделя на думку про те, що вільне комбінування цих факторів у процесі розмноження гібридів можливе лише за умови розходження (відокремлення) алельних генів один від одного в процесі гаметогенезу. Цей висновок він експериментально перевірив шляхом схрещування гібридів першого покоління з однією з вихідних батьківських форм, гомозиготних за рецесивними генами даних ознак. Такі схрещування були названі зворотними. Виходячи з цих теоретичних посилок випливає, що гетерозиготна Аа-особина може утворити два генотипово різні типи гамет А- і а-генотипів, тимчасом як гомозиготна за рецесивним а-геном батьківська аа-форма може утворити лише один тип а-гамет. Взявши це до уваги, розглянемо схему зворотного схрещування. Вона підтверджує висновок про те, що гетерозиготні за окремим геном особини утворюють два типи гамет, а гомозиготні за відповідним геном — лише один тип гамет.
Від здійсненого Менделем зворотного схрещування утворилась сукупність нащадків, одна половина яких характеризувалась домінантним проявом ознаки, а друга — рецесивним. Це могло статись за умови що, на відміну від гетерозиготних Аа-організмів, гамети гомозиготних аа-організмів виявились "чистими" в тому розумінні, що в їхніх генотипах кожний спадковий фактор представлений лише одним екземпляром. У межах генотипу окремої гамети його не може прикрити (або модифікувати його дію) алельний партнер. Тому з генетичної точки зору кожний ген, який міститься в генотипі гамети, перебуває там у чистому вигляді, тобто в гомозиготному стані.
Виходячи з викладеного, гіпотезу про чистоту гамет, описану Менделем, можна сформулювати так: у гетерозигот об'єднані домінантний та рецесивний спадкові фактори в процесі гаметогенезу відокремлюються один від одного і розходяться в окремі гамети, де кожний з них перебуває в чистому вигляді.
Аналізуючі схрещування. Перевіряючи правомірність гіпотези про чистоту гамет експериментальне, Мендель здійснив ряд зворотніх схрещувань, які показали, що на генотиповому фоні рецесивних гамет вихідної батьківської форми, як на лакмусовому папері, проявляються генотипи та частота генотипів гамет гібридних особин, котрі залучаються до генетичного аналізу. Тому ці схрещування Мендель назвав аналізуючими схрещуваннями.
Одержані нащадки Аа- і аа-генотипів проявились рівновеликими групами у співвідношенні 1 : 1. Ця закономірність зберігається і в разі аналізуючих схрещувань за дигібрид-ною або полігібридною схемою. Наприклад, результати аналізуючого схрещування дигібрида гороху за ознаками забарвлення та форми насіння показали, що на фоні рецесивного генотипу однієї з батьківських форм, яка виступала в ролі аналізатора, одержані нащадки утворили чотири рівновеликі фенотипові групи у співвідношенні 1:1:1:1. Легко зрозуміти, що така рівновеликість має очікуватись, якщо дигетерозигота утворить чотири рівновеликі групи гамет АВ-, Ав-, аВ- та ав-генотипів. У цьому зв'язку ще раз повторимо, що однаковість розмірів груп гамет різних генотипів обумовлена тим, що а процесі редукційного поділу на кожну А-домінантну або В-домінантну гамету утворюється одна а-рецесивна або в-рецесивна гамета. Оскільки домінантний А-ген з однаковою ймовірністю комбінується як з В-домінантним, так і з в-рецесивним геном, АаВв-дигетерозигота утворює чотири генотипово різні типи гамет у рівновеликих кількостях. І хоча Мендель не міг знати про закономірності мейозу, він уже тоді передбачив закономірності редукційного поділу клітинку процесі гаметогенезу.
Вивчення Менделем типів гамет, які утворює тригетерозигота АаВаСс, за ознаками забарвлення і форми насіння та забарвлення насіннєвих оболонок, показало, що тригетерозигота утворює вісім генотипово різних, але за чисельністю рівновеликих типів гамет.
З наведених прикладів видно, що співвідношення нащадків, одержаних від аналізуючих схрещувань, характеризується однаковими кількостями особин у кожній фенотипово відмінній групі лише в разі вільного, незалежного комбінування неалельних генів. Якщо можливість вільного комбінування генів пригнічена якимись факторами, то аналізуюче схрещування одразу виявить цю ситуацію порушенням рівновеликості груп нащадків у поколінні, котре аналізується. Наприклад, в одному з експериментів ми одержали дигетерозиготну форму кукурудзи, яка характеризувалась чорним, гладенької форми насінням
Позначимо домінантний ген забарвлення насіння символом С а рецесивну ознаку білого, незабарвленого насіння — с. Аналогічно цьому, гладеньку поверхню насіння позначимо символом п, а рецесивний ген зморшкуватого насіння — символом П. Звідси генотип дигетерозиготної особини можна записати як сзп/Свп, а рецесивної гомозиготи — як свп/сзп. Проведене аналізуюче схрещування дало такі результати:
чорне, гладеньке СЗЬ — 2497 — 48,39% сзп
чорне, зморшкувате СвН — 78 — 1,66% сзп
біле, гладеньке оЗЬ — 74 — 1,43% СвП
біле, зморшкувате овГІ — 2509 — 48,62% СзП
Результати цього схрещування показали, що дигетерозигота кукурудзи за ознаками забарвлення і форми насіння утворює чотири генотипових типи гамет. Це й очікувалось теоретично. Тим часом очікувана рівновеликість фенотипових груп нащадків виявилась порушеною: замість співвідношення 1:1:1:1, одержали співвідношення 32,3 : 1 : 1 : 32,3. Тобто ознаки забарвлення та форми насіння в кукурудзи не можуть вільно комбінуватись між собою. Забігаючи наперед, зазначимо, що гени С та 5п локалізовані в одній і тій самій хромосомі, а тому, виявившись зчепленими і не можуть вільно комбінуватися між собою.
Застосування статистики для генетичного аналізу. Мендель першим у біологічній науці застосував методи варіаційної статистики для аналізу закономірностей успадкування ознак. Звідси вчення про закономірності спадковості, яке поклало початок генетиці як науці, було назване менделізмом. Менделізм відіграв революціонізуючу роль у біології, довівши, що спадкові фактори мають корпускулярну, дискретну природу, а їхній перехід від покоління до покоління.
визначається статистичними закономірностями. З розвитком генетики розроблено багато способів статистичного аналізу явищ, які відбуваються в процесах розвитку біологічних систем. В сукупності ці способи складають предмет біометрії, або варіаційної статистики, яка широко застосовується в біологічних дослідженнях.
Щоб переконатись у доцільності використання статистичних методів аналізу, розглянемо декілька прикладів. Аналіз моно-, ди- і тригібридних схрещувань показав, що гетерозигота за однією ознакою утворює два типи гамет, за двома ознаками — чотири типи, а за трьома — вісім типів гамет. Проте організми можуть бути гетерозиготними за багатьма десятками різних ознак, тому розібратись у характері розщеплення дуже складно. Однак задача суттєво полегшується, якщо використати виявлений Менделем факт, що кожна полігетерозиготна особина утворює 2" генотипово відмінних один від одного типів гамет. У свою чергу, кількість фенотипових груп нащадків у другому гібридному поколінні також визначається формулою 2", кількість генотипових груп нащадків Рг — формулою 3", а кількість можливих комбінацій гамет від гетерозиготних особин першого гібридного покоління — формулою 4".
У всіх чотирьох формулах символом п позначають кількість різних ознак, за якими гібридні особини виявляються гетерозиготними.
При моногібридному схрещуванні нащадки другого покоління утворюються чотирма комбінаціями гамет, при дигібридному — 16-ма, при тригібридному — 64-ма комбінаціями і т.д. Отже, при полігібридних схрещуваннях для аналізу незручно використовувати решітку Пеннета через її громіздкість. Проте характер розщеплення нащадків Рг на групи за фенотиповими ознаками можна визначити, застосувавши статистичний метод перемноження ймовірностей частоти неалельних генів, які комбінуються між собою в процесі розмноження. Розглянемо послідовність обчислення частоти фенотипового прояву певних комбінацій ознак (генів). Наприклад, потрібно визначити відносні розміри групи особин у другому гібридному поколінні, в яких фенотипово проявилась комбінація двох домінантних АС-генІа з Рг, які з'являються в процесі рецесивним в-геном, тобто необхідно визначити розміри очікуваної групи А-ввС-генотипу. З табл.VI.2 видно, що домінантна ознака А комбінується з ймовірністю 3/4. З такою самою ймовірністю комбінується І домінантна С-ознака, а рецесивна в-ознака комбінується з імовірністю 1/4. Отже відносні розміри групи особин АввС-фенотипу будуть: 3/4 х 1/4 х 3/4 - 9/64.
Фенотипи нащадків Рг:
А-В-С- — 3/4 х 3/4 X 3/4 = 27/64 А-В-сс — 3/4 X 3/4 X 1/4 = 9/64
А-ВВС- — 3/4 х 1/4 X 3/4 = 9/64 ааВ-С- — 1/4 х 3/4 х 3/4 = 9/64
ааВ-сс— 1/4 X 3/4 х 1/4 = 3/64 А-ввсс —3/4x1/4x1/4 = 3/64
ааввС- — 1/4 х 1/4 х 3/4 = 3/64 ааввсс — 1/4 х 1/4 х 1/4 - 1/64
Співвідношення генотипів у Рг — 27: 9:9:9:3:3:3:1
Аналіз сутності відкриттів, зроблених Менделем, з позицій сучасного рівня генетичних знань показує, що закони Менделя зберігають своє значення у випадках, коли:
Мендель першим з природодослідників експериментально довів, що:
Мендель розробив і продемонстрував у класичній формі методи гібридологічного аналізу. Він ввів у генетику математичну символіку І довів високу пізнавальну силу статистичних методів у гібридологічному аналізі закономірностей спадковості.
Як відзначив академік Б.Л.Астауров, "Мендель охопив саму сутність спадковості, продемонстрував деякі з її найбільш типових і важливих закономірностей і дав для вивчення останніх найпростіші і необхідні методи".
Лекція №4: «Успадкування при взаємодії генів»
Питання:
З бурхливим розвитком генетики, котрий розпочався після перевідкриття законів Менделя, крім підтвердження останніх, було відкрито багато явищ, які є причиною значного відхилення співвідношень фупнащадків Рг від очікуваних у відповідності з цими законами.
З'ясувалось, що однією з причин таких відхилень є функціональна взаємодія неалельних генів. Класичним прикладом взаємодії неалельних генів, яка призводить до виникнення нових ознак, є успадкування форми гребенів у курей. Так, від схрещування гомозиготних курей, які мають розовидний гребінь ААвв, а особинами, які мають гороховидний гребінь ааВВ, у всіх нащадків Р, АаВв формується гороховидний ребінь, схожий на половинку грецького горіха. (Таку форму гребенів має малайська порода курей).
Якщо нащадків з горіховидним гребенем розмножувати в межах своєї сукупності, то утворюються нащадки, які розщеплюються за схемою дигібридного схрещування, тобто — 9 горіховидних : 3 розовидних : 3 гороховидних : 1 листовидний.
При розщепленні нащадків Рг у співвідношенні 9:3:3:1, утворення групи особин з гороховидними гребенями спричинено взаємодією двох неалельних, домінантних генів А і В. Звернімо увагу на те, що в дигібридному схрещуванні неалельні гени А і В) обумовлювали формування двох різних ознак, наприклад забарвлення насіння і форму насіння. В разі ж взаємодії два неалельних гени обумовлюють формування лише однієї ознаки — форми гребеня. З іншого боку, на кожні дев'ять особин з горіховидним гребенем відщеплюється одна особина з листовидним гребенем. У дигібридній схемі це відповідає подвійно-рецесивному генотипу за двома різними ознаками. Крім виниклих нових ознак, серед нащадків Рг на кожні дев'ять особин з горіховидним гребенем І одну— з листовидним гребенем виникло дві групи (по три особини кожна), в яких відтворились розовидна та гороховидна форми гребенів. Це мають бути особини, в яких домінантний ген однієї якості ознаки комбінується з рецесивним неалельним геном іншої якості тієї ж самої ознаки або навпаки. Такі генотипи мають особини з розовидним (ААвв чи Аавв) та гороховидним (ааВВ чи ааВв) гребенями.
Рецесивні ав-гени обумовлюють формування листовидного гребеня. Домінантний А-ген у комбінації з рецесивним в-геном обумовлює формування розовидного гребеня, а домінантний В-ген у комбінації з рецесивним а-геном дає гороховидний гребінь. І, нарешті, взаємодія домінантних генів А і В формує нову ознаку — гороховидний гребінь.
Спостереження за закономірностями спадкування ознак показує, що нерідко фенотипова ознака проявлясіься за наявності в складі генотипу дьох домінантних неалельних генів. Якщо ж до складу геному входить домінантний ген у комбінації з неалельним до нього рецесивним геном, очікуваний фенотиповий ефект не настає. Наприклад, при схрещуванні двох білоквіткових сортів запашного горошку в гібридів Р, всі квітки виявляються червоними, а в нащадків Р2 на кожні дев'ять червоноквіткових особин з'являється сім білоквіткових. Оскільки сума цих двох чисел (7 І 9) дорівнює 16, стає цілком очевидним, що сукупнісІ ь нащадків із 16 рівновеликих груп може утворитись лише від 16 комбінацій гамет. А це трапляється лиціе в разі дигібридного схрещування.
Дев'ять червоноквіткових груп нащадків мають червоне забарвлення пелюсток лише в тому разі, коли до складу генотипів цих рослин входять домінантні гени А і В. Разом з тим наявність у складі генотипу домінантного А-гєна а комбінації з рецесивним в-геном або В-гена в комбінації з рецесивним а-геном не обумовлює будь-якого забарвлення квіток у відповідних рослин.
Таким чином, у горошків два неалельних домінантних АВ-гени в своїй функції доповнюють один одного. Кожний з них окремо не обумовлює фенотипового ефекту, але цей ефект чітко проявляється в разі їхньої взаємодії. Таке явище назвали комплементарною взаємодією гонів. Отже, комплементарною взаємодією генів називають явище, коли ознака формується при взаємодії двох неалельних домінантних генів, кожний з яких самостійно не дає фенотипового ефекту.
Іноді явище комплементарної дії генів може стосуватись лише одного домінантного гена і не мати місця щодо другого неалельного домінантного гена. Взаємодію в таких випадках ще називають дією до неалельних генів. Наприклад, якщо схрестити рослини льону, що мають блакитні квітки, з білоквітковими особинами, то в другому поколінні на кожних дев'ять блакитноквіткових вищеплюється три рожеві і чотири білоквіткових рослини. Це співвідношення відповідає дигібридній схемі схрещувань, наведених 4М'|Ше. УІІ.З. Аналіз схеми показує, що домінантний А-ген обумовлює формування рожевих квіток у комбінації з числельним рецесивним в-геном.
Що ж до домінаніного В-гена, то в комбінації з рецесивним неалельним до нього а-геном він не спричинює формування забарвлених квпок. Разом з цим при взаємодії домінантних генів А І В формуються блакиїні квітки.
Така взаємодія генів, за якої один ген пригнічує функцію другого, неалельного до нього гена, називається епістазом або супресією генів.
Якщо домінантний ген пригнічує фенотиповий прояв неалельного до нього домінантного гена, то такий епістаз називають домінантним, а епістатичний ген — геном супресором. Наприклад, схрещування гомозиготних сірих коней з гнідими в Р, дає сірих нащадків. Розмноження цих нащадків у межах власної сукупності утворює нащадків Р2, які розщеплюються на фенотипові групи у співвідношенні 12 сірих : 3 вороних : 1 гнідий. На схемах схрещувань (рис. VII.4} видно, що домінантний ген В у комбінації з неалельним до нього рецесивним с-геном обумовлює формування особин вороної масті. Однак у комбінації з неалельним домінантним С-геном — здатність домінантного В-гена впливати на формування масті у коней пригнічується. Таким чином, домінантний С-ген пригнічує функцію домінантного В-гена. Це і є прикладом домінантного епістазу.
Якщо рецесивний ген пригнічує дію неалельного до нього домінантного гена епістаз називають рецесивним. У даному разі рецесивні гени виступають у ролі генів-супресорів. Ген-супресор є епістатичним геном пригнічуваного ним неалельного гена, а подавлений ген відноситься до гена-супресора стає гіпостатичним геном.
Розглянемо приклад рецесивного епістазу. Польові миші мають сіре забарвлення хутра (забарвлення агуті). При розмноженні їх у неволі серед нащадків наступних поколінь іноді з'являються мутантні особини, які за забарвленням хутра відрізняються від особин дикого типу, тобто із забарвленням агуті. Якщо методом штучного добору створити гомозиготні лінії мишей з чорним і, скажімо, білим забарвленням хутра, а потім схрестити їх між собою, то всі нащадки Р, матимуть забарвлення агуті, а в Рг відбудеться розщеплення у співвідношенні дев'ять сірих (агуті) : три чорних : чотири білих. Зі схем схрещувань (рис. VII.5) видно, що домінантний С-ген самостійно спричиняє формування чорного забарвлення хутра, а у взаємодії з домінантним неалельним А-геном формується сіре забарвлення хутра. З іншого боку, домінантний А-ген не дає самостійного фенотипового прояву, Тому він може розглядатись як комплементарний щодо С-гена. Крім того, оскільки А-ген у взаємодії з С-геном дає фенотиповий ефект, а з рецесивним с-геном його дія не проявляється, то це свідчить, що рецесивний с-ген пригнічує функцію неалельного домінантного А-гена. Тому останній є гіпостатичним до рецесивного с-гена.
Сукупності неалельних генів у складі генотипу, які обумовлюють розвиток однієї і тієї ж ознаки, називають полімерними (багатомірними) генами. Поняття полімерний означає багатомірний. Отже, полімерні гени —це гени однозначної дії. Своєю функцією вони обумовлюють формування кількісних ознак. Слід відзначити, що переважна кількість ознак у видів живих організмів успадковується кількісно. При цьому характер фенотипового прояву кількісної ознаки обумовлюється сумарною дією блоку полімерних генів однозначної дії. Сумарну дію генів, від яких залежить формування певної ознаки, ще називають кумулятивною або адитивною дією.
Наочним прикладом кумулятивної дії генів є синтез вітаміну А в ендоспермі зернівок кукурудзи. Нагадаємо, що клітини ендосперму кожної зернівки злакових рослин — триплоїдні. Це означає, що в кожній клітині ендосперму локалізовано по три набори хромосом. Тому і кожний ген генотипу тут представлений потрійною дозою.
Було з'ясовано, що кількість вітаміну А. вираженого в одиницях активності, синтезується домінант ним У-геном і майже не синтезується рецесивним у-геном. Тому накопичення цього вітаміну в клітинах повністю залежить від дози домінантного У-гена. Наприклад, наведені нижче генотипи ендосперму кукурудзи дають такий ефект: ууу - 0,05; Ууу — 2,25; УУу — 5,00; УУУ-".ВО одиниці активності вітаміну А.
Цей приклад дає чітке уявлення про кумулятивний ефект дози гена, хоча у переважній більшості випадків визначити внесок кожного полімерного гена у формування о:» наки дуже важко і лише деякі ознаки можуть піддатися такому аналізові. Зокрема, шведський вчений Г.Нфьсон-Єле ще в 1910 р. вивчив закономірності успадкування забарвлення зернівок пшениці. Як відомо, в пшениці вони бувають білі та червоні. Причому білі зернівки в процесі їхньої ідентифікації завжди відносяться до однієї фенотипової групи, а червоні за інтенсивністю забарвлення розщеплюються на декілька фенотипо-вих груп. Схрестивши рослини, що мали темно-червоні зернівки з білозерними особинами, Нільсон-Еле одержав гібридне насіння Р„ яке було червоним. Подальше, розмноження дало сукупність насінний Р2, які розщепились у такому співвідношенні: 1 темно-червона : 4 густо-червоних : 6 червоних : 4 світло-червоних : 1 біла. Якщо розглянути теоретично очікувану частоту генотипів та фенотипів у решітці Пеннета, то видно, що інтенсивність забарвлення насінин обумовлюється сумарною дозою домінантних генів однозначної дії. Тобто проявляється кумулятивний ефект.
З аналізу співвідношення фенотипових груп нащадків Рг видно, що коефіцієнти кожної з цих груп розподілились таким чином 1:4:6:4:1. Саме такі коефіцієнти утворюються в разі розкладання бінома Ньютона. В нашому прикладі цей біном набуває форми (р+р)4. Тут четвірка означає частоту домінантних Н-генів однозначної дії. їх комбінацій між собою та зі своїми рецесивними алелями в кожному генотипі може бути не більше чотирьох. Якщо генотипи кожної групи особин розписати в порядку слідування генотипових частот, одержимо гістограму, яка наочно показує, що кількісні ознаки успадковуються відповідно до законів біноміального розподілу. Відзначимо, що домінантні полімерні гени в парах зі своїми рецесивними алелями характеризуються проміжним домінуванням.
Частіше кількісні ознаки обумовлюються дією великого числа неалельних генів однозначної функції. Але точно визначити кількість неалельних генів, які формують певну кількісну ознаку, практично неможливо. Пояснюється це тим, що деяка частина з блоку полімерних генів завжди може перебувати в гомозиготному стані. Зрозуміло, що триґетерозигота утворить нащадків відповідно до тригібридної схеми.
Тут фенотипово проявиться дія всіх трьох неалельних А-генів. Дигетерозиготна особина утворить нащадків за дигібридною схемою. І тут фенотипово проявляться А, — і Аз-гени, але не проявиться ген А;,. Нарешті, моногетерозиготна особина утворить нащадки за монопбридною схемою. Тут фенотипово проявиться дія А,-гена і не проявиться дія Ось чому слід мати на увазі, що б природі в межах кожного блоху полімерних генів деяка частина їх завжди може перебувати а гомозиготному стані. Це унеможливлює ідентифікацію функціональної активності відповідних генів. Велика кількість неалельних генів, які складають блок їхньої однозначної дії, нерідко обумовлюють фенотипову неперервність в успадкуванні кількісних ознак. Тому закономірності успадкування кількісних ознак найчастіше вивчають методами варіаційної статистики.
Явище неповного домінування характеризується формуванням проміжного значення ознаки порівняно з її крайніми альтернативними формами. Наприклад, при схрещуванні червоноквіткових особин нічної красуні з білоквітковими всі нащадки Р, е рожевоквітковими, а нащадки другого покоління розщеплюються у співвідношенні 1:2:1.
Явище неповного домінування практично можна спостерігати при схрещуванні не тільки за моногібридного, але і за дигібридного та полігібридного схемами. Наприклад, у котиків від схрещування особин з червоними квітками нормальної форми квітів і особинами з білими квітками пілоричної форми, у другому поколінні отримують розщеплення нащадків у таких співвідношенні: червонопелюсткових, пелоричних -ААвв — 1, червонопелюсткових, нормальної форми—ДАВ— З, рожевопелюсткових, пелоричних -Аавв — 2, рожевопелюсткових, нормальної форми — АаВ- — 6, білопелюсткових, нормальної форми.
Як бачимо, в ротиків зка забарвлення пелюсток успадковується проміжково, тимчасом як форма квітки характеризується повним домінуванням ми нормальної форми квітів і особинами з білими квітками пілоричної форми, у другому поколінні отримують розщеплення нащадків у таких співвідношенні:
червонопелюсткових, пелоричних — ААвв — 1,
червонопелюсткових, нормальної форми — ААВ- — З,
рожевопелюсткових, пелоричних -Аавв — 2,
рожевопелюсткових, нормальної форми — АаВ- — 6,
білопелюсткових, нормальної форми - азВ- — З,
Внаслідок перекомбінації гена, що характеризується неповним домінуванням, з шість груп замість чотирьох, які очікувались при дигібридному схрещуванні.
У суниць обидві ознаки, що обговорюються, контролюються генами, які характеризуються проміжним мінуванням. Тут замість чоіирьох очікуваних у Рг груп отримано дев'ять груп. При цьому в кожній фемо-Іипошй групі проявляться також її генотип, про Ідо свідчить фенотипоьий прояв доз домінантних генів у різних комбінаціях між собою.
Проміжне домінування характерне для багатьох кількісних ознак. Вже на закономірностях успадкування забарвлення зернівок пшениці було показано (рис. VII.6, 7), що доза гена з проміжним домінуванням відіграє провідну роль у формуванні ознаки, а отже, має важливе значення для селекційної роботи.
Здатність гена у своїй функції обумовлювати формування двох або декількох різних фенотипових ознак називається плейотропією. Класичним прикладом плейотропної ДІЇ гена є рецесивний ген серповидно-клітинної анемії. Мутація домінантного 5-гена до рецесивного стану і перехід мутантного алеля в гомозиготний стан обумовлює формування еритроцитів крові людини, які набувають форми м'ячиків з випущеним повітрям. На препаратах під мікроскопом такі еритроцити за формою нагадують серпики. Діти, гомозиготні за цим мутантним геном, доживають лише до дворічного віку і гинуть від анемії. Цікаво відзначить, що в басейні р. Конго в Африці місцеві популяції людей є переважно гетерозиготними за геном серповидно-клітинної анемії і характеризуються 55-генотипом. Обумовлено це тим, що рецесивний 5-ген забезпечує стійкість до малярії. Отже, мутантний 5-ген, який в гомозиготному стані спричинює анемію, одночасно формує стійкість організму людини до малярії. В болотистих районах басейну р. Конго, де за високих температур повітря разом з його вологістю дуже поширена малярійна інфекція, люди з рецесивним яз-генотипом гинуть від анемії, а з 53-генотипом — від малярії. І тільки гетерозиготні особини Зз-генотипу виявляються нормально забезпеченими газообміном і є стійкими до малярії.
В людини можлива домінантна мутація, внаслідок якої довшають кінцівки, особливо пальці. Звідси назва таких пальців — павучі. Але, крім павучих пальців, цей мутантний ген спричинює формування дефективних кришталиків очей.
У великої рогатої худоби відомі мутації гена коротконогості. Ця ознака проявляється лише в гетерозиготних за цією мутацією особин, а той самий ген у гомозиготному стані обумовлює летальний ефект.
Плейотропною дією характеризується ген сірого забарвлення смушку в каракульських овець. З'ясувалось, що вівці каракульських порід із сірим забарвленням смушку є гетерозиготними. Але одержане від схрещування між собою сірих овець потомства завжди розщеплюються у співвідношенні 2:1. Тобто на кожні двоє сірих ягнят народжується одне чорне. Дослідження показали, що ген сірого забарвлення в гомозиготному стані виступає як рецесивний летальний ген, а в гетерозиготному стані з алельним геном дикого типу обумовлює сіре забарвлення смушку.
Явище плейотропії досить широко розповсюджене в складі генотипів різних таксономічних видів організмів і суттєво впливає на їхню еволюцію.
Гени, які посилюють або послаблюють чіткість фенотипічних проявів інших неалельних генів, називаються генами-модифікаторами. Наприклад, кучеряве оперення в курей, спричинене відповідною домінантною мутацією, характеризується чітким фенотиповим проявом як у гомозиготному, так і в гетерозиготному стані. Проте існує ген неалельний до гена кучерявості оперення, котрий в гомозиготному стані пригнічує домінування мутантного гена кучерявості. Цим самим даний ген виконує функцію гена-модифікатора.
У генів-модифікаторів самостійна функція нерідко не проявляється. Про існування цих генів дізнаються, коли стає очевидним їхній вплив на активність функціонування інших генів. Наприклад, Ю.О.Філіпченко ще в 1928 р. встановив, що довжина колосків пшениць успадковується за багатогенною схемою. Проте детальний аналіз показав, що успадкування гена довжини колоса значною мірою модифікується декількома неалельними генами-модифікаторами, які не мають іншого фенотипового прояву.
Особливо відчутно впливають гени-модифікатори на характер фенотипового прояву кількісних ознак, таких, як врожайність, маса організму, його лінійні та об'ємні розміри, концентрація білків, жирів або вуглеводів у клітинному соку тощо.
Шляхом штучного добору можна накопичувати гени-модифікатори в таких комбінаціях, які будуть суттєво посилювати або послаблювати фенотиповий прояв тих чи інших кількісних ознак.
Розглядаючи різні випадки взаємодії генів, ми переконались, Ідо одні гени можуть пригнічувати дію інших, неалельних до них генів (епістаз, супресія), або здатні викликати фенотиповий ефект при взаємодії з неалельними генами (комплементарність, дія полімерних генів, явище плейотропії тощо). Все це свідчить про те, що формування будь-якої ознаки обумовлене дією не одного, а багатьох неалельних генів. Звідси й виникає уявлення про гени-модифікатори, яке експериментальне підтверджується на різних генетичних об'єктах. Як уже зазначалось, гени-модифікатори не мають самостійного фенотипового прояву. Вони лише змінюють активність функціонування Інших, неалельних до них генів.
Дані про взаємодію генів свідчать, що нормальний розвиток організму забезпечується складною системою функціонально інтегрованих генів, які утворюють генетичну програму відповідного організму. Порушення цієї програми може мати трагічні наслідки для даного організму. Наприклад, у людини трапляються випадки иерозходження хромосом в мейозі. Внаслідок цього утворюються гамети, в яких замість очікуваних міститься по 24 та по 22 хромосоми. Це означає, що якась хромосома в 24-хромосомній гаметі представлена двома гомологами, а в 22-хромосомній гаметі не вистачає відповідної хромосоми. Якщо 24-хромосомна гамета об'єднається з нормальною гаметою протилежної статі, то утвориться зигота, в якій кожна з 22 хромосом буде представлена парами гомологів, а одна хромосома буде представлена трьома гомологами. Це означає, що каріотип майбутнього організму замість 46 буде нараховувати 47 хромосом. Тобто за якоюсь із 23 пар очікуваних хромосом майбутній організм виявиться трисоміком. Встановлено, що утворення зиготи-три соміка по 21-й хромосомі започатковує організм дитини з Іромом Дауна. Такі діти характеризуються розумовою відсталістю. При утворенні трисомій по 5 й хромосомах народжуються діти з рудиментарними очима. 8 окремих випадках у таких дітей очі повністю відсутні. Іноді в них формується вовча паща або заяча губа. В разі трисомії по 17-18-й хромосомах народжуються діти з аномаліями вух, черепних кісток, з порушеннями психіки. Аналогічні аномалії, спричинені трисомією, спостерігаються в тварин та рослин.
Таким чином, втрата генотипом одного чи декількох генів, що трапляється в разі порушення цілісності хромосом, при моносомії, нулісомії тощо або ж поповнення генотипу додатковими генами, що трапляється при утворенні трисоміків, полісоміків чи хромосомних перебудовах, може суттєво порушувати генний баланс, який склався протягом тривалого еволюційного розвитку організмів. Механізм цього балансу полягає в тому, що в генотипі будь-якого виду організмів між десятками тисяч генів проявляється чітко інтегрована їхня функція. Втрата чи надбання певних генів генотипу впливає на гальмування або на надмірне зростання темпів формування відповідних ознак. Цим і обумовлюються аномалії в їхньому фенотиповому прояві.
Підсумовуючи викладене, можна дійти висновку, що гени в складі генотипу не є ізольованими один від одного. Вони взаємодіють у процесі функціонування. Ця взаємодія простежується в дослідженнях з гібридологічного аналізу, в цитогенетичних та біохімічних дослідженнях. Накопичення даних про закономірності різних форм взаємодії генів набуває все більшого значення в практиці селекції домашніх тварин та сільськогосподарських рослин.
Лекція № 2
Тема: «Закони Менделя»
Питання:
Основні види схрещувань - моногібридне, полігібридне та аналізуюче. Далі будуть розглянуті й роз'яснені при вивченні законів Менделя. Він вніс дуже важливий внесок у з'ясування сутності спадковості, досвіди якого по схрещуванню рослин лежать в основі більшості сучасних досліджень. Застосовуючи схрещування рослин, що розрізняються по контрастних ознаках, Мендель в 1865 р. сформулював ідею про існування спадкоємних факторів. Гибридологічний метод, пов'язаний з вивченням характеру спадкування окремих ознак і властивостей, значною мірою визначив успіх досліджень Менделя й дозволив йому виявити й сформулювати основні правила спадковості.
До основних особливостей гибридологічного методу вивчення спадковості відносять: 1) використання як вихідні форми схрещування рослин, що відрізняються друг від друга порівняно невеликою кількістю (одна, дві або три пари) контрастних ознак, і ретельний облік характеру спадкування кожного з них; 2) точний кількісний облік гібридних рослин, що розрізняються по окремих ознаках, у ряді послідовних поколінь; 3) індивідуальний аналіз потомства від кожної рослини в ряді послідовних поколінь; 4) неприпустимість впливу чужорідного генетичного матеріалу на батьківські раси й гібриди; 5) збереження здатності до розмноження в гібридів і їхніх нащадків.
Схрещуючи рослини, що розрізняються між собою по одній парі альтернативних ознак, (таке схрещування називають моногібридним), Мендель виявив, що гібриди першого покоління проявляють тільки одну ознаку з альтернативної пари. Taк, при схрещуванні сорту гороху, що має жовті насіння, із сортом, що мав зелені насіння, всі гібридні насіння були жовтими, поза залежністю від того, який сорт використали в якості материнського. При схрещуванні високих рослин з низькорослими в першому поколінні всі рослини були високорослими й т.д. На підставі цих досвідів він дійшов висновку, що при схрещуванні сортів, що відрізняються по одній парі ознак, у гібридів першого покоління (F1) завжди є ознака тільки одного з батьків. Такі ознаки Мендель назвав домінантними (лат. dominantis - пануючий). Ті ознаки, які в гібридів першого покоління не проявлялися, Мендель назвав рецессивными (лат. recessus-відступ).
Це явище Мендель назвав правилом домінування, що у цей час прийнято називати першим законом Менделя або законом однаковості гібридів першого покоління.
Піддавши гібридні рослини самозапиленню, Мендель виявив, що серед нащадків таких гібридів поряд з особинами, що несуть домінантна ознака, з'явилися особини з особливостями іншого батька, що раніше не виявилися. Відзначений Менделем факт того, що рецесивна ознака в схованому виді проходить через покоління гібридів і знову виникає в їхніх нащадках, привів ученого до ідеї про існування відповідальних за ці явища спадкоємних факторів. Для зручності обробки отриманих даних Мендель застосував літерне позначення спадкоємних факторів: для домінантної ознаки А, для рецессивного - а. Спадково чисті домінантні особини одержали позначення АА, а чисті рецессивные особини— аа. Альтернативні спадкоємні фактори стали називати аллелями. Аллели можна охарактеризувати як різні (контрастні) форми одного гена, або інакше в результаті модифікації гена, або як ознаки, обумовлені однією парою аллельных генів. Надалі організми, що мають пару однакових аллелей (АА або аа), стали називати гомозиготними, а особин з набором Аа — гетерозиготними. Шляхом самозапилення рослин першого покоління Мендель одержав насіння. Три чверті цих насінь мали жовте фарбування й одна чверть — зелену. При вирощуванні й самозапиленні рослин із зелених насінь було виявлено, що всі ці рослині утворять тільки зелені насіння. Рослини, отримані з жовтих насінь, при самозапиленні виявили інші властивості. З жовтих насінь Мендель виростив і піддав самозапиленню певна кількість рослин. Одна чверть цієї кількості утворила тільки жовті насіння, у той час як три чверті рослин утворили як жовті, так і зелені насіння в кількостях, що наближаються до співвідношення 3:1. Таким чином, рослини третього покоління розділилися на дві групи: групу рослин, що утворила тільки жовті насіння, і групу рослин, подібно гібридам що дав як жовті, так і зелені насіння в співвідношенні 3:1. Неконстантні й константні рослини в F2 минулого виявлені в співвідношенні, близькому 2:1.
На підставі проведених досвідів Мендель сформулював друге правили, або закон розщеплення ознак у гібридів другого покоління. Другий закон спадковості - основний внесок Грегора Менделя в експериментальне вивчення спадковості.
Третій закон Менделя — закон незалежного спадкування — був сформульований їм на підставі вивчення потомства від дигибридных схрещувань. Так, при схрещуванні сорту гороху, що мав гладкі жовті насіння (ААВВ), із сортом, що мав зелені зморшкуваті насіння (aabb, гібриди F, мали жовті гладкі насіння, тому що гладка форма насінь домінує над зморшкуватою. В F2 серед отриманих насінь Мендель виявив кілька фенотипів, що можна виразити співвідношенням 9:3:3:1. При розгляді цього співвідношення видно, що поряд з насіннями, що володіють сполученнями ознак, характерними для вихідних форм (гладкі жовті й зморшкуват зелені), в F2 з'являються насіння з новими сполученнями ознак — гладк зелені й зморшкувата жовті, тобто відбувається перекомбінація ознак вихідних форм.
На підставі докладного аналізу даного досвіду й ряду аналогічних схрещувань Мендель дійшов висновку, що фактори А и В у гібридів Аавь при утворенні полових клітин розподіляються між собою зовсім незалежно друг від друга й дають різні сполучення з однаковою частотою. Тому серед полових клітин, утворених гібридами fj, одна половина містить фактор А, інша - а. Така сама ситуація й з факторами В и Ь. Кожна полова клітина містить тільки по одному представнику від пари факторів Аа й по одному представнику від пари ВЬ, тому можливі тільки чотири сполучення - АВ, Ab, a, ab. Це рівною мірою відносячи як до жіночих полових клітин, так і до чоловічого. Сполучення гамет з різними генотипами відбуваються зовсім випадково, тому утворення зигот у гібридів при дигібридних схрещуваннях математично можна виразити в такий спосіб: (AB + Ab + a+ab) х (AB + Ab + a + + АВ). Після розкриття дужок і об'єднання зигот формула здобуває наступний вид: 9АВ : ЗАЬ : Зав : ab, що повністю відповідає емпірично знайденому співвідношенню: 9 гладких жовтих (АВ) : 3 зморшкуватим жовтим (Ab) : 3 гладким зеленим (ав) : 1 зморшкуватому зеленому (ab).
Якщо припустити, що фактори А и В розташовані в різних негомологічних хромосомах (незалежний розподіл спадкоємних факторів має місце тільки при цьому умові), те, користуючись сучасною термінологією, весь процес розщеплення можна описати за допомогою ґрат Пеннета. Для наочності пари хромосом, у яких розташовані гени А к а, зображена у вигляді палочковидних тіл, а пари хромосом, у яких розташовані гени В и Ь, - у вигляді округлих. Хромосоми домінантного предка пофарбовані в чорний цвіт, а хромосоми рецесивного залишені білими. Тому що після мейозу число хромосом зменшується вдвічі, те гамети домінантного батька мають генотип АВ, а гамети рецесивного - генотип ab. З'єднання гамет дає зиготу F, з генотипом АаВь. Під час мейозу в гібридів F, батьківські й материнські хромосоми розходяться в дочірні клітини зовсім незалежно друг від друга.
Для досвідів по схрещуванню Мендель вибрав 22 сорту гороху, які мали чіткі альтернативні розходження по ряду ознак: круглі або зморщені насіння, жовті або зелені сім'ядолі, високі або карликові рослини. Досліджуючи ці сорти методом самозапилення, Мендель переконався, що вони являють собою спадково чисті форми в ряді поколінь вони не давали ніяких відхилень від стандартних ознак сорту. Мендель схрещував рослини, що відрізняються друг від друга по одному, двох або трьох парах контрастних ознак. Частина гібридних рослин Мендель схрещував з вихідними сортами, а інші піддав самозапиленню. У другому поколінні гібридів він уважно вивчав всі рослини й записував результати своїх спостережень. Отримані дані Мендель обробив математично й у результаті виявив чітку закономірність передачі окремих ознак від батьківських форм до нащадків у ряді послідовних поколінь.
Мендель відкрив закони успадкування ознак у гібридів першого, другого та наступних поколінь. Але це епохальне відкриття привернуло до себе увагу вчених лише через 35 років, тобто в 1900 р. Саме тоді Е.Чермак в Австрії, К.Корренс в Німеччині І Г.Де Фріз в Голландії, незалежно один від одного, одночасно відкрили закономірності успадкування, тобто перевідкрили закони Менделя. Згодом з'ясувалось, що закономірності, які Мендель відкрив на рослинах гороху, підтвердились на Інших рослинних і тваринних об'єктах. Розгорнуті широкі дослідження показали, що закони Менделя характерні для всіх диплоїдних видів рослинних і тваринних організмів, тобто вони універсальні. Таким чином, відкриття Менделя значно випередило рівень розвитку сучасної йому біології. Тодішні біологи були неспроможні осмислити чи зрозуміти факти матеріальності існування спадкової субстанції, а тому й відкриті закони виявились для них незрозумілими.
Досліди Менделя характеризувались принципово новими підходами до їх проведення та теоретичного узагальнення результатів. Ознайомившись з методами роботи Й.Кельрейтера, У.Герберта, Х.Лекока та інших дослідників, які створювали і вивчали гібридні форми організмів, Мендель відзначив, що жоден з них не попробував вивчити гібридних нащадків у наступних поколіннях. Саме цей факт блокував можливість творчих підходів та узагальнень при аналізі результатів подальших етапів досліджень, оскільки етапи залишались поза увагою вчених. Свої дослідження Мендель розпочав з вибору об'єкта, який мав відповідати таким вимогам:
На думку Менделя, цим вимогам добре відповідали бобові рослини. У гороху, наприклад, легко ідентифікуються альтернативні ознаки. Пилки квіток дозрівають, розтріскуються і відкривають приймочку маточки задовго до розпускання квіток, тобто горох відноситься до рослин-самозапилювачів. Гібридні нащадки в нього добре плодоносять. Всі ці факти спонукали Менделя обрати саме горох об'єктом своїх дослідів.
Насіння кожного з 34 зразків гороху посівного Мендель висівав окремими ділянками протягом двох поколінь, не втручаючись у процеси запилення. В результаті з 34 зразків насіння було відібрано 22, в яких стабільно успадковувались ознаки в певних альтернативних формах. Серед них були відібрані пари вихідних форм з такими альтернативними ознаками:
гни-забарвлення недозрілих бобів — зелене або жовте; - місце розміщення квіток — пазушне або верхівкове;
– висота рослин — висока або низька, тощо.
Побачивши, що кожна ознака може виступати в двох або декількох альтернативних станах, Мендель значив ознаки символами латинського алфавіту. При цьому домінантний стан ознаки він позначив великою, а рецесивний — малою літерою. Це дозволило в стислій формі запису досягнути високої інформативності. Разом з цим буквова форма запису генів за характером фенотипового проявлення ознак дозволила у високоінформативній формі записувати схеми схрещувань, систематизувати сукупності нащадків цих схрещувань у групи за теоретично очікуваними комбінаціями генів, які вивчаються дослідником.
Вже згадувалось, що кожну ознаку Мендель умовно позначав будь-якою літерою, а альтернативний прояв цієї ж ознаки тією самою літерою, але великою чи малою, у залежності від стану домінування. Наприклад, схрещування жовтонасіниих рослин гороху із зеленонасінними в першому поколінні дало лише жовтонасінних нащадків, а при самозапиленні їх у другому поколінні, крім жовтого насіння в бобах з'явилось зелене насіння у співвідношенні 3:1. Аналогічні факти були виявлені в дослідах для вивчення успадкування інших ознак рослин гороху.
Аналіз експериментальних даних привів Менделя до розуміння того, що спадковий фактор, напри-ознаки забарвлення насіння, може існувати і локалізуватись в організмі у двох альтернативних станах — жовтому і зеленому. Але в гібридному організмі жовте панує, або домінує над зеленим. Тому спадковий фактор жовтого забарвлення, як домінантний, можна позначити великою літерою А, а зеленого, як рецесивний, — малою літерою а. Звідси випливає, що гібридна особина у своїх спадкових структурах контролюється двома екземплярами спадкового фактора забарвлення насіння. Тому в гібридної особини генотип ознаки забарвлення насінин можна записати символами Аа. Аналогічно з цим вихідна батьківська звивчаста форма, в ряду поколінь якої народжуються лише жовтонасінні нащадки, повинна мати АА-, і зеленонасінна форма — аа-спадконі фактори. Парність однойменних спадкових факторів дістала назву алельних (від грецького алелос - протилежний). Таким чином алелізм означає можливість існування одних генів в різних станах (алелях). Бо і справді, в генетиці визначити наявність будь-якого гена можна не в тому разі, коли він у сукупності однотипних організмів фенотипово проявляється в двох або кількох альтернативних формах. Наприклад, забарвлення пелюсток, скажімо, в айстр буває білим, жовтим, синім, червоним, брунатним. Коні бувають сірої, мишастої, буланої, гнідої масті тощо. І це відноситься до всіх ознак, якими характеризуються всі види живих організмів.
У 1902 р. В.Бегсон запропонував називати непридних особин, які характеризуються АА- чи аа- або чи ЬЬ-генотипами гомозиготними, а гібридних особин з Аа- або Вв-факторами — гетерозиготними. З 1909 р. В.Йогансен запропонував менделівські спадкові фактори називати генами. Символи, якими позначають гени певної ознаки, складають її генотип, а характер зовнішнього прояву даної ознаки на тілі організму — її фенотип.
На відміну від своїх попередників, Мендель спочатку піддав аналізу закономірності успадкування лише однієї окремої ознаки, яка проявлялась у двох альтернативних станах, а не всю їх сукупність. Вивчаючи закономірності, він перейшов до вивчення закономірностей успадкування одноразово двох або трьох неальтернативних ознак, кожна з яких існує у двох — домінантному та рецесивному станах. Таким чином, Мендель практично розробив методи гібридологічного аналізу при моногібридних (АА х аа), дигібридних (ААВВ х аавв), тригібридних (ААВВСС х ааавсс) та полігібридних схемах схрещувань.
І закон Менделя. Мендель виконав штучні схрещування між рослинами, що характеризувались різними альтернативними станами однієї і тієї ознаки, яку залучали до гібридизації. Від цих моногібридних схрещувань він одержував насіння, а потім І рослини Р, (першого гібридного покоління). Спостерігаючи за характером прояву фенотипових ознак, Мендель помітив, що в рослин першого гібридного покоління з двох альтернативних станів кожної ознаки фенотипово проявляється лише один альтернативний стан. Наприклад, як у прямому, так і в реципрокному (зворотньому) схрещуваннях рослин гороху, які мають гладеньке насіння, з особинами зі зморшкуватим насінням — форма всього гібридного покоління (Р,) насіння завжди буває тільки гладенькою. Аналогічні результати були одержані Менделем і в гібридів Р,, в яких він вивчав успадкування інших ознак. Скажімо, в гібридів Р, за ознаками забарвлення насіння, чи пелюсток або ж форми бобів тощо завжди проявлялась лише одна альтернативна форма відповідної ознаки. Отже, залучені до схрещування партнери, що відрізняються між собою характером фенотипового проявлення альтернативної ознаки, народжують нащадків Р,, у яких фенотипово формується і проявляється лише один з алельних станів цієї ознаки і яким володіла лише одна з двох батьківських особин. Такі дані дозволили Менделю зробити висновку про одноманітність гібридних нащадків першого гібридного покоління.
Явище одноманітності гібридних нащадків Р, від схрещування між собою гомозиготних особин, які залучені до вивчення, настільки чітко проявляється в усіх видів організмів, що в науці воно набуло сили закону. Виходячи з сучасного рівня наших знань, цей закон можна сформулювати так: гібриди першого покоління, що походять від гомозиготних батьківських особин, які відрізняються один від одного альтернативним станом певної ознаки, є повністю одноманітними за генотиповими і фенотиповими структурами відповідної ознаки.
Наприклад, дві особини, гомозиготні за різними альтернативними станами А-ознаки, залучені до схрещувань між собою:
Р АА х аа
Гамети а а
F1 Аа.
З наведеної схеми видно, що нащадки F1 при будь-якій чисельності їх (за фенотипово проявленою домінантною А-ознакою) матимуть гетерозиготний Аа-генотип. Це означає, що особини з однаковим генотипом мають характеризуватись однаковим фенотипом. Виявлена закономірність так само відноситься до двох АВ-ознак, або до декількох, скажімо, АВС-ознак. Наприклад, при схрещуванні гомозиготної особини ААввСС-генотипу з особиною ааВВсс-генотипу одержимо:
Р ААввСС х ааВВсс
Гамети A a B b C c
F1 АаВвСс
З наведеної схеми знову можна бачити, що гібридні нащадки F1 які походять від гомозиготних батьків, характеризуються однаковими генотипами і фенотипами за ознаками, які вивчаються.
ІІ закон Менделя. Вивчивши ріст і розвиток гібридних особин першого покоління, Мендель, на відміну від своїх попередників, пішов далі і продовжив вивчення закономірностей успадкування ознак гібридних особин у другому, третьому та наступних поколіннях. Серія цих досліджень була суттєво спрощена тим, що Мендель спочатку прослідкував закономірності успадкування в ряду поколінь окремої ознаки, яка проявляється двома алельними формами. Такими ознаками були: забарвлення насіння — жовте чи зелене; форма насіння — гладеньке чи зморшкувате; забарвлення недозрілих бобів — зелене чи жовте; форма бобів гладенька чи "перешнурована" між насінинами тощо. Аналізуючи характер успадкування алельного стану окремої ознаки, Мендель не звертав уваги на характер проявлення на цих самих рослинах інших ознак. У ході досліджень Мендель встановив, що нащадки другого гібридного покоління, які походять від вільного розмноження гібридів Р, у межах власної сукупності, розщеплюється на дві фенотипові групи, одна з яких представляє відтворену ознаку, характерну для батьківського організму жіночої статі, а друга — чоловічої. При цьому одна група характеризується фенотиповим проявленням домінантного стану ознаки, а друга — рецесивного. З'ясувалось, що чисельність особин у груп з проявом домінантного стану ознаки завжди в три рази більша, ніж у групі з рецесивним проявом цієї ж ознаки. Серія досліджень, проведених Менделем, підтвердила, що гібридні нащадки в Рг за своїми алельними станами окремої ознаки розщеплюються у відношенні 3:1.
Аналіз результатів схрещувань показує, що від схрещування жовтозерних рослин із зеленозерними всі гібридні нащадки виявляються жовтозерними. Розмножуючись у межах власної сукупності, вони утворюють у другому гібридному поколінні нащадків уже із жовтим і зеленим насінням у відношенні 3:1. Отже, спадкові структури гібридів є подвійними. Цей факт послужив базою для висновку Менделю, що таке відношення гібридних нащадків Р1 може виникати лише за умови, що гібридні рослини Р, у процесі розмноження утворюють дві рівновеликі, але генетично різні групи гамет. На схемі (рис. VI.!) чітко видно, що кожна гетерозиготна особина утворює А-домінантну і а-рецесивну групу гамет. Як зазначалось раніше, це забезпечується процесами мейозу Якщо в мікроспорогенезі мейотична клітина Аа-генотипу вступає в мейоз, то при редукційному поділі на кожну гаплоїдну клітину домінантного А-генотипу утворюється гаплоїдна клітина з рецесивним а-генотипом. Тому кількість А- і а-клітин завжди однакова. Що ж до макроспорогенезу (овогенезу), то хоч після завершення мейотичного поділу вихідної Аа-клітини з утворених чотирьох клітин (дві А- і дві а-генотипу) лише одна започаткує майбутню яйцеклітину, генотип останньої з однаковою ймовірністю може виявитись домінантним або рецесивним за будь-яким піддослідним геном А. Тому в сукупностях кількість яйцеклітин домінантних А- і в-ґенотипів завжди однакова.
Оскільки в процесі запліднення гамета жіночої статі А-домінантного чи а-рецесивного генотипу може з однаковою ймовірністю зустрітися з А-домінантною або з а-рецесивною гаметою чоловічої статі, то за генними комбінаціями цих гамет нащадки другого покоління будуть утворювати чотири рівновеликі групи АА-, Аа-, аА- і аа-генотипів. Зрозуміло, що особини Аа- і аА-генотипів однакові. Це дає підстави вважати, що нащадки Рг розщеплюються на три генотипові групи у відношенні АА : 2Аа : аа, тобто 1:2:1. Крім того, оскільки ген А у своєму прояві домінує над геном а, то внаслідок цього на кожних три особини з домінантною ознакою відтворюється одна особина з рецесивним проявом цієї ж ознаки. В другому гібридному поколінні 1/4 частина нащадків народилась з АА-домінантною вихідною батьківською формою, а 1/4 частина нащадків — з аа-рецесивною вихідною батьківською формою, тим часом як половина (2/4) нащадків F1 успадкувала нову комбінацію Аа-генів. У разі повного домінування А-гена над алельним а-геном, фенотипи особин з АА- і Аа-генотипами є однаковими.
Таким чином, якщо йдеться про теоретично очікувані відношення фенотипово неоднакових груп нащадків у другому поколінні, то вони мають очікуватись за генотипом 1 : 2 : 1, а за фенотипом як 3 : 1. Проте слід пам'ятати, що комбінування гамет чоловічої та жіночої статі в процесі запліднена підпорядковане закону ймовірностей. З цієї причини кожна комбінація утворюється з частотою, яка впритул наближається до теоретично очікуваної, але з деяким відхиленням від неї в той чи інший бік. ЦІ відхилення обумовлюються не тільки закономірностями реалізації імовірностей, але й тим, що в процесі розвитку і росту живих організмів окремі особини з різних причин можуть загинути.
Наприклад, у дослідах Менделя від схрещування жовтонасінних рослин з зеленонасінними в Г-; з 8023 насінин виявилось 6022 жовтих і 2001 — зелених, тобто у відношенні —9 : 3 : 3 : 1. За ознакою забарвлення насінних оболонок це відношення становило 3,15 : 1, а за ознакою забарвлення недозрілих бобів -2,82 : 1. Такі відхилення від теоретично очікуваних відношень мають місце завжди.
Всебічне вивчення Менделем закономірностей успадкування семи різних ознак у гороху, кожна ч яких проявлялась у двох альтернативних формах, привело його до розуміння того, що розщеплення нащадків у другому гібридному поколінні за фенотиповим проявленням різних ознак є не безладним, а упорядкованим. Ця упорядкованість проявляється у формі закону, який можна сформулювати так: моногібридне схрещування гомозиготних за альтернативними формами певної ознаки особин обумовлює розщеплення нащадків у другому поколінні на дві фенотипово різноманітні за цією ознакою групи у відношенні 3:1.
Вивчення успадкування цих ознак в ряду наступних поколінь показало, що домінантний І рецесивний алелі кожної ознаки в процесі розмноження активно переходять з гетерозиготного а гомозиготний стан. Спираючись на закон розщеплення, Мендель допустив, що кожний з нащадків Р; має однакову можливість розмножуватись І утворювати однакову кількість своїх нащадків. Наприклад, особина Аа-генотипу в новому поколінні народжує чотири рівновеликі групи нащадків (АА, Аа, аА, аа}. Якщо тепер кожна з цих груп має можливість родити однакову кількість своїх нащадків, То легко можна підрахувати їхні кількісні відношення в кожному поколінні.
Спадкові фактори, які вивчав Мендель, характеризувались повним переважанням домінантного гена над алельним до нього рецесивним геном. Проте існує величезна кількість генів, котрі в комбінації зі своїми алельни-ми партнерами дають проміжне домінування. Це особливо характерно для генів, які обумовлюють формування кількісних ознак, таких, як розміри організмів, їхніх органів, вміст жирів, білків, вуглеводів тощо. Але і серед генів, що обумовлюють формування якісних ознак, також трапляються алелі з проміжним домінуванням. Наприклад, у нічної красуні бувають червоноквіткові і білоквіткові рослини. Якщо білоквіткову форму схрестити з червоноквітковою, то всі нащадки, як від прямих так і від зворотних схрещувань, будуть лише рожевоквітковими, а нащадки другого покоління розщеплюються на три групи: з червоними, рожевими і білими квітками. В разі проміжного домінування, характер фенотипового розщеплення нащадків у другому поколінні повністю збігається з характером генотипового розщеплення.
ІІІ закон Менделя. Ми прослідкували закономірності успадкування окремої ознаки, яка виступає в двох альтернативних формах. Проте організми перших-ліпших таксономічних видів характеризуються не однією, а багатьма неалельними ознаками, кожна з яких може виступати в двох або в декількох альтернативних формах. Зіткнувшись з цим фактом, Мендель перейшов до вивчення закономірностей успадкування двох, а потім і трьох неальтернативних ознак у гороху.
Наприклад, в одному з дослідів він схрещував рослини, які характеризувались жовтим і гладеньким насінням з рослинами, що мали зелене і зморшкувате за формою насіння. В результаті було одержано насіння першого гібридного покоління, жовте за забарвленням і гладеньке за формою. При дальшому розмноженні було одержане насіння другого гібридного покоління, яке за забарвленням і формою розщепилось таким чином: жовте, гладеньке — 315, жовте, зморшкувате — 101, зелене, гладеньке — 108, зелене, зморшкувате — 32. Щоб вивести певну залежність, позначимо ознаку жовтого забарвлення насіння символом А, зеленого — а, гладенького насіння — В, а зморшкуватого — в. після чого запишемо схему схрещувань у формі, запропонованій англійським генетиком Р.Пеннетом, а саме: групи генетичне однотипних нащадків Рг, які походять від однакових комбінацій гамет, впишемо в окремі клітинки решітки.
Аналіз цієї схеми показує, що від схрещування гомозиготних рослин, в яких насіння жовте і гладеньке з рослинами, в яких насіння зелене і зморшкувате, всі нащадки в Г, виявились дигетерозигоіними: фенотипово всі вони мали жовте і гладеньке насіння. Ці дигібридні рослини, виконуючи функцію батьків Рг, утворили по чотири генотипові групи гамет. У загальній сукупності цих гамет (як жіночої, так і чоловічої статі) кількісно всі чотири групи мають бути рівновеликими. Це знову ж таки обумовлене закономірностями мейозу. Те, що кожна з гамет однієї статі має однакову можливість зустрітись з будь-якою з чотирьох типів гамет протилежної статі статистичне сталі відношення фенотипово неоднакових груп нащадків Р2, які утворюються 16-ма комбінаціями гамет. Якщо проаналізувати характер фенотипового прояву ознак забарвлення та форми насіння, то можна зробити висновок, що за цими ознаками вся сукупність нащадків Р2 розділиться на чотири фенотипові групи: 9А-В- : ЗА-вв : ЗааВ- : Іаава. Прочерки у формулах генотипів означають, що в цих місцях може бути як домінантний, так і рецесивний алельний ген. Також зрозуміло, що домінантний АВ-генотип має утворювати жовте, гладеньке насіння, комбінація домінантного А-гена з рецесивним в-геном - жовте, зморшкувате, а комбінація рецесивного а-гена з домінантним В-геном — зелене, гладеньке насіння. Нарешті, рецесивні ав-гени обумовлюють формування зеленого, зморшкуватого насіння.
Отже, вивчення Менделем характеру розмноження нащадків у другому поколінні показало, що тут з'являються особини з новими комбінаціями ознак. Наприклад, в однієї з вихідних батьківських форм, які залучались Менделем до дигібридного схрещування, ознака жовтого забарвлення насіння комбінувалась з ознакою гладенької форми, а в другої — ознака зеленого забарвлення комбінувалась з ознакою зморшкуватої форми. Проте в нащадків другого Покоління крім груп особин, в яких повторились батьківські комбінації ознак, з'явились дві групи особин, в яких ознака жовтого забарвлення насіння, як зазначалось вище, комбінувалась з ознакою зморшкуватої форми, а ознака зеленого забарвлення — з ознакою гладенької форми.
Зі схеми тригібридних схрещувань видно, що від такого схрещування в першому поколінні з'являються генотипово і фенотипово однакові тригібридні нащадки, а при подальшому розмноженні кожен утворює по вісім генотипово неоднакових, але рівновеликих груп гамет відповідної статі. Оскільки будь-яка з цих гамет однієї статі має однакову ймовірність зустрітися з будь-якою з восьми гамет протилежної статі, цілком зрозуміло, що внаслідок цього може утворитись 64 комбінації гамет. У даному разі решітка Пеннета повинна складатись з 64 клітинок. Якщо ж згрупувати нащадків Р; за феноти-повим проявом ознак, то, на відміну від дигібридного схрещування, тут вже з'явиться вісім фенотипово неоднакових групнащадків у співвідношенні 27:9:9:9:3:3:3:1.
Таким чином, якщо при дигібридному схрещуванні нащадки F2 розщеплюються на чотири фенотипово неоднакові групи у співвідношенні 9 : 3 : 3: 1, і в двох із них проявляються нові комбінації неалельних ознак, то при тригібридному схрещуванні нащадки Ра розщеплюються на вісім груп, при цьому у двох них повторюються комбінації неалельних ознак батьків, а в шести — з'являються нові комбінації таких Зауважимо, що в усіх випадках частота нових комбінацій ознак свідчить про рівновеликість гено-»о різних груп гамет, які утворюються полігібридними особинами, та про вільне комбінування генів між собою в процесі розмноження.
Аналіз результатів, одержаних при ди- та тригібридних схрещуваннях, привів Менделя до висновку про вільне, незалежне комбінування спадкових факторів, які успадковуються нащадками другого покоління. З цього висновку випливає третій закон Менделя, який можна сформулювати так: при схрещуванні організмів, гомозиготних за двома або декількома алельними ознаками, і при подальшому розмноженні нащадків, гени, що обумовлюють формування цих ознак, вільно і незалежно комбінуються між собою, локалізуючись у генотипах нащадків другого покоління відповідно законів ймовірностей.
Гіпотеза чистоти гамет. Факт подвійності спадкових факторів, локалізованих в організмах, навів Менделя на думку про те, що вільне комбінування цих факторів у процесі розмноження гібридів можливе лише за умови розходження (відокремлення) алельних генів один від одного в процесі гаметогенезу. Цей висновок він експериментально перевірив шляхом схрещування гібридів першого покоління з однією з вихідних батьківських форм, гомозиготних за рецесивними генами даних ознак. Такі схрещування були названі зворотними. Виходячи з цих теоретичних посилок випливає, що гетерозиготна Аа-особина може утворити два генотипово різні типи гамет А- і а-генотипів, тимчасом як гомозиготна за рецесивним а-геном батьківська аа-форма може утворити лише один тип а-гамет. Взявши це до уваги, розглянемо схему зворотного схрещування. Вона підтверджує висновок про те, що гетерозиготні за окремим геном особини утворюють два типи гамет, а гомозиготні за відповідним геном — лише один тип гамет.
Від здійсненого Менделем зворотного схрещування утворилась сукупність нащадків, одна половина яких характеризувалась домінантним проявом ознаки, а друга — рецесивним. Це могло статись за умови що, на відміну від гетерозиготних Аа-організмів, гамети гомозиготних аа-організмів виявились "чистими" в тому розумінні, що в їхніх генотипах кожний спадковий фактор представлений лише одним екземпляром. У межах генотипу окремої гамети його не може прикрити (або модифікувати його дію) алельний партнер. Тому з генетичної точки зору кожний ген, який міститься в генотипі гамети, перебуває там у чистому вигляді, тобто в гомозиготному стані.
Виходячи з викладеного, гіпотезу про чистоту гамет, описану Менделем, можна сформулювати так: у гетерозигот об'єднані домінантний та рецесивний спадкові фактори в процесі гаметогенезу відокремлюються один від одного і розходяться в окремі гамети, де кожний з них перебуває в чистому вигляді.
Аналізуючі схрещування. Перевіряючи правомірність гіпотези про чистоту гамет експериментальне, Мендель здійснив ряд зворотніх схрещувань, які показали, що на генотиповому фоні рецесивних гамет вихідної батьківської форми, як на лакмусовому папері, проявляються генотипи та частота генотипів гамет гібридних особин, котрі залучаються до генетичного аналізу. Тому ці схрещування Мендель назвав аналізуючими схрещуваннями.
Одержані нащадки Аа- і аа-генотипів проявились рівновеликими групами у співвідношенні 1 : 1. Ця закономірність зберігається і в разі аналізуючих схрещувань за дигібрид-ною або полігібридною схемою. Наприклад, результати аналізуючого схрещування дигібрида гороху за ознаками забарвлення та форми насіння показали, що на фоні рецесивного генотипу однієї з батьківських форм, яка виступала в ролі аналізатора, одержані нащадки утворили чотири рівновеликі фенотипові групи у співвідношенні 1:1:1:1. Легко зрозуміти, що така рівновеликість має очікуватись, якщо дигетерозигота утворить чотири рівновеликі групи гамет АВ-, Ав-, аВ- та ав-генотипів. У цьому зв'язку ще раз повторимо, що однаковість розмірів груп гамет різних генотипів обумовлена тим, що а процесі редукційного поділу на кожну А-домінантну або В-домінантну гамету утворюється одна а-рецесивна або в-рецесивна гамета. Оскільки домінантний А-ген з однаковою ймовірністю комбінується як з В-домінантним, так і з в-рецесивним геном, АаВв-дигетерозигота утворює чотири генотипово різні типи гамет у рівновеликих кількостях. І хоча Мендель не міг знати про закономірності мейозу, він уже тоді передбачив закономірності редукційного поділу клітинку процесі гаметогенезу.
Вивчення Менделем типів гамет, які утворює тригетерозигота АаВаСс, за ознаками забарвлення і форми насіння та забарвлення насіннєвих оболонок, показало, що тригетерозигота утворює вісім генотипово різних, але за чисельністю рівновеликих типів гамет.
З наведених прикладів видно, що співвідношення нащадків, одержаних від аналізуючих схрещувань, характеризується однаковими кількостями особин у кожній фенотипово відмінній групі лише в разі вільного, незалежного комбінування неалельних генів. Якщо можливість вільного комбінування генів пригнічена якимись факторами, то аналізуюче схрещування одразу виявить цю ситуацію порушенням рівновеликості груп нащадків у поколінні, котре аналізується. Наприклад, в одному з експериментів ми одержали дигетерозиготну форму кукурудзи, яка характеризувалась чорним, гладенької форми насінням
Позначимо домінантний ген забарвлення насіння символом С а рецесивну ознаку білого, незабарвленого насіння — с. Аналогічно цьому, гладеньку поверхню насіння позначимо символом п, а рецесивний ген зморшкуватого насіння — символом П. Звідси генотип дигетерозиготної особини можна записати як сзп/Свп, а рецесивної гомозиготи — як свп/сзп. Проведене аналізуюче схрещування дало такі результати:
чорне, гладеньке СЗЬ — 2497 — 48,39% сзп
чорне, зморшкувате СвН — 78 — 1,66% сзп
біле, гладеньке оЗЬ — 74 — 1,43% СвП
біле, зморшкувате овГІ — 2509 — 48,62% СзП
Результати цього схрещування показали, що дигетерозигота кукурудзи за ознаками забарвлення і форми насіння утворює чотири генотипових типи гамет. Це й очікувалось теоретично. Тим часом очікувана рівновеликість фенотипових груп нащадків виявилась порушеною: замість співвідношення 1:1:1:1, одержали співвідношення 32,3 : 1 : 1 : 32,3. Тобто ознаки забарвлення та форми насіння в кукурудзи не можуть вільно комбінуватись між собою. Забігаючи наперед, зазначимо, що гени С та 5п локалізовані в одній і тій самій хромосомі, а тому, виявившись зчепленими і не можуть вільно комбінуватися між собою.
Застосування статистики для генетичного аналізу. Мендель першим у біологічній науці застосував методи варіаційної статистики для аналізу закономірностей успадкування ознак. Звідси вчення про закономірності спадковості, яке поклало початок генетиці як науці, було назване менделізмом. Менделізм відіграв революціонізуючу роль у біології, довівши, що спадкові фактори мають корпускулярну, дискретну природу, а їхній перехід від покоління до покоління.
визначається статистичними закономірностями. З розвитком генетики розроблено багато способів статистичного аналізу явищ, які відбуваються в процесах розвитку біологічних систем. В сукупності ці способи складають предмет біометрії, або варіаційної статистики, яка широко застосовується в біологічних дослідженнях.
Щоб переконатись у доцільності використання статистичних методів аналізу, розглянемо декілька прикладів. Аналіз моно-, ди- і тригібридних схрещувань показав, що гетерозигота за однією ознакою утворює два типи гамет, за двома ознаками — чотири типи, а за трьома — вісім типів гамет. Проте організми можуть бути гетерозиготними за багатьма десятками різних ознак, тому розібратись у характері розщеплення дуже складно. Однак задача суттєво полегшується, якщо використати виявлений Менделем факт, що кожна полігетерозиготна особина утворює 2" генотипово відмінних один від одного типів гамет. У свою чергу, кількість фенотипових груп нащадків у другому гібридному поколінні також визначається формулою 2", кількість генотипових груп нащадків Рг — формулою 3", а кількість можливих комбінацій гамет від гетерозиготних особин першого гібридного покоління — формулою 4".
У всіх чотирьох формулах символом п позначають кількість різних ознак, за якими гібридні особини виявляються гетерозиготними.
При моногібридному схрещуванні нащадки другого покоління утворюються чотирма комбінаціями гамет, при дигібридному — 16-ма, при тригібридному — 64-ма комбінаціями і т.д. Отже, при полігібридних схрещуваннях для аналізу незручно використовувати решітку Пеннета через її громіздкість. Проте характер розщеплення нащадків Рг на групи за фенотиповими ознаками можна визначити, застосувавши статистичний метод перемноження ймовірностей частоти неалельних генів, які комбінуються між собою в процесі розмноження. Розглянемо послідовність обчислення частоти фенотипового прояву певних комбінацій ознак (генів). Наприклад, потрібно визначити відносні розміри групи особин у другому гібридному поколінні, в яких фенотипово проявилась комбінація двох домінантних АС-генІа з Рг, які з'являються в процесі рецесивним в-геном, тобто необхідно визначити розміри очікуваної групи А-ввС-генотипу. З табл.VI.2 видно, що домінантна ознака А комбінується з ймовірністю 3/4. З такою самою ймовірністю комбінується І домінантна С-ознака, а рецесивна в-ознака комбінується з імовірністю 1/4. Отже відносні розміри групи особин АввС-фенотипу будуть: 3/4 х 1/4 х 3/4 - 9/64.
Фенотипи нащадків Рг:
А-В-С- — 3/4 х 3/4 X 3/4 = 27/64 А-В-сс — 3/4 X 3/4 X 1/4 = 9/64
А-ВВС- — 3/4 х 1/4 X 3/4 = 9/64 ааВ-С- — 1/4 х 3/4 х 3/4 = 9/64
ааВ-сс— 1/4 X 3/4 х 1/4 = 3/64 А-ввсс —3/4x1/4x1/4 = 3/64
ааввС- — 1/4 х 1/4 х 3/4 = 3/64 ааввсс — 1/4 х 1/4 х 1/4 - 1/64
Співвідношення генотипів у Рг — 27: 9:9:9:3:3:3:1
Аналіз сутності відкриттів, зроблених Менделем, з позицій сучасного рівня генетичних знань показує, що закони Менделя зберігають своє значення у випадках, коли:
Мендель першим з природодослідників експериментально довів, що:
Мендель розробив і продемонстрував у класичній формі методи гібридологічного аналізу. Він ввів у генетику математичну символіку І довів високу пізнавальну силу статистичних методів у гібридологічному аналізі закономірностей спадковості.
Як відзначив академік Б.Л.Астауров, "Мендель охопив саму сутність спадковості, продемонстрував деякі з її найбільш типових і важливих закономірностей і дав для вивчення останніх найпростіші і необхідні методи".
Лекція 3
Тема: «Успадкування при взаємодії генів»
Питання:
З бурхливим розвитком генетики, котрий розпочався після перевідкриття законів Менделя, крім підтвердження останніх, було відкрито багато явищ, які є причиною значного відхилення співвідношень фупнащадків Рг від очікуваних у відповідності з цими законами.
З'ясувалось, що однією з причин таких відхилень є функціональна взаємодія неалельних генів. Класичним прикладом взаємодії неалельних генів, яка призводить до виникнення нових ознак, є успадкування форми гребенів у курей. Так, від схрещування гомозиготних курей, які мають розовидний гребінь ААвв, а особинами, які мають гороховидний гребінь ааВВ, у всіх нащадків Р, АаВв формується гороховидний ребінь, схожий на половинку грецького горіха. (Таку форму гребенів має малайська порода курей).
Якщо нащадків з горіховидним гребенем розмножувати в межах своєї сукупності, то утворюються нащадки, які розщеплюються за схемою дигібридного схрещування, тобто — 9 горіховидних : 3 розовидних : 3 гороховидних : 1 листовидний.
При розщепленні нащадків Рг у співвідношенні 9:3:3:1, утворення групи особин з гороховидними гребенями спричинено взаємодією двох неалельних, домінантних генів А і В. Звернімо увагу на те, що в дигібридному схрещуванні неалельні гени А і В) обумовлювали формування двох різних ознак, наприклад забарвлення насіння і форму насіння. В разі ж взаємодії два неалельних гени обумовлюють формування лише однієї ознаки — форми гребеня. З іншого боку, на кожні дев'ять особин з горіховидним гребенем відщеплюється одна особина з листовидним гребенем. У дигібридній схемі це відповідає подвійно-рецесивному генотипу за двома різними ознаками. Крім виниклих нових ознак, серед нащадків Рг на кожні дев'ять особин з горіховидним гребенем І одну— з листовидним гребенем виникло дві групи (по три особини кожна), в яких відтворились розовидна та гороховидна форми гребенів. Це мають бути особини, в яких домінантний ген однієї якості ознаки комбінується з рецесивним неалельним геном іншої якості тієї ж самої ознаки або навпаки. Такі генотипи мають особини з розовидним (ААвв чи Аавв) та гороховидним (ааВВ чи ааВв) гребенями.
Рецесивні ав-гени обумовлюють формування листовидного гребеня. Домінантний А-ген у комбінації з рецесивним в-геном обумовлює формування розовидного гребеня, а домінантний В-ген у комбінації з рецесивним а-геном дає гороховидний гребінь. І, нарешті, взаємодія домінантних генів А і В формує нову ознаку — гороховидний гребінь.
Спостереження за закономірностями спадкування ознак показує, що нерідко фенотипова ознака проявлясіься за наявності в складі генотипу дьох домінантних неалельних генів. Якщо ж до складу геному входить домінантний ген у комбінації з неалельним до нього рецесивним геном, очікуваний фенотиповий ефект не настає. Наприклад, при схрещуванні двох білоквіткових сортів запашного горошку в гібридів Р, всі квітки виявляються червоними, а в нащадків Р2 на кожні дев'ять червоноквіткових особин з'являється сім білоквіткових. Оскільки сума цих двох чисел (7 І 9) дорівнює 16, стає цілком очевидним, що сукупнісІ ь нащадків із 16 рівновеликих груп може утворитись лише від 16 комбінацій гамет. А це трапляється лиціе в разі дигібридного схрещування.
Дев'ять червоноквіткових груп нащадків мають червоне забарвлення пелюсток лише в тому разі, коли до складу генотипів цих рослин входять домінантні гени А і В. Разом з тим наявність у складі генотипу домінантного А-гєна а комбінації з рецесивним в-геном або В-гена в комбінації з рецесивним а-геном не обумовлює будь-якого забарвлення квіток у відповідних рослин.
Таким чином, у горошків два неалельних домінантних АВ-гени в своїй функції доповнюють один одного. Кожний з них окремо не обумовлює фенотипового ефекту, але цей ефект чітко проявляється в разі їхньої взаємодії. Таке явище назвали комплементарною взаємодією гонів. Отже, комплементарною взаємодією генів називають явище, коли ознака формується при взаємодії двох неалельних домінантних генів, кожний з яких самостійно не дає фенотипового ефекту.
Іноді явище комплементарної дії генів може стосуватись лише одного домінантного гена і не мати місця щодо другого неалельного домінантного гена. Взаємодію в таких випадках ще називають дією до неалельних генів. Наприклад, якщо схрестити рослини льону, що мають блакитні квітки, з білоквітковими особинами, то в другому поколінні на кожних дев'ять блакитноквіткових вищеплюється три рожеві і чотири білоквіткових рослини. Це співвідношення відповідає дигібридній схемі схрещувань, наведених 4М'|Ше. УІІ.З. Аналіз схеми показує, що домінантний А-ген обумовлює формування рожевих квіток у комбінації з числельним рецесивним в-геном.
Що ж до домінаніного В-гена, то в комбінації з рецесивним неалельним до нього а-геном він не спричинює формування забарвлених квпок. Разом з цим при взаємодії домінантних генів А І В формуються блакиїні квітки.
Така взаємодія генів, за якої один ген пригнічує функцію другого, неалельного до нього гена, називається епістазом або супресією генів.
Якщо домінантний ген пригнічує фенотиповий прояв неалельного до нього домінантного гена, то такий епістаз називають домінантним, а епістатичний ген — геном супресором. Наприклад, схрещування гомозиготних сірих коней з гнідими в Р, дає сірих нащадків. Розмноження цих нащадків у межах власної сукупності утворює нащадків Р2, які розщеплюються на фенотипові групи у співвідношенні 12 сірих : 3 вороних : 1 гнідий. На схемах схрещувань (рис. VII.4} видно, що домінантний ген В у комбінації з неалельним до нього рецесивним с-геном обумовлює формування особин вороної масті. Однак у комбінації з неалельним домінантним С-геном — здатність домінантного В-гена впливати на формування масті у коней пригнічується. Таким чином, домінантний С-ген пригнічує функцію домінантного В-гена. Це і є прикладом домінантного епістазу.
Якщо рецесивний ген пригнічує дію неалельного до нього домінантного гена епістаз називають рецесивним. У даному разі рецесивні гени виступають у ролі генів-супресорів. Ген-супресор є епістатичним геном пригнічуваного ним неалельного гена, а подавлений ген відноситься до гена-супресора стає гіпостатичним геном.
Розглянемо приклад рецесивного епістазу. Польові миші мають сіре забарвлення хутра (забарвлення агуті). При розмноженні їх у неволі серед нащадків наступних поколінь іноді з'являються мутантні особини, які за забарвленням хутра відрізняються від особин дикого типу, тобто із забарвленням агуті. Якщо методом штучного добору створити гомозиготні лінії мишей з чорним і, скажімо, білим забарвленням хутра, а потім схрестити їх між собою, то всі нащадки Р, матимуть забарвлення агуті, а в Рг відбудеться розщеплення у співвідношенні дев'ять сірих (агуті) : три чорних : чотири білих. Зі схем схрещувань (рис. VII.5) видно, що домінантний С-ген самостійно спричиняє формування чорного забарвлення хутра, а у взаємодії з домінантним неалельним А-геном формується сіре забарвлення хутра. З іншого боку, домінантний А-ген не дає самостійного фенотипового прояву, Тому він може розглядатись як комплементарний щодо С-гена. Крім того, оскільки А-ген у взаємодії з С-геном дає фенотиповий ефект, а з рецесивним с-геном його дія не проявляється, то це свідчить, що рецесивний с-ген пригнічує функцію неалельного домінантного А-гена. Тому останній є гіпостатичним до рецесивного с-гена.
Сукупності неалельних генів у складі генотипу, які обумовлюють розвиток однієї і тієї ж ознаки, називають полімерними (багатомірними) генами. Поняття полімерний означає багатомірний. Отже, полімерні гени —це гени однозначної дії. Своєю функцією вони обумовлюють формування кількісних ознак. Слід відзначити, що переважна кількість ознак у видів живих організмів успадковується кількісно. При цьому характер фенотипового прояву кількісної ознаки обумовлюється сумарною дією блоку полімерних генів однозначної дії. Сумарну дію генів, від яких залежить формування певної ознаки, ще називають кумулятивною або адитивною дією.
Наочним прикладом кумулятивної дії генів є синтез вітаміну А в ендоспермі зернівок кукурудзи. Нагадаємо, що клітини ендосперму кожної зернівки злакових рослин — триплоїдні. Це означає, що в кожній клітині ендосперму локалізовано по три набори хромосом. Тому і кожний ген генотипу тут представлений потрійною дозою.
Було з'ясовано, що кількість вітаміну А. вираженого в одиницях активності, синтезується домінант ним У-геном і майже не синтезується рецесивним у-геном. Тому накопичення цього вітаміну в клітинах повністю залежить від дози домінантного У-гена. Наприклад, наведені нижче генотипи ендосперму кукурудзи дають такий ефект: ууу - 0,05; Ууу — 2,25; УУу — 5,00; УУУ-".ВО одиниці активності вітаміну А.
Цей приклад дає чітке уявлення про кумулятивний ефект дози гена, хоча у переважній більшості випадків визначити внесок кожного полімерного гена у формування о:» наки дуже важко і лише деякі ознаки можуть піддатися такому аналізові. Зокрема, шведський вчений Г.Нфьсон-Єле ще в 1910 р. вивчив закономірності успадкування забарвлення зернівок пшениці. Як відомо, в пшениці вони бувають білі та червоні. Причому білі зернівки в процесі їхньої ідентифікації завжди відносяться до однієї фенотипової групи, а червоні за інтенсивністю забарвлення розщеплюються на декілька фенотипо-вих груп. Схрестивши рослини, що мали темно-червоні зернівки з білозерними особинами, Нільсон-Еле одержав гібридне насіння Р„ яке було червоним. Подальше, розмноження дало сукупність насінний Р2, які розщепились у такому співвідношенні: 1 темно-червона : 4 густо-червоних : 6 червоних : 4 світло-червоних : 1 біла. Якщо розглянути теоретично очікувану частоту генотипів та фенотипів у решітці Пеннета, то видно, що інтенсивність забарвлення насінин обумовлюється сумарною дозою домінантних генів однозначної дії. Тобто проявляється кумулятивний ефект.
З аналізу співвідношення фенотипових груп нащадків Рг видно, що коефіцієнти кожної з цих груп розподілились таким чином 1:4:6:4:1. Саме такі коефіцієнти утворюються в разі розкладання бінома Ньютона. В нашому прикладі цей біном набуває форми (р+р)4. Тут четвірка означає частоту домінантних Н-генів однозначної дії. їх комбінацій між собою та зі своїми рецесивними алелями в кожному генотипі може бути не більше чотирьох. Якщо генотипи кожної групи особин розписати в порядку слідування генотипових частот, одержимо гістограму, яка наочно показує, що кількісні ознаки успадковуються відповідно до законів біноміального розподілу. Відзначимо, що домінантні полімерні гени в парах зі своїми рецесивними алелями характеризуються проміжним домінуванням.
Частіше кількісні ознаки обумовлюються дією великого числа неалельних генів однозначної функції. Але точно визначити кількість неалельних генів, які формують певну кількісну ознаку, практично неможливо. Пояснюється це тим, що деяка частина з блоку полімерних генів завжди може перебувати в гомозиготному стані. Зрозуміло, що триґетерозигота утворить нащадків відповідно до тригібридної схеми.
Тут фенотипово проявиться дія всіх трьох неалельних А-генів. Дигетерозиготна особина утворить нащадків за дигібридною схемою. І тут фенотипово проявляться А, — і Аз-гени, але не проявиться ген А;,. Нарешті, моногетерозиготна особина утворить нащадки за монопбридною схемою. Тут фенотипово проявиться дія А,-гена і не проявиться дія Ось чому слід мати на увазі, що б природі в межах кожного блоху полімерних генів деяка частина їх завжди може перебувати а гомозиготному стані. Це унеможливлює ідентифікацію функціональної активності відповідних генів. Велика кількість неалельних генів, які складають блок їхньої однозначної дії, нерідко обумовлюють фенотипову неперервність в успадкуванні кількісних ознак. Тому закономірності успадкування кількісних ознак найчастіше вивчають методами варіаційної статистики.
Явище неповного домінування характеризується формуванням проміжного значення ознаки порівняно з її крайніми альтернативними формами. Наприклад, при схрещуванні червоноквіткових особин нічної красуні з білоквітковими всі нащадки Р, е рожевоквітковими, а нащадки другого покоління розщеплюються у співвідношенні 1:2:1.
Явище неповного домінування практично можна спостерігати при схрещуванні не тільки за моногібридного, але і за дигібридного та полігібридного схемами. Наприклад, у котиків від схрещування особин з червоними квітками нормальної форми квітів і особинами з білими квітками пілоричної форми, у другому поколінні отримують розщеплення нащадків у таких співвідношенні: червонопелюсткових, пелоричних -ААвв — 1, червонопелюсткових, нормальної форми—ДАВ— З, рожевопелюсткових, пелоричних -Аавв — 2, рожевопелюсткових, нормальної форми — АаВ- — 6, білопелюсткових, нормальної форми.
Як бачимо, в ротиків зка забарвлення пелюсток успадковується проміжково, тимчасом як форма квітки характеризується повним домінуванням ми нормальної форми квітів і особинами з білими квітками пілоричної форми, у другому поколінні отримують розщеплення нащадків у таких співвідношенні:
червонопелюсткових, пелоричних — ААвв — 1,
червонопелюсткових, нормальної форми — ААВ- — З,
рожевопелюсткових, пелоричних -Аавв — 2,
рожевопелюсткових, нормальної форми — АаВ- — 6,
білопелюсткових, нормальної форми - азВ- — З,
Внаслідок перекомбінації гена, що характеризується неповним домінуванням, з шість груп замість чотирьох, які очікувались при дигібридному схрещуванні.
У суниць обидві ознаки, що обговорюються, контролюються генами, які характеризуються проміжним мінуванням. Тут замість чоіирьох очікуваних у Рг груп отримано дев'ять груп. При цьому в кожній фемо-Іипошй групі проявляться також її генотип, про Ідо свідчить фенотипоьий прояв доз домінантних генів у різних комбінаціях між собою.
Проміжне домінування характерне для багатьох кількісних ознак. Вже на закономірностях успадкування забарвлення зернівок пшениці було показано (рис. VII.6, 7), що доза гена з проміжним домінуванням відіграє провідну роль у формуванні ознаки, а отже, має важливе значення для селекційної роботи.
Здатність гена у своїй функції обумовлювати формування двох або декількох різних фенотипових ознак називається плейотропією. Класичним прикладом плейотропної ДІЇ гена є рецесивний ген серповидно-клітинної анемії. Мутація домінантного 5-гена до рецесивного стану і перехід мутантного алеля в гомозиготний стан обумовлює формування еритроцитів крові людини, які набувають форми м'ячиків з випущеним повітрям. На препаратах під мікроскопом такі еритроцити за формою нагадують серпики. Діти, гомозиготні за цим мутантним геном, доживають лише до дворічного віку і гинуть від анемії. Цікаво відзначить, що в басейні р. Конго в Африці місцеві популяції людей є переважно гетерозиготними за геном серповидно-клітинної анемії і характеризуються 55-генотипом. Обумовлено це тим, що рецесивний 5-ген забезпечує стійкість до малярії. Отже, мутантний 5-ген, який в гомозиготному стані спричинює анемію, одночасно формує стійкість організму людини до малярії. В болотистих районах басейну р. Конго, де за високих температур повітря разом з його вологістю дуже поширена малярійна інфекція, люди з рецесивним яз-генотипом гинуть від анемії, а з 53-генотипом — від малярії. І тільки гетерозиготні особини Зз-генотипу виявляються нормально забезпеченими газообміном і є стійкими до малярії.
В людини можлива домінантна мутація, внаслідок якої довшають кінцівки, особливо пальці. Звідси назва таких пальців — павучі. Але, крім павучих пальців, цей мутантний ген спричинює формування дефективних кришталиків очей.
У великої рогатої худоби відомі мутації гена коротконогості. Ця ознака проявляється лише в гетерозиготних за цією мутацією особин, а той самий ген у гомозиготному стані обумовлює летальний ефект.
Плейотропною дією характеризується ген сірого забарвлення смушку в каракульських овець. З'ясувалось, що вівці каракульських порід із сірим забарвленням смушку є гетерозиготними. Але одержане від схрещування між собою сірих овець потомства завжди розщеплюються у співвідношенні 2:1. Тобто на кожні двоє сірих ягнят народжується одне чорне. Дослідження показали, що ген сірого забарвлення в гомозиготному стані виступає як рецесивний летальний ген, а в гетерозиготному стані з алельним геном дикого типу обумовлює сіре забарвлення смушку.
Явище плейотропії досить широко розповсюджене в складі генотипів різних таксономічних видів організмів і суттєво впливає на їхню еволюцію.
Гени, які посилюють або послаблюють чіткість фенотипічних проявів інших неалельних генів, називаються генами-модифікаторами. Наприклад, кучеряве оперення в курей, спричинене відповідною домінантною мутацією, характеризується чітким фенотиповим проявом як у гомозиготному, так і в гетерозиготному стані. Проте існує ген неалельний до гена кучерявості оперення, котрий в гомозиготному стані пригнічує домінування мутантного гена кучерявості. Цим самим даний ген виконує функцію гена-модифікатора.
У генів-модифікаторів самостійна функція нерідко не проявляється. Про існування цих генів дізнаються, коли стає очевидним їхній вплив на активність функціонування інших генів. Наприклад, Ю.О.Філіпченко ще в 1928 р. встановив, що довжина колосків пшениць успадковується за багатогенною схемою. Проте детальний аналіз показав, що успадкування гена довжини колоса значною мірою модифікується декількома неалельними генами-модифікаторами, які не мають іншого фенотипового прояву.
Особливо відчутно впливають гени-модифікатори на характер фенотипового прояву кількісних ознак, таких, як врожайність, маса організму, його лінійні та об'ємні розміри, концентрація білків, жирів або вуглеводів у клітинному соку тощо.
Шляхом штучного добору можна накопичувати гени-модифікатори в таких комбінаціях, які будуть суттєво посилювати або послаблювати фенотиповий прояв тих чи інших кількісних ознак.
Полимерное взаимодействие генов. Это нанбо-'.'u важная форма взаимодействия иеаллельных генов, так как с ней связано выяснение такого важного вопроса, как наследование количественных признаков. Полимерией называют такой тип взаимодействия генов, при котбрОМ тга-егятп признак дейст^ иуют несколько пар неаллельных генов.
Например, у растения пастушья сумка известны две разновидности, одна из которых имеет плоды (стручки) треугольной формы, а другая — овальной. Гибриды F\. полученные от скрещивания этих разновидностей, имеют треугольные плоды. В F? идет расщепление по форме плодов в соотношении: 15 растений с треугольными плодами : 1 растение с овальными. Если обозначить гены, принимающие участие в определении формы плодов, как А я В. и предположить, что для того, чтобы образовались плоды треугольной формы, достаточно хотя бы одного из доминантных re- f нов —А или В, то в результате такого скрещивания в fz будет расщепление в соотношении 15:1. Растения, в генотипе которых имеется хотя бы один доминантный ген — А или В, имеют треугольные плоды, и только растения с генотипом ааЬЬ образуют fi овальные, и вследствие этого обычное ди-гибридное расщепление в соотношении 9:3:3:1 меняется на 15:1 .
У пшеницы известны два типа окраски зерен: белозерные формы, лишенные пигмента в оболочке зерна, и краснозерные, содержащие в оболочке зерна красный пигмент. Красная окраска доминирует над белым цветом зерен. При скрещивании сортов пшеницы, имевших красную окраску зерен, с белозерным сортом в F, зерна всех растений были промежуточной розовой окраски, а в г г у Vie растений — красной, у '/|в—белой, а у остальных 'Vie — промежуточной окраски разной степени интенсивности. Было отмечено, что интенсив-кость пигментации усиливалась с увеличением числа генов, влияющих на разинтие пигмента. В данном случае происходит накопление ^действия генов, усиливающих развитие признака. когда действие их как бы суммируется и увеличение развития признака зависит от эффекта действия каждого из них. Такое действие генов называют аддитивным (суммирующимся), а сами гены, усиливающие развитие признака, — аддитивными. Следовательно, при аддитивном действии генов характер признака зависит от числа генов, влияющих на усиление его развития.
Модифицирующее действие генов. Генами-модификаторами называют специфический тип генов, ослабляющих или усиливающих действие основного гена, влияющего на развитие определенного признака. Примером действия генов-модификаторов может служить вариация белой пятнистости у айрширов или голштино-фризов. Обе породы гомозиготны по гену, определяющему возникновение белой пятнистости, но гены-модификаторы вызывают вариацию проявления пятнистости от почти полной пигментации всего тела до почти полного ее отсутствия.
Необычайная изменчивость, свойственная живым существам в значительной степени вызвана тем, что разные особи почти всегда находятся в разных условиях среды. Однако не менее важна изменчивость, зависящая от генотипических различий, то есть от различий в генетической конституции. В первую очередь эти различия связаны с рекомбинацией генов.
Имеется ряд возможностей для получения особей, идентичных по своему генотипу Так, с помощью вегетативного размножения из одного растения мил но получить 'Большое количество" одинаковых потомков в виде клона. В таком случае все особи внутри клона будут 'иметь одни" я тот же генотип При выращивании растений .одного клона в разных экологических условиях получено большое количество модификаций, однако после воэвраси/нин рагн'ннн в прежнюю среду обитания все модифнкационные свойства исчела-т: ици не проявляются и в последующих поколениях.
Большой интерес представляет изучение особей, идентичных по генотипу. Такое явление наблюдается при рождении однояйцовых близнецов. Среди близнецов наиболее часто встречаются так называемые дизнготные, или неидентнчные (разнояйцовые), близнецы. Они возникают при оплодотворении двух независимых яйцеклеток двумя независимыми спермиями. Эти близнецы ничем не отличаются от обычных, в разное время рождающихся братьев и сестер — неблизнецов. При рождении однояйцовых близнецов одна оплодотворенная яйцеклетка делится на два бластомера, которые, разъединяясь. Дают начало двум независимым друг от друга эмбрионам. Генотипы таких близнецов тождественны.
Исследования идентичных близнецов много дали для познания генетики жипоткых и человека. Они позволили изучить вопросы о соотношении среды II генотипа в развитии особи. Установлено, что удельный вес генетической информации в развитии особи очень велик. Близнецы поражают своим физическим сходством, но зависят от влияния условий внешней среды. Возникновение у инфекционного заболевания определяется средой, однако даже таких свойств, которые, казалось бы. вызываются чисто внешними причинами, нельзя пренебрегать ролью генотипа. В проявлении таких заболеваний, как грипп, рахит, туберкулез, роль генотипа вполне очевидна.
Способность организмов реагировать на факторы среды, как правило, это составляет важнейшую сторону реакции Способность противостоять колеблющимся условиям средь; путём адаптивного реагировании организмов.
Признаки как таковые не наследуются, они развиваются лишь на основе взаимодействия генотипа со средой. Наследуется только комплекс признаков, который определяет норму реакции организма, изменяющую характер и выражение признаков в разных условиях среды.
Розглядаючи різні випадки взаємодії генів, ми переконались, Ідо одні гени можуть пригнічувати дію інших, неалельних до них генів (епістаз, супресія), або здатні викликати фенотиповий ефект при взаємодії з неалельними генами (комплементарність, дія полімерних генів, явище плейотропії тощо). Все це свідчить про те, що формування будь-якої ознаки обумовлене дією не одного, а багатьох неалельних генів. Звідси й виникає уявлення про гени-модифікатори, яке експериментальне підтверджується на різних генетичних об'єктах. Як уже зазначалось, гени-модифікатори не мають самостійного фенотипового прояву. Вони лише змінюють активність функціонування Інших, неалельних до них генів.
Дані про взаємодію генів свідчать, що нормальний розвиток організму забезпечується складною системою функціонально інтегрованих генів, які утворюють генетичну програму відповідного організму. Порушення цієї програми може мати трагічні наслідки для даного організму. Наприклад, у людини трапляються випадки иерозходження хромосом в мейозі. Внаслідок цього утворюються гамети, в яких замість очікуваних міститься по 24 та по 22 хромосоми. Це означає, що якась хромосома в 24-хромосомній гаметі представлена двома гомологами, а в 22-хромосомній гаметі не вистачає відповідної хромосоми. Якщо 24-хромосомна гамета об'єднається з нормальною гаметою протилежної статі, то утвориться зигота, в якій кожна з 22 хромосом буде представлена парами гомологів, а одна хромосома буде представлена трьома гомологами. Це означає, що каріотип майбутнього організму замість 46 буде нараховувати 47 хромосом. Тобто за якоюсь із 23 пар очікуваних хромосом майбутній організм виявиться трисоміком. Встановлено, що утворення зиготи-три соміка по 21-й хромосомі започатковує організм дитини з Іромом Дауна. Такі діти характеризуються розумовою відсталістю. При утворенні трисомій по 5 й хромосомах народжуються діти з рудиментарними очима. 8 окремих випадках у таких дітей очі повністю відсутні. Іноді в них формується вовча паща або заяча губа. В разі трисомії по 17-18-й хромосомах народжуються діти з аномаліями вух, черепних кісток, з порушеннями психіки. Аналогічні аномалії, спричинені трисомією, спостерігаються в тварин та рослин.
Таким чином, втрата генотипом одного чи декількох генів, що трапляється в разі порушення цілісності хромосом, при моносомії, нулісомії тощо або ж поповнення генотипу додатковими генами, що трапляється при утворенні трисоміків, полісоміків чи хромосомних перебудовах, може суттєво порушувати генний баланс, який склався протягом тривалого еволюційного розвитку організмів. Механізм цього балансу полягає в тому, що в генотипі будь-якого виду організмів між десятками тисяч генів проявляється чітко інтегрована їхня функція. Втрата чи надбання певних генів генотипу впливає на гальмування або на надмірне зростання темпів формування відповідних ознак. Цим і обумовлюються аномалії в їхньому фенотиповому прояві.
Види домінування. Співвідношення в розщепленні в гібридів другого покоління, установлені Менделем, спостерігаються при повнім домінуванні, тобто коли одий аллель повністю придушує дія іншого. Згодом були виявлені й інші види домінування. Наприклад, при схрещуванні безвухих овець і баранів з нормально розвиненими вухами виходить коротковухе потомство. Таке явище називають неповним домінуванням. При схрещуванні корів з білими плямами на тулубі, білим брюхом і ногами (рябих) з биками, у яких фарбування тіла суцільне, виходить потомство, що має білі плями лише на череві, голові, ногах, іноді більші плями на тулубі - отже, суцільне фарбування неповно домінує над рябим. До того ж у різних тварин першого покоління розміри білих плям коливаються від маленької білої цятки на вимені до майже суцільно білого черева й т.п., отже, ступінь неповного домінування в різних тварин різна.
Внаслідку був виявлений ще один тип домінування - наддомінування, при якому в гібридів першого покоління спостерігається більше сильний розвиток ознаки, чим у вихідних батьківських форм. Дослідники, що відкрили це явище, пояснюють його по-різному, однак більшість із них відмінюються до того, що при наддомінуванні домінантний ген в одній дозі (тобто в гетерозиготному стані) більше, сприятливо впливає на розвиток ознаки, чим у подвійній. На явищі наддомінуванні частково заснований широко розповсюджений у США спосіб одержання гібридних насінь кукурудзи шляхом комбінації при схрещуванні чотирьох неспоріднених ліній.
Ще задовго до відкриття наддомінування професор Д. А. Кисловський висловив припущення про існування таких генів, які впливають на посилення розвитку ознаки, коли перебувають у гетерозиготному стані, і, навпаки, можуть послабляти його й навіть негативно впливати на організм - у гомозиготному. Такі гени Д. А. Кисловський запропонував називати облігатно-гетерозиготними. Його гіпотеза одержала підтвердження при вивченні гемоглобінів людини. Виявилося, що люди, гомозиготні по нормальному гемоглобіні Л, заражаються тропічною малярією й важко переносять цю хворобу; люди, гомозиготні по гені гемоглобіну S, гинуть через ненормальну форму еритроцитів (так званої серповидно-клітинної анемії), а гетерозиготні не занедужують тропічною малярією або легко неї переносять.
Не дуже давно встановлений ще один вид домінування – кодомінування, при якому в гібридів першого покоління проявляються ознаки того й іншого предка, виражені рівною мірою й незалежно друг від друга. Так, при схрещуванні червоних шортгорнських корів з білими шортгорнски-ми биками виходять телята чалої масті (суміш білих і червоних волось), і по фенотипі нащадків легко визначити, що вони гетерозиготні по цих генах. По типі кодомінування успадковуються, зокрема, групи крові тварин і людини, розходження в будові білків, наприклад гемоглобіну або транс-феррина, ферментів та ін.
Летальна дія генів. Французький зоолог Кено виявив, що при схрещуванні між собою жовтих мишей фарбування їхнього волосяного покриву ніколи не закріплюється й у потомстві завжди дає розщеплення на жовті й нежовті в співвідношенні 2:1. схрещування, Що Аналізує, жовтих і нежовтих особин давало розщеплення 1:1. Результати подальших досвідів привели зрештою до висновку, що всі жовті миші гетерозиготні, а зиготи, гомозиготні по жовтому фарбуванню, гинуть на ранній стадії розвитку. Так уперше було показано, що ген у гомозиготному стані може бути летальним (смертоносним).
Серед овець каракульской породи зустрічаються тварини з гарною сріблисто-сіркою (ширазі) фарбуванням шкурки, оцінюваної дорожче, ніж звичайний чорний каракуль. При схрещуванні сірих овець із сірими баранами виявилося, що вони завжди гетерозиготні, тому що в їхньому потомстві завжди було 25% чорних ягнят. У той же час 25% ягнят сірого фарбування гинули від хронічної тимпанії при переході на грубий корм. Причиною захворювання виявилося порушення парасимпатичної нервової системи. Коли ж схрещували сірих баранів із чорними матками або сірими матками із чорними баранами, то в потомстві виявлялося 50% сірих і 50% чорних ягнят, причому сірі ягнята не занедужували. Виявилося, що в гомозиготному стані ген, що викликає розвиток сірого фарбування, володів рецесивною летальною дією, заснованою на порушенні функцій парасимпатичної нервової системи.
При штучному заплідненні, коли від одного бика можна одержати кілька тисяч телят у рік, небезпеку поширення шкідливих генів дуже велика. Виробник, гетерозиготний по летальному гені, передає цей ген половині своїх нащадків, і якщо серед спарених з ним корів не найдеться достатнього числа гетерозигот по цьому ж гені, від яких може бути отримане значне число гомозиготних дефектних телят, то виявити носія такого шкідливого гена можна тільки через кілька поколінь.
Летальні гени, траплялося, мігрували з однієї череди в інше й навіть із однієї країни в іншу. Так, бика голштинської породи Принца Адольфа, завезеного з Голландії у Швецію в 1902 р., уважали видатним плідником. Через 26 років, коли стало відомо, що він був носієм летального гена безшерстності, його спадкоємний матеріал виявився широко розповсюдженим серед шведських голштинів. Бик айрширской породи Данлоп-Талисман, завезений в 1923 р. у Фінляндію, мав ген, що викликає гідроцефалію. До кінця 1937 р. у племінній книзі айрширської худоби Фінляндії було зареєстровано 84 сина й 189 онуків цього бика. Установили, що 82 його онука походили від тих синів Данлоп-Талисмана, які були гетерозиготами по даному летальному гені.
Самі по собі летальні гени не елімінуються; концентрація шкідливих генів у тій або іншій породі може досягти такого рівня, що виникає необхідність у спеціальних заходах по зниженню частоти цих генів. Основним завданням при цьому є виявлення тварин, особливо плідників, гетерозиготних по небажаному гені. Якщо такий ген повністю рецессивний, то виявити гетерозигот можна тільки за допомогою випробування по потомству.
До теперішнього часу у великої рогатої худоби визначено 46 летальних генів, у коней 10, у свиней 18, в овець 15, у курей 45, в індичок 6, у качок 3. Розходження в кількості леталей, виявлених у тваринних різних видів, залежить не стільки від біологічних особливостей виду, скільки від ступеня його вивченості, кількості й матеріальної цінності одержуваного потомства, а отже, від більшої або меншої уваги до особливостей загиблих тварин.
Множинний алелізм. Дотепер ми розглядали тільки гени, що існують у двох аллельных станах, - домінантному й рецессивном, однак багато генів мають більше двох аллелей. Серією множинних аллелей називають три або більше стани одного локусу, що обумовлюють різні фенотипи. Серед представників одного виду аллели успадковуються таким чином, що кожна особина може одержати будь-які два з них, але ніяк не більше. В інших серіях множинних аллелей гени можуть бути не повністю домінантними, отже, фенотип гетерозигот є проміжним між фенотипами батьків.
2. Взаємодія неаллельних генів.
Вищевикладений матеріал містить трохи спрощене пояснення взаємодії генів і ознак: кожний ген визначає одну ознаку. Дослідження показують, що взаємодія генів і ознак досить складне. Трохи пара генів можуть визначати поява однієї ознаки; одна пара генів може псувати або придушувати ефект дії іншої пари; певний ген може викликати різні ефекти залежно від зміни зовнішніх умов. Гени успадковуються як самостійні одиниці, але вони можуть взаємодіяти складним образом, визначаючи ознаку. Нижче наведені основні типи взаємодії неаллельных генів.
Комплементарна дія генів. Прикладом одного з порівняно простих типів взаємодії может.служити спадкування форми гребеня в курей. Відомо, що ген розовидного гребеня R домінує над геном простого гребеня м. Інша пара генів визначає розходження між горохоподібним Р и простим р гребенями. Отже, півень із простим гребенем повинен мати генотип рргг, з горохоподібним - Рргг або Рргг, а півень із розовидным гребенем - ppRR або ppRr. Дослідники виявили, що при схрещуванні гомозиготного птаха, що має горохоподібний гребінь, з гомозиготної, що має розовидный гребінь, у нащадків гребінь виявляється не горохоподібним і не розовидным, а зовсім іншого типу, називаного ореховидным. Отже, ореховидность гребеня визначається наявністю в птаха одного або двох генів R і одного або двох генів Р, так що всі кури генотипів PPRR, PpRR, flfcr і PpRr будуть фенотипически однакові, маючи ореховидный гребінь. У результаті схрещування між собою двох гетерозиготних птахів з ореховидным гребенем у потомстві спостерігається розщеплення в співвідношенні 9 ореховидных : 3 розовидных : 3 горохоподібних : 1 простий.
Дві незалежні пари генів можуть взаємодіяти таким чином, що жоден з домінантів не може викликати відповідного ефекту під час відсутності другого домінанта. Такі пари генів у визначенні фенотипового ефекту дія кожного з них доповнює дія іншого. Присутність двох домінантів обумовлює поява однієї ознаки, а протилежна ознака виникає при відсутності кожного з них або обох. Прикладом такої взаємодії може служити утворення коричневого пігменту в шовковичного хробака.
Коричневий пігмент для комах має важливе значення й пов'язаний з розвитком фототаксису. У шовковичного шовкопряда виявлені дві рецессивні мутації двох неаллельных генів, позначуваних Wi і WV, обидві приводять до повної втрати коричневого пігменту. Гібриди першого покоління від схрещування двох форм, позбавлених коричневого пігменту, з яких одна гомозиготна по гену w\(wwWW), а інша по гену WzWWw^Wz), мають коричневий пігмент, тому що містять гени W\ і w.
В F2 іде розщеплення на форми, що мають коричневий пігмент, і форми, позбавлені цього пігменту, у співвідношенні 9:7.
Гібриди fi від схрещування генотипически різних форм, позбавлених коричневого пігменту (W[W\W2W2), гетерозиготны по генах W\ і W2. Маючи в одинарній кількості нормальні аллели генів w\Wz, вони здатні перетворювати кинуренин в оксикинуренин і оксикинуренин у коричневий пігмент.
У другому поколінні деякі тварини несуть ген Wi або w% у гомозиготному стані й позбавлені пігменту.
Эпістатична дія генів. Як відомо, домінування є пригнічення одним аллелем дії іншого: А>а, В>Ь, З>с и т.буд. Але існує взаємодія, при якому аллель одного з генів придушує дію аллелей інших генів, наприклад, А>В або В>А, а>В або Ь>А и/т.д. Таке явище називають эпистазом.
Эпистатична взаємодія генів за своїм характером протилежно комплементарній взаємодії.
Гени, що пригнічують дію інших генів, називають супресорами. Вони можуть бути як домінантними, так і рецессивними. Гени-супресори відомі у тварин і в рослин.
Зміна розщеплення при такому типі взаємодії генів можна спостерігати на прикладі схрещування курей домінантної й рецессивної білого фарбування. Біле оперення віандотів, плімутроків і деяких інших порід обумовлено відсутністю гена З, що визначає утворення в пір'ях пігменту меланіну. Перераховані породи не є повними альбіносами, тому що очі їх пофарбовані. Відносно фарбування оперення їхній генотип - її. Фарбування оперення леггорнів така ж, як і в інших білих порід, але генетичний аналіз указує на те, що вони несуть ген С. Дія цього гена придушується в білих леггорнів геном-супрессором В, що у гомозиготному стані перешкоджає прояву фарбування. Про білих леггорнів говорять, як про домінантних білий, тому що при схрещуванні з пофарбованими породами вони дають у Р\ переважно біле потомство.
Коли білих леггорнів схрещують із рецессивними білими породами, то fi звичайно не чисто-біле, тому що ген / у гетерозигот не повністю эпістатичний стосовно гена С. У більшості курчат і дорослих особин генотипу // зустрічаються чорні плями на пері, але в основному в них переважає біле оперення; деякі особини бувають зовсім білі. При схрещуванні між собою гібридів F\ в F2 у результаті взаємодії генів / і С и їх аллелей розщеплення по фарбуванню буде наступним: 13 білих: 3 пофарбованих. Якби можна було ідентифікувати кожну особину, гетерозиготную по /, те співвідношення змінилося б у такий спосіб: 7 (чисто-білих) : 6 (білих із чорними цятками) : 3 (пофарбованих). Серед семи чисто-білих три повинні бути гомозиготними тільки по гену домінантного білого фарбування, три - тільки по гену рецессивного фарбування, а одна - по генах обох білих фарбувань, однак розпізнати ці три генотипи можна лише шляхом схрещувань, що аналізують.
У деяких випадках супрессором може бути й рецессивный ген Таке явище називають «рецессивный эпистаз». Так, у мишей -меются ген Л, що визначає сіре фарбування вовни, і рецесивний ген а (чорне фарбування). В іншій парі аллелей домінантний ген У сприяє утворенню пігменту, а його рецессивный аллель Ь пригнічує синтез пігменту й миші стають альбіносами. Таким чином, гетерозиготні по обох генах миші (Лавь) мають сіре фарбування. При схрещуванні їх між собою вийде розщеплення в співвідношенні 9 сірих: 4 білих: 3 чорних.
Полімерна взаємодія генів. Це найбільш важлива форма взаємодії неаллельных генів, тому що з нею зв'язане з'ясування такого важливого питання, як успадкування кількісних ознак. Полімерією називають такий тип взаємодії генів, при якому на одну ознаку діють пара неаллельных генів.
У пшениці відомі два типи фарбування зерен: білозерні форми, позбавлені пігменту в оболонці зерна, і краснозерні, що містять в оболонці зерна червоний пігмент. Червоне фарбування домінує над полімерним білим цвітом зерен. При схрещуванні взаємодія генів сортів пшениці, що мали червоне фарбування зерен, з білозерним сортом в f1 зерна всіх рослин були проміжного рожевого фарбування, а в F2 в 1/16 рослин — червоної, в 1/16 — білої, а в інших 14/16— проміжного фарбування різного ступеня інтенсивності. Було відзначено, що інтенсивність пігментації підсилювалася зі збільшенням числа генів, що впливають на розвиток пігменту. У цьому випадку відбувається нагромадження дії генів, що підсилюють розвиток ознаки, коли дія їх як би підсумується й збільшення розвитку ознаки залежить від ефекту дії кожного з них. Така дія генів називають аддитивним (сумованим), а самі гени, що підсилюють розвиток ознаки, - аддитивными. Отже, при аддитивній дії генів величина- ознаки залежить від числа генів, що впливають на посилення його розвитку.
Модифікуюча дія генів. Генами-модифікаторами називають специфічний тип генів, ослаблюючих або посилюючу дію основного гена, що впливає на .розвиток певної ознаки. Прикладом дії генів-модифікаторів може служити варіація білої плямистості в айрширів або голштино-фризів. Обидві породи гомозиготні по гену, що визначає виникнення білої плямистості, але гени-модифікатори викликають варіацію прояву плямистості від майже повної пігментації всього тіла до майже повної її відсутності.
Спадковість і середовище. Весь процес розвитку особини, від заплідненої яйцеклітини до дорослого організму, відбувається під безперервним регулюючим впливом генотипу, а також безлічі різних умов середовища, в, що перебуває зростаючий організм. Властивості особини залежать, отже, від двох основних факторів - генотипу й середовища
Зовнішні розходжень, які залежать тільки від впливів середовища, називають модифікаціями. При недоліку кормів корови будуть давати менше молока.
Даний сорт пшениці розвивається набагато краще, якщо вона одержує досить азоту, чим у тих випадках, коли кількість азоту нижче норми. Типові приклади модифікацій, обумовлених чисто зовнішніми впливами, можна спостерігати на будь-якому засіяному злаками поле. Отже, надзвичайна мінливість, властива живим істотам, у значній мірі викликана тим, що різні особини майже завжди перебувають у різних умовах середовища. Однак не менш важлива мінливість, що залежить від генотипових розходжень, тобто від розходжень у генетичній конституції. У першу чергу ці розходження пов'язані з рекомбінацією генів.
Є ряд можливостей для одержання особин, ідентичних по своєму генотипу. Так, за допомогою вегетативного розмноження з однієї рослини можна одержати велику кількість однакових нащадків у вигляді клону. У такому випадку всі особини усередині клону будуть мати той самий генотип. При вирощуванні рослин одного клону в різних екологічних умовах була отримана велика кількість модифікацій, однак після повернення рослин у колишнє середовище перебування всі модифікаційні властивості зникають; вони не проявляються й у наступних поколіннях,
Великий інтерес представляє вивчення особин, ідентичних по генотипу. Таке явище спостерігається при народженні однояйцевих близнюків. Серед близнюків найбільше часто зустрічаються так звані дизиготні, або неідентичні (різнояйцеві), близнюки. Вони виникають при заплідненні двох незалежних яйцеклітин двома незалежними спермиями. Ці близнюки нічим не відрізняються від звичайних, у різний час братів, що народжуються, і сестер - неблизнюків. При народженні однояйцевих близнюків одна запліднена яйцеклітина ділиться на два бластомера. які, роз'єднуючись, дають початок двом незалежним друг від друга ембріонам. Генотипи таких близнюків тотожні.
Дослідження ідентичних близнюків багато дали для пізнання генетики тварин і людини. Вони дозволили вивчити питання про співвідношення середовища й генотипу в розвитку особини. Завдання дослідників полягає у встановленні ступеня подібності (конкордантности) або відмінності (дисконкордантности) у парах близнюків.
.Установлено, що питома вага генетичної інформації в розвитку особини дуже великий. Близнюки вражають своєю фізичною подібністю, але по-різному залежать від впливу умов зовнішнього середовища. Виникнення у тваринного інфекційного захворювання визначається середовищем, однак навіть відносно таких властивостей, які, здавалося б, викликаються чисто зовнішніми впливами, не можна зневажати роллю генотипу. У прояві таких захворювань, як грип, рахіт, туберкульоз, роль генотипу цілком очевидна. Ступінь спадкоємної схильності відіграє роль при будь-якім захворюванні.
Класичним прикладом, що ілюструє сутність вчення про норму реакції, є досвіди з так званими гімалайськими кроликами. У цієї породи кроликів очі позбавлені пігменту й тому виглядають червоними, тіло покрите білими волоссями й лише ногою, вуха й хвіст пігментовані. Ці особливості строго передаються в спадщину, будучи детерміновані аллелем ch, що викликає менделевское розщеплення при схрещуванні, так що, здавалося б, перед нами — спадкування ознаки у вигляді певного малюнка пігментів на тілі кролика. Однак виявилося, що поява цієї ознаки вимагає строгого співвідношення генотипу з певними умовами середовища. Генотип кролика такий, що пігмент у клітині починає вироблятися лише при знижених температурах, тому на всіх ділянках тіла кролика, де кровопостачання погіршене, утвориться чорний пігмент. Якщо ж вискубати волосся з ділянки білої шкурки кролика й дозволити їм вирости знову, але вже в умовах холоду, то вони замість білих виявляться чорними. Якщо вискубати волосся з пігментованих частин тіла кролика й дозволити їм вирости в умовах підвищеної температури, то знову вирослі волосся виявляться білими. Таким чином, успадковується не малюнок гімалайського кролика як такий, а здатність залежно від температурних умов до утворення пігменту,
Здатність організмів реагувати на фактори середовища, як правило, має пристосувальний характер, і це становить найважливішу сторону вчення про норму реакції. Здатність протистояти коливним умовам середовища шляхом адаптивного реагування організмів одержала назву адаптивної цінності. У людини при житті на різних висотах над рівнем моря виробляється різна кількість еритроцитів; їхня концентрація в 1 мм3 у людей, що живуть на рівні моря, у два рази менше, ніж у людей, що живуть високо в горах. Переселення в місця, розташовані на висоті рівня моря, приводить до зменшення числа еритроцитів у крові.
Все перераховане вказує на глибокі розходження між ознакою особини й геном. Ознаки, як правило, не успадковуються, вони розвиваються лише на основі взаємодії генотипу із середовищем. Успадковується тільки комплекс генів, що визначає норму реакції організму, що змінює прояв і вираження ознак у різних умовах середовища.
Важливе значення для характеру прояву генів мають наявність і активність генів-модифікаторів, що визначають ступінь експресивності генів залежно від умов середовища. У постембріональний період, коли йде процес формування конкретних ознак, властивих даної особини, генотип проявляється у фенотипі як система взаємозалежних генів. У цій системі розвиток однієї ознаки може залежати від взаємодії багатьох генів і один ген може впливати на розвиток і прояв декількох ознак.
Плейотропія. Явище одночасного впливу одного спадкоємного фактора - гена - на кілька ознак називають плейотропією. Плейотропна дія гена може бути як позитивною, так і негативною. Практично завжди при аналізі зв'язків гена й ознаки можна виявити явище плейотропії. Особливо чітко плейотропія проявляється при вивченні фенотипових змін ознак, викликуваних мутацією одного гена. У тварин і людини мутація одного гена може обумовити цілий комплекс патологічних змін фенотипу, називаних у медицині синдромами.
У медицині та ветеринарії найбільш вивченими є так звані синдромні та біохіічні плейотропії. При синдромій плейотропії один мутантний ген обумовлює комплекс ушкоджень у процесі раннього ембріонального розвитку. Прикладом синдромної плейотропії може служити рецессивна мутація гена, що кодує фермент галактозо-1-фосфат-уридил-трансферазу, необхідний дитині для засвоєння молочного цукру. Ця мутація обумовлює захворювання галактоземією і робить плейотропний ефект на комплекс ознак. У хворого проявляються такі пороки розвитку, як слабоумство, сліпота, цироз печінки. Попередити розвиток захворювання можна, якщо хворого перевести на штучну дієту, без молочного цукру. На перший погляд, ці дефекти не зв'язані між собою, хоча обумовлені мутацією одного гена.
Прикладом біохімічної плейотропії, що послужив моделлю для вивчення складних взаємодій структурних генів і характеру їхнього прояву у фенотипі особини, можуть служити мутації генів, що контролюють метаболізм амінокислот фенілаланіну й тирозину. Порушення цього метаболізму обумовлює патологічні зміни цілої серії ознак у людини й такі захворювання, як фенілкетонурія, алкаптонурія, кретинізм, альбінізм.
Підсумовуючи викладене, можна дійти висновку, що гени в складі генотипу не є ізольованими один від одного. Вони взаємодіють у процесі функціонування. Ця взаємодія простежується в дослідженнях з гібридологічного аналізу, в цитогенетичних та біохімічних дослідженнях. Накопичення даних про закономірності різних форм взаємодії генів набуває все більшого значення в практиці селекції домашніх тварин та сільськогосподарських рослин.
Лекція 4
Тема: «Генетика статі»
Питання:
Половое размножение свойственно как растениям, так н животным и обусловлено формированием гамет – мужских и женских гаплоидных клеток, которые, соединяясь в процессе оплодотворения, дают начало диплоидным клеткам — зиготам. При скрещивании в результате процесса расщепления и комбинации генов в потомстве возможно выявление новых приспособительных сочетаний признаков. За счет полового размножения под контролем естественного отбора в наследственном фонде вида накапливаются сочетания генов, способствующие выживанию вида в данных условиях.
У диплоидных организмов наследственно обусловлена способность к формированию признаков и свойств как женского, так и мужского пола, но одна из этих тенденций преобладает, в то время как другая подавляется и проявляется только при условиях, исключающих возможность проявления основной тенденции. Так, у старых самок жаб после отмирания женских половых желез начинается вторичное развитие зачаточных мужских половых желез и самки приобретают способность функционировать в качестве самиов, но потомство, возникающее от скрещивания их с нормальными самками, состоит только из самок. В этом случае выявление подавленной мужской половой тенденции происходит после разрушении женских половых желез, сформировавшихся под влиянием основной половой тенденции.
Пол организма зависит от взаимодействия наследственной основы, полученной им от родителей, с условиями внешней среды, в которой происходит его развитие. Определение пола осуществляется у разных живых организмов на различных ступенях индивидуального развития.
Механизм хромосомного определения пола. Определение пола может происходить на разных фазах цикла размножении. Пол зиготы может предопределяться еще в процессе созревания женских гамет - яйцеклеток. Такое определение пола называют прогамным. Оно обнаружено у коловраток, глистов и первичных кольчецов. Яйцеклетки этих животных в результате неравномерного распределения цитоплазмы в процессе оогенеза являються различными по размеру еще до оплодотворения. Например, в яйцевой капсуле первичных кольчецов содержатся два сорта яиц —крупные и мелкие. Из крупных после оплодотвсре-ч« развираются только самки, из мелких—только самцы. J Если определение гола нового организма обеспечивается при оплодотворении в результате соответствующего сочетания гаиет, то есть при образовании зиготы, то такой тип детерминации пола называют синеимным. Сингамное определение пола типично для млекопитающих, птиц, рыб. двукрылых насекомых, двудомных растений.
Эпигамное определение пола наблюдается после оплодотворения под влиянием внешних условий. Подобный пример можно найти среди животных. Так, у морского червя Bonellia viridis самки достигают размеров сливы и обладают длинным, похожим на хобот органом тогда как самцы сильно редуцированы и имеют в длину всего несколько миллиметров. Самцы живут в матке самки, выполняя по-видимому, одну-единствеиную функцию — оплодотворение яиц, что при таком образе жизни весьма несложно. Из оплодотвореннных яиц выходит свободноплавающая личинка; после некоторого периода свободной жизни она оседает и прикрепляется либо ко дну, либо к хоботку половозрелой самки. Личинки, осевшие на дно, развиваются в самок. Если же личинкам случайно удалось прикрепиться к хоботку самки, они развиваются в самцов и постепенно проникают в женские половые органы, где и паразитируют.
Уже давно было отмечено, что соотношение полов у животных близко к 1 : 1. Данное соотношение совпадает с расщеплением аллелей при анализирующем скрещивании. когДа одна из особей гетерозиготна (Аа), .а другая гомозиготна но рецессивному гену (аа). В этом случае происходит расщепление в соотношении 1Аа : laa, причем гены А и а должны находиться в одной паре хромосом. Если пол наследуется по такому же принципу, то следует предположить, что один пол, например женский, должен быть «гомозиготным», а другой — «гетерозиготным» или наоборот. Такая догадка была высказана еще Г. Менделем.
Позднее цитологи, изучая мейоз у некоторых насекомых, получили дарение неравного распределения хромосом. Так, > самцов клоги наблюдали в одних сперматоцитз.х лтсриго по-чрядка семь хромосом, а в других — шесть, следовательно, одна •хромосома оказалась непарной. Непарную хромосому назвали J-хромосомой, а все остальные хромосомы в клетке — аутосомами. В соматических клетках самца клона насчитывается 13 хромосом, одна из которых является Х-хромосоыой. В соматических клетках самок клопа насчитывается 14 хромосом, из которых две Х-хромосомы (такие же, как у самца) 8 12 аутосом. Все ооциты у самок -этого вида имеет хромосом. Таким образом, у клопа все яйцеклетки имеют А + 6 аутосом, a сперматозинды оказываются двух сортов, одна часть имеет набор хромосом Х+6, а другая 0+6.
Впоследствии были обнаружены организмы, v которые в сперма гогониях одна из пар хромосом представлена неодинаковыми по размеру или форме хромосомами. Одна такая хромосома была сходна с парными хромосомами женского иола. за ней сохранилось название «А'-хромосома», другая --иной формы или размера названа У-хромосомой. Например. в соматических клетках коровы содержатся 60 хромосом, из которых 58 являются аутосомами и -две — половыми Х-хромосо-мами. Соматические клетки быка также содержат 60 хромосом, среди которых 58 аутосом и одна пара половых хромосом.
Таким обратим. у особей женского пола многие видов животных все хромосомы парные, и в гаметогенезе в результате редукционного деления у них образуется только один сорт гамет; у мужского пола образуются два сорта гамет — либо X и 0, либо X и У— при равном числе остальных хромосом — аутосом. Соотношение различных сортов мужских гамет в обоих случаях будет равно 1 : 1, так как это определяется.
Пол, образующий гаметы одного сорта по половым хромосомам (X и X), назвали гомогаметным; образующий два сорта гамет гетерогаметным.
В случае, когда яйцеклетки содержат, кроме аутосом, Х-хромосому, при соединении со спермием, несущим также Х-хромосому, образуется зигота с парными хромосомами XX, то есть женского иола. Если же такая яйцеклетка соединится со спермием, несущим У-хромосому, то образуется зигота с набором половых хромосом AT, то есть мужского пола.
Исследования показали, что гетерогаметность по мужскому полу присуща млекопитающим, рыбам, двукрылым насекомым, а также двудомным растениям, В то же время у бабочек, птиц, рептилий гетерогаметным полом является женский, а гомога-метннм — му.-м ;.,,[<
Балансовая теория определения пола. Исследования на дрозофил i? показали, что простой на первый взгляд механизм определения пола в действительности сложнее. Несомненно, что А'-хромосома направляет развитие особи в сторону женокогО пола, однако У-хромосома у плодовой мушки никак не влия*.ч на по! Например, можно получить особей типа ХО. то есть имеющих одну лишь Jf-хромосому, но' лишенных У-хромосомы. Такие особи представляют собой типичных самцом, но ок.ч оо-нер!ш.'чно стерильны. Следовательно, наличие- У хромосомы обеспечивает плодовитость самцов, но не влияет на определение пола как таконое; в данном случае роль У-хромосомы сво-1лтсн к тому, что она служит партнером А'-хромосомы в мейозе.
В 1919 г. К. Брнджес нашел триплоидных самок дрозофил, которые были плодовиты. На основании опытов Бриджес пришел к выводу, чте пол определяет не присутствие двух Х-хромосом или XY, а -оотноше-ние числа половых хромосом и числа неооров а\тисом. Это следует из того, что все особи с балансом хромосом (или половым индексом) X: А = 1 предстт.яю: собой самок, соотношение Х:2А=0,5 определяет самцов; баланс хромосом в соотношении от ; до 0,5 определяет промежуточное развитие пола, го есть интерсексуальность. Соотношение ЗХ : 2А ^- ! ,5 ве.тет к развитию сверхсамок. Напротив, увеличение количества наборов аутосом на одну Х-хромосому ХХ^У: ЗЛ=0,33 определяет развитие сверхсамцов. В табл. 1 показаны различные половые типы дрозофил и соответствующие им половые индексы.
У дрозофилы и у некоторых других насекомых иногда развиваются так называемые гинандроморфы, у которых одни части тела женского, а другие—мужского типов. Иногда одна сторона тела особи несет мужские признаки, а друг аи -женские. Причины такой мозаичкостн легко объяснить. В начале своего разлития животное обладает де\ чя Х-хромосомами и начинает развиваться самка, однако при первом дроблении оплодотворенного яипа но тем или иным причинам происходит yiрата одной из У-хромосом. В результате образовавшиеся клетки, содержащие только одну Л'-хромосому. продолжают делиться, то формируются особи, характеризующиеся чисто мужскими признаками. Из клсгок
У всех насекомых, принадлежащих к отряду перепончатокрылых (к которому принадлежит н медоносная пчела), пол определяется иным путем. В этой группе, а также у некоторых других насекомых самки диплоидны, тогда как самцы первично гаплоидны. Иными словами, самцы имеют вдвое меньше хромосом, чем самки. Хромосомный комплекс самок нормальный, то есть у них имеется по паре хромосом каждого типа, однако гаплоидность присуща лишь клеткам так называемого зародышевого пути — клеткам, из которых развиваются гаметы. Во всех других частях тела самцов, например в кишечнике, мышцах и сосудистой системе, число хромосом вторично удваивается, становясь диплоидным. В результате самцы имеют нормальные ndivi'pi.r тела и жизнеспособны. У самцов в мейозе не происходит редукции Числа хромосом, н поэтому половые клетки самцов имеют такое же число хромосом, как и клетки зародышевого пути. Поскольку клетки зародышевого пути уже несут половинный набор хромосом, вторичная редукция была бы просто излишней. У самок, напротив, мейоз протекает нормально, то есть сопровождается редукцией хромосом Первичная гаплоидность самцов связана с тем, что они разбиваются из неоплодотворенных яиц. которые содержат половинное число хромосом, У других органиков tjkhc чина обычно неспособны к развитию, но у перепончатокрылых развитие неонлодотворённых янц представляет собой, как это ни удивительно, обычное явление.
У медоносной пчелы известны гамки двух типов: многочисленные сте-ри.чьные рабочие пчелы н одна плодовитая пчелиная матка. Различия между рабочими пчелами и матками не обусловлены кормлением во время их роста Непосредственная причина стерильности рабочих пчел заключается, по-види-мому, в отсутствии некоторых витаминов Рабочие пчелы, как и матки, диплоидны. Те н другие содержат в своих соматических клетках по 32 хромосомы.
Самцы — трутни — развиваются из неоплодотворенных яиц, и их клетки вначале содержат 16 хромосом. Неоплодотворенные яйца откладываются в специальные ячейки сот, которые крупнее тех ячеек, где воспитываются рабочие пчелы. При спаривании матки с трутнем сперма попадает в специальный семяприемник, где она и хранится. Таким образом, пчелиная матка обладает фантастической способностью; откладывая яйца. пропускать часть их через резервуар с семенем так, что они остаются неоплодотворенными. а в других случаях обеспечивать оплодотворение яиц. В большие ячейки сот, приготовленные для трутней, матка безошибочно откладывает только неоплодотворенные яйца. Оплодотворенные яйца, из которых должны развиваться рабочие пчелы или, возможно, новая матка, всегда откладываются в другие ячейки сот. То, что гаплоидные особи становятся самцами, а диплоидные - сачками, является эмпирическим фактом, который считают связанным с различием в числе хромосом. Возможно, что это справедливо для пчел, хотя у самцов пчел число хромосом о соматических клетках впоследствии изменяется с 16 на 32.
Бисексуальность организмов. Многочисленные результаты опытов на животных и растениях позволяют считать, что организмы обладают бисексуальностью, то есть способностью при определенных условиях формировать женский илн мужской пол. Наилучшим доказательством наследственной бисексуальности организмов является изменение пола в онтогенезе в естественных или искусственных условиях.
Одни из замечательных примеров переопределения пола получен на аквариумных рыбках в исследовании Т. Ямамото в 1953 г. Для опыта были отобраны белые и красные медаки. Гетерогаметным полом у этих рыбок является мужской. Доминантный ген красной окраски R находится в У-хромосоме, а его рецессивная аллель г — в А-хромосоме. Следовательно, белые самки имеют генотип Х'Х', а красные самцы — ХГУЯ. В этом случае самцы всегда будут красными. При указанном типе наследования сыновья всегда будут нести признак отца. Выклюнувшиеся мальки, пока у них еще не дифференцировался пол, были разделены на две группы, которые содержались до восьми месяцев на двух различных диетах:
1) нормальное кормление,
2) с добавкой женского полового гормона — эстрона.
В результате оказалось, что все красные рыбки во второй группе, генотипически определяемые как самцы X'Y", по фенотипу оказались самками с нормальными яичниками и с женскими вторичными половыми признаками Они были способны скрещиваться с нормальными красными самцами. Скрещивание эких самок с нормальными самцами XrY" давало расщепление по полу не 1:1, а 1 Х'Х': :3У$
У крупного рогатого скота иногда рождаются двойни. В случае разнополых близнецов бычки развиваются нормально, а телочки оказываются интерсексами (наружные гениталии женского типа, а внутренние органы — мужского). Таких животных называют фримартинами; они всегда бесплодны. Это обусловлено тем. что из ранних этапах эмбрионального развития между ними устанавливаются анастомозы. Семенники мужского эмбриона раньше начинают выделять в кровь мужские гормоны, провоцируя изменение женского эмбриона.
У кур функционирует только левый яичник. Если же он в силу возрастных изменений, приводящих к гормональной перестройке в организме, а также из-за болезни или в результате действия других неблагоприятных факторов редуцируется, зачаток правой гонады превратите б семенник, в котором могут формировать нормальные спермин. Половое поведение птицы и внешние признаки (развитие гребня и др.) становятся характерными для особей мужского пола. Генетически женская особь превращается в фенотипического петуха.
Патология по половым хромосомам. У ряда животных различных видов обнаружена патология по половым хромосомам. часто знало: ячная таковой у человека. Основной причиной таких ано-.чалий является нерасхожденне половых хромосом в процессе митоза дробящейся зиготы и нерасхождение половых хромосом в бластомеры на ранних этапах развития особи. Нерасхождение половых хромосом при мейозе и митозе сопровождается появлением в фенотипе особей аномалий, затрагивающих морфологические и физиологические системы. Существенно снижается или полностью утрачивается воспроизводительная функция, нарушается общее развитие, проявляется патология нервной и гормональной систем, меняется габитус тела.
Если речь идет о двух Х-хромосомах самки млекопитающих, то в результате нерасхождения возникают женские гаметы, одна из которых имеет ни одной, тогда как в норме каждая из них должна нести по одной А -хромосоме и обладать одинаковой возможностью определения пола. Если обозначить эти гаметы через Л'А и 0. то н результате их соединения с нормальными мужскими га мота ми (половина которых несет Л'-, а другая половина У-хромосому) возникнут анеуплоидные зиготы, как это и представлено на рис. 24 Возникающие в данном случае четыре типа зигот и количество хромосом в них представляют собой четыре типа аномалий. При рассмотренных аномалиях число аутосом не отклоняется от нормы.
Синдром Тернера (А'О) наблюдается у женских особей. Эта аномалия описана у домашней мыши и козы. Синдром Клайнфельтера (AAY) наблюдается у мужских особей. Такой тип половых хромосом описан у собак, котов с черепаховой окраской шерсти, свиней. Во всех случаях особи, обладающие этим синдромом, имели ряд физиологических и анатомических аномалий и были бесплодны.
Зиготы типа У 0 не были обнаружены. Возможно, что такие зиготы нежизнеспособны.
Особи с набором АХ* — самки, внешне почти ничем не отличаются от нормальных, и некоторые из них лаже плодовиты.
В то время при исследовании интерсексов и гермафродитов серьезные грудности возникли при определении генетического пола аномальных особей. Не зная, была ли зигота первоначально мужской или женской, трудно было установить, какие отклонения от нормы произошли я ней ь процессе разиития. Эта проблема была разрешена М. Барром, которой начал спои исследования в 1949 г. и в дальнейшем установил, чш нормальные соматические клетки мужских н женских особей характеризуются наличием или отсутствием в них небольшого хроматн-нового тельца, обнаруживаемого при слабом окрашивании. Эти включения получили название полового хроматина, телец Барра или ядерного хроматина. Обычно для анализа используют клетки препаратов, приготовленных из мазков слизистой оболочки рта.
Поиски полового хроматина у интерсексов показали, что у особей, страдающих синдромом Тернера (ХО), как и у нормальных мужских особей, он отсутствует. Страдающие синдромом Клайнфельтера (XXY), имеют, как у нормальных женских особей, одно гельце Барра, а у тех редких индивидов, у которых встречаются три или четыре А-хромосомы, . число телец Барра всегда на единицу .меньше числа А-хромосом. В соответствии с этим у нормальных мужских особей не должно бить телец Барра, а нормальные женские особи должны иметь одно такое тельце. Если наблюдается какое-либо отклонение от этого праиила, то оно указывает на некое нарушение численности Х-хромосом, и число телец Барра дает нам ключ к выяснению природы подобного отклонения.
Тельца Барра образуются из Х-хромосомы в результате ее нняктнвацин на стадии гаструляции. Хроматин этих хромосом неадекватен, поэтому присутствие в женском организме двух .Y-хромосом не удиаивает дозу гена, а соответствует генетической дозе одной А-хримосомы, гак как другая Л-хромосома инактивирована. Таким образом, все лишние А хромосомы ннак-тнвнруются на ранней стадии развития и каждая из них превращается в хроматиновое тельце.
Проблема регулирования пола. Регулирование пола имеет важное практическое значение. Так, в яичном птицеводстве желательно получать больше курочек, а а мясном птицеводстве -петушков. У тутового шелкопряда самцы дают на 25--30% больше шелка, чем самки, поэтому их преимущество очевидно. В мясном скотоводстве желательно получать больше бычков и т. д.
В результате исследований установлено, что типичное для многих видов соотношение полов 1 : I нарушается под влиянием различных факторов, действующих на разных этапах онтогенеза особи.
Известно, что в благоприятных для размножения тли условиях божьи коровки откладывают, как правило, яйца с набором хромосом женского типа (XX). Благодаря этому быстро увеличивается поголовье самок божьих коровок, а затем резко возрастает численность популяции. Когда большое количество тли уничтожено, соотношение самцов и самок божьих коровок вновь становится близким 1 :1.
Исследования Г. В. Паршутина, В. И. Михайлова и др. (1967) показали, что избыток аминокислот в рационе кур приводит к существенному изменению в соотношении полов. Установлено, что метнонин и глицин содействуют формированию курочек, а аспарагин — петушков.
Длительное время с животными разных видов проводят опыты, цель которых — получить особей желательного пола. Разработано несколько методов направленного регулирования соотношения полов. Один из них состоит в изменении рН среды женских половых путей, что может способствовать преимуществ! н-ному участию в оплодотворен ни яйцеклетки спермиев, несущих ту или иную половую хромосому. Другой метод основан на pin-делении спермы на две фракции .путем электрофореза. Предполагают, что при этом спермин с разными половыми хромосомами отойдут к разным полюсам. Впервые такой опыт был проведен на кроликах В. Н. Шредер (1943). Оказалось, чго при температуре среды, в которой проводился электрофорез, 25 С в случае использования для осеменения животных спермы, на-копиншейся на аноде, получали в приплоде 75% самцов и 25% самок, а при использовании спермы, собравшейся на катоде,— 20% самцов н 80% самок. При снижении температуры до Ю°С результаты были обратными: осеменяя крольчих «анодной» спермой, получали 17% самцов и 83% самок, а при использовании «катодной» — 83% самцов и 17% самок. Однако следует отметить, что многократное повторение этих опытов не дало стабильных и ожидаемых результатов.
Иную методику для направленного регулирования соотношения полов применял в опытах с тутовым шелкопрядом Б. Л. Ас-тауров. Он подвергал бабочку тутового шелкопряда воздействию высокой температуры и рентгеновских лучей, что приводило к партеногенетнческому размножению шелкопряда, при ко тором можно было получать только самцов (андрогенез)- или только самок (гиногенез). Увеличение числа коконов самцов имеет практическое значение, так как выход шелковой нити из них больше, чем из коконов самок. Подвергал самку шелкопря-да воздействию высокой температуры в период мейоза, задерживали редукционное деление ооцитов, в результате чего формирующиеся яйцеклетки самки становились не гаплоидными, как гто должно быть при нормальных услониях, а ^нп.юилны
ми. Диплоидные яйцеклетки истребуют оплодотворения, поэтому яйца, отложенные самкой, подвергнутой температурной обработке, развивались партеногенетически и из всех яиц образовывались только самки.
Для получения самцов самок шелкопряда подвергали действию рентгеновских лучей, что приводило к разрушению ядер яйцеклеток. Облученных самок спаривали с нормальными самцами, в их безъядерные яйца проникало несколько спермиев, привнося в зиготу свои А-хромосомы. В результате зигота имела две Л'-хромоссмь:. и в этом случае развивались только самцы с ХХ-половыми хромосомами, типичными для мужского пола бабочек.
В дальнейшем В. А. Струнннковым и Л. М. Гуламовой в СССР и В. Тадэимой в Японии была разработана методика разделения яиц (грены) тутового шелкопряда по полу. Схема наследования сцепленных с полом признаков окраски яиц у шелкопряда приведена на рис. 25.
На соотношение полов у потомства оказывает влияние возраст спариваемых особей, так как он обусловливает определенные физиологические изменения в организме родителей и в их гаметах. Так, при спаривании одновозрапных хряков и свиноматок было получено следующее количество особей женского пола (%): от животных в возрасте до года —45,7; двухлетних — 50,8; трехлетних — 50,4; четырехлетних — 49,2; пятилетних— 37,5 и от шестилетних и старше — 41,1. Следовательно, с возрастом родителей заметно снижается рождение самок, их было мало получено и от годовалых животных. При спаривании кур шестимесячного возраста выход самок был низким (27-33%), в потомстве же десятимесячных родителей он составил 47,5%, а двенадцатимесячных — 49.7%.
Таким образом, установлено, что на соотношение полов при рождении млекопитающих и птицы оказывают влияние разнообразные факторы: возрастной подбор родительских пар, качество половых клеток самцов и самок, физиологическое1 состояние родителей, уровень их основного обмена и характер рациона.
Из этого видно, что пол животного обусловлен не только генетически, поэтому при создании соответствующих условий, обеспечивающих благоприятное формирование гамет, зигот и зародышей, появляется возможность изменять численность рождения особей того или иного пола в желательном для практики животноводства направлении. Однако эта проблема еще требует тщательной разработки.
V Наследование примаков, сцепленных с полом. Половые хромосомы, так же как и аутосомы, несут в себе гены, контролирующие те или иные признаки Признаки, которые обуслоык ны генами, расположенными в половых хромосомах, называют сцепленными с полом.
При изучении мелделевских закономерностей наследования признаков'подчеркивалось, что направление скрещивания, то есть то, от какого пола привносятся доминантные или рецессивные признаки, не имеет значения для расщепления по данным признакам в потомстве гибрида. Это правильно для всех случаев, когда гены находятся в аутосомах, одинаково представленных у обоих полов.
В том же случае, когда гены находятся в половых хромосомах характер наследования и расщепления обусловлен пове-
деиием половых хромосом в мейозе и их сочетанием при оплодотворении. В процессе исследований установлено, что У-хро-мосома гетерогаметного пола в отличие от Х-хромосомы почти не содержит генов, то ость наследственно инертна, поэтому гены, находящиеся в ^-хромосоме, за некоторым исключением, не имеют своих аллельных партнеров в У-хромосоме. Следовательно, признаки, гены которых находятся в половых хромосомах, должны наследоваться своеобразно: их распределение должно соответствовать поведению половых хромосом в мейозе, В силу этого рецессивные гены в Д'-\ромосоме гетерогаметного пола могут проявляться, так как им не противостоят доминантные аллели В У-хромосоме.
Явление сцепленного с полом наследования было впервые открыто Т, Морганом в опытах на дрозофиле.
У плодовой мушки нормальный цвет глаз темно-красный, но встречаются и белоглазые формы. Гены, определяющие красный или белый цвет глаз, локализованы в л-хромосоме и, следовательно, сцеплены с полом. Красный пнет глаз (А) доминирует нал белым (а). При скрещивании гомозиготной красноглазой самки с белоглазым самцом (XAX*'X.XaY) все потомство Оказывается красноглазым. В fi происходит расщепление в соотношении 3 красноглазых к 1 белоглазой, но при этом оказывается, что белоглазыми бывают только самцы (рис. 26).
В случае реципрокного скрещивания, когда самка, гомози
готная по гену белых глаз, скрещивается с красноглазым сам
цом (X"XaxXAY), расщепление наблюдается н первом же по
колении в соотношении 6ело1лазых к красноглазым 1 : 1
(рис. 27). При этом белоглазыми оказываются только самцы,
а все самки — красноглазыми. В F? появляются мухи с обоими
признаками к соогношении I ; i как среди самок, так и среди
самцов. 1
Описанный тип наследования окраски глаз у дрозофилы оказался закономерным для всех организмов в отношении признаков, которые определяются генами, находящимися в Х-хромо-сомах. Полоные хромосомы гомогаметного материнского организма передаются как сыновьям, так н дочерям, а единственная А'-хромосома гетерогэметиого мужского пола — дочерям, следовательно, при определенном направлении скрещивания признаки, определяемые генами, находящимися в Х-хромосоме, наследуются крест-накрест, то есть от матери к сыновьям, а от отца к дочерям.
1'ассмотрим. как осуществляется наследование признаков, сцепленных <• полом, в том случае когда гстерогачетным полом является женский. Так. например, у кур саикн несут ХУ, а самцы — ЯХ-хромосомы. Если верна георня сцепленного с поло>( наследования, то, очевидно, в этом случае все Расы .V vpoMocoMKi будут начоднтьгч и гемн^нготноч состоянии w у самиов. • у санок.
На рис 28 приведена i \psia наследования поперечнополосатой окраске у кур Здесь отмечается слиднан, но обратная в смысле признаков родители особенность: если носителе» рецессивного признака была самка, а домин и руюшего — самец, то во втором поколении все сайды приобретаю! поперечнополосатый рисунок оперения: средн же санок происходи: расщепление на поперечнополосатых и черных в «илиошенни I : I. Если доминирующий Признак был у матери, а рецсчч-нниын — у отца, то но втором поколении расщепление по окраске пера 1 : I наблюдается среди <.ачск и самцов
С полом сцеплена реиеесииная золотистая окраска кур породы род-айланд (Х$Х* у петухов и XSY у курочек). При скрещивании петухов род-айланд с курами породы Суссекс, несущими доминантный ген 5, как н в опытах на дрозофиле и курах породы плимутрок, происходит передача признака пигментации от матери к сыну и от отца к дочери, то есть все петушки будут серебристыми, а курочки — с золотистыми перьями.
Сцепленное с полом наследование обнаружено и у других видов животных. Так, у собак обнаружено заболевание гемофилией. Явление гемофилии заключается в утрате кровью нормальной способности к свертыванию. Симптомы гемофилии обычно проявляются впервые у щенят в возрасте от шести недель до трех месяцев. В число обычных симптомов входят: хромота (вследствие кровоизлияний в суставы), сильная подкожная припухлость и в конечном итоге паралич одной или нескольких конечностей. Небольшие царапины могут оказаться для шепят гемофиликов смертельными
Гемофилия у собак обусловлена, как и у человека, сцепленным с Л-хромосомой рецессивным геном. Щенята-гемофилики редко доживают до полоной зрелости, поэтому обычно гемофилики рождаются от скрещивания гетерозиготной самки с нормальным самцом. Если обозначить ген, обусловливающий гемофилик», буквой Л, а его доминантный аллель — Я, то поведение этих генов и выщепление гемофиликов, наблюдаемое при таком типе скрещивания, можно понять из схемы, представленной на рис. 29
Из схемы видно, что в пометах or сачок, являющихся носителями гемофилии, половина самцов нормальны, а половина — гемофилики (Л), но действие его не проявляется, так как у них имеется еще доминантный аллель Н. У остальных сестер ген А отсутствует.
У свиней обнаружен факт сцепленного с полом доминантного признака «вывороченные конечности» с полулетальным действием.
Передача через половые хромосомы признаков, сцепленных с Х- к У-хромосомами, указывает на то, что на особь мужского пола большее влияние оказывает наследственность матери и ее предков, передавших ^-хромосому, которая является носителем генов для ряда признаков. Наследственность же отца, передавшего сыну X-хромосому, генетически малоактивна.
От признаков, сцепленных с полом, следует отличать признаки, ограниченные полом, которые разлипаются только у особей одного пола, например молочная продуктивность коров, яйценоскость кур и т.д. Гены подобных признаков могут быть локализованы в любой паре хромосом, самцы и самки в одинаковой степени передают их как дочерям, так и сыновьям,
В практике животноводства ограниченные полом признаки могут подвергаться селекции как по линии самцов, так н через самок. Например, повышение молочности, многоплодия, яйценоскости осуществляется путем селекции обоих родителей, хотя эти признаки проявляются в фенотипе только одного из них.
ЯВИЩЕ НЕРОЗХОДЖЕННЯ СТАТЕВИХ ХРОМОСОМ
Аналізуючи характер розщеплення нащадків при крис-крос успадкуванні від схрещування білооких самок з червоноокими самцями дрозофіли, К.Бріджес (1913), крім очікуваних у F, червонооких самок і білооких самців, виявив, хоча і в поодиноких випадках (частота трапляння сягає лише сотих часток відсотка білооких самок та червонооких самців).
Щоб пояснити такий аномальний факт, Бріджес припустив, що це стало наслідком нерозходження бівалентів статевих хромосом, через що обидві Х-хромосоми в процесі редукційного поділу відійшли в одну дочірню клітину, а друга клітина не успадкувала жодної статевої хромосоми. Тому в самок дрозофіли, крім нормальних за статевими хромосомами Х-гамет утворились XX- та О-гамети. (Нагадаємо, що під О-гаметою ми розуміємо статеву клітину, в складі каріотипу якої є повний набір аутосом, але відсутня статева хромосома. Разом з цим в ХХ-гаметі на один набір аутосом міститься дві Х-хромосоми).
Запліднення Х-яйцеклітин X- або У-сперматозоїдами утворює каріотипіово нормальні ХХ-зиготи, з яких розвиваються самки, або ХУ-зиготи, з яких розвиваються самці. Разом з цим запліднення ХХ-яй-цеклітин X- або У-сперматозоїдом обумовлює утворення низько життєздатних надсамок з ХХХ-каріотипом або ж, як виняток, фенотипово нормальних самок з ХХУ-каріотипом. У свою чергу, при заплідненні О-яй-цеклітин X- чи У-сперматозоїдами утворюються статево стерильні, але життєздатні самці з ХО-каріотипом та ОУ-зиготи з летальним ефектом.
При схрещуванні Бріджесом білооких самок з Х"Х™У-каріотипом, крім очікуваних червонооких нащадків жіночої і білооких — чоловічої статі, знову з'явилось понад 4% червонооких самців та білооких самок. На цій підставі К.Бріджес зробив висновок про правильність припущення відносно явища вторинного нерозходження статевих хромосом.
Факт нерозходження хромосом пояснюється виникненням у складі бівалентів у мейозі таких матеріальних сполучень між хромосомними нитками, які фізично зв'язують між собою гомологічні хромосоми в єдину структуру. Такі утворення можуть бути досить сталими і здатними до відтворення при розмноженні. Наприклад, Л.Морган (1922), проводячи дослідження на мутантних дрозофілах з жовтим забарвленням тіла уеі (від yellow — жовтий), ген якого локалізований в Х-хромосомі, виявила (як виняток) самку з Xve'Xvel-каріотипом, в якої статеві Хуе'Хуе'-хромосоми були міцно з'єднані між собою. Таке з'єднання, позначене в каріотиповій формулі дугою, не порушувалось при розмноженні і стабільно передавалось від покоління до покоління. Так виникла лінія мух зі зчепленими Х-хромосомами, в яких локалізується мутантний ген уеі. Ця лінія була названа double yellow (подвійною жовтою). Вона представляє інтерес у пізнавальному плані, тому розглянемо на схемі закономірності успадкування статевих хромосом у самок подвійної жовтої лінії (рис. VIII.9.). Зі схеми розмноження таких самок видно, що свою ознаку жовтого тіла вони передають, всупереч очікуваному, життєздатним нащадкам жіночої статі. Що ж до самців, то вони свою ознаку сірого тіла передають нащадкам чоловічої статі, порушуючи закономірність крис-крос успадкування Але тут заслуговує на увагу той факт, що до складу каріотипів за статевими хромосомами самок, що з'явились як виняток, крім ХХ-зчеплених хромосом входить також і У-хромосома. Ці самки, крім Х^Х^-яєць утворюють і У-яйця у співвідношенні 1:1. У-яйцеклітини з X-сперматозоїдами утворюють зиготи, що дають сірих самців. Саме в цьому і криється механізм порушення закономірностей крис-крос успадкування.
Нерозходження статевих хромосом, яке трапляється в мейотичних клітинах, іноді проявляється і е мітотичному поділі соматичних клітин. Наприклад, перший мітотичний поділ, яким започатковується дроблення зиготи, може характеризуватись нерозходженням якоїсь пари сестринських хромосом, які утворились унаслідок поділу кожної вихідної аутосоми, або статевої хромосоми, на дві дочірніх. На рис. VIII.1C показана схема втрати однієї Х-хромосоми одним із бластомерів, що утворились внаслідок першого міто тичного поділу зиготи. Видно, що цей поділ супроводжується втратою однієї з дочірніх Х-хромосом. Е результаті цього утворюється два бластомери, один з, яких за своїм каріотипом має нормальну статеві ХХ-формулу, а другий — ХО-формулу. Отже, внаслідок першого поділу зиготи утворилось два бластоме ри, один з яких за складом статевих хромосом запрограмований на розвиток самки, а другий — на роз виток самця. Оскільки до схрещування були залучені нормальні самки дикого типу і білоокі самці : мініатюрними крилами, зигота мала статеву формулу X+*Xwm, де w-мутантний ген білих очей, а т-мутант ний ген мініатюрних крил. У бластомері ХХ-каріотипу відтворився генотип зиготи, а в бластомері ХО каріотипу — генотип вихідного батьківського організму.
Подальший нормальний розви-к цих бластомерів буде супровод-ватись ростом та розвитком май-тнього організму мухи, одна поло-на якого буде характеризуватись рвинними та вторинними ознаками повічої, а друга — жіночої статі.
Зазначимо, що, наприклад, у ссавців у разі втрати бластомером Х-хромосоми гінандроморфи не ут-рюються. Пояснюється це тим, що секрети ендокринної системи організму, зокрема секрети чолові-х статевих залоз ХО-каріотипу і жіночих статевих залоз ХХ-каріотипу, змішуючись у крові, усереднюють Ірмування первинних та вторинних статевих ознак організму. Цим обумовлюється формування пато-гічного гермафродитизму.
Гінандроморфи бувають білатеральні (двобічні) передиьозадні. В останніх передня половина тіла ^повідного організму комахи відноситься до однієї аті, а друга — до протилежної. Якщо втрата стате-ї хромосоми відбувається в клітинах на пізніх здіях ембріонального розвитку, то а комах форму-ься мозаїчні гінандроморфи, в яких значно більша стина тіла має ознаки однієї статі, а менші його Іянки — протилежної статі.
Явище гінандроморфізму, крім дрозофіл, виявле-в комах, у циклі розвитку яких є стадія метелика, у Жіл, домашніх мух та в інших видів комах.
НЕРОЗХОДЖЕННЯ ХРОМОСОМ У ЛЮДИНИ
У людей також має місце нерозходження хромо-м. Це відбувається в мейозі, в процесі гаметогене-, Внаслідок цього і в людей можуть утворюватись мети Х-, XX- та О-каріотипів у жінок та X- та У-каріотипів у чоловіків. Від запліднення зазначених яйцеклітин X- та У- сперматозоїдами утворюються ріотипово нормальні XX- та ХУ-зиготи й аномальні ХХХ-, ХХУ-, ХО- та УО-зиготи. Зрозуміло, що УО-зи-ти нежиттєздатні. Вони не розвиваються. Тим часом XX- та ХУ-зиготи започатковують нормальних осо-Ін жіночої та чоловічої статі. Але каріотипово аномальні зиготи, в яких виявився порушений баланс між атевими хромосомами і аутосомами, обумовлюють народження хворих нащадків. Наприклад, особини ловічої статі ХХУ- чи ХХХУ-каріотипу хворіють на синдромом Клайнфельтера. Ці особини характеризуюся недорозвиненням статевих органів. Протягом життя в них не відбувається процесів сперматогене-, формується євнухоподібний склад тіла, відсутній нормальний волосяний покрив обличчя тощо. Синд-Ім Клайнфельтера зустрічається в популяціях людей з частотою приблизно один випадок на кожних 400 'вонароджених дітей.
На відміну від дрозофіл, у людини особини ХО-каріотипу формуються як жіноча стать. Такі жінки ха-. їсте ризу ют ься синдромом Шерешевського-Тернера. Це низькорослі, не вищі 135 см особини з проявом атевог о інфантилізму, зі складками на поверхні шиї. В них проявляються аномалії в розвитку вушних .ковин, зменшені розміри нижньої челюсті тощо. Синдром Шершевського-Тернера може обумовлюва-сьй іншими поєднаннями статевих хромосом у каріотипах організмів (наприклад, комбінацією ХО/ХХ-, )/ХХХ- або ХО/ХХ/ХХХ-статевих хромосом тощо).
Нерозходження статевих хромосом у людини трапляється не тільки в мейозі, але і в мітозі на різних апах розвитку зиготи. Виникають найрізноманітніші комбінації статевих хромосом у бластомерах емб-зна. Створюються різні хромосомні комплекси в клітинах даного ембріона. Внаслідок цього формують-• химерні, тобто неоднорідні за каріотиповим та генотиповим складом клітин, тканини. Саме такі порушення балансу статевих хромосом та генів відносно аутосом та локалізованих в них генів обумовл відхилення від норми процесів формування первинних і вторинних статевих ознак, спричинюють анс в розвитку деяких фенотипових ознак, не пов'язаних зі статтю, пригнічують розумову активність тої
БАЛАНСОВА ГІПОТЕЗА ВИЗНАЧЕННЯ СТАТІ
Нерозходження статевих хромосом порушує співвідношення, які еволюційно склалися між чи гаплоїдних наборів аутосом та числом статевих хромосом. Фенотипово це проявляється в дрозофіл v ляді перерозвитку або недорозвитку первинних та вторинних статевих ознак. Виникають Інтерсексу (проміжні у статевому відношенні) нащадки, а також иадсамці та надсамки. Ці факти свідчать, її тільки в статевих хромосомах, але і в аутосомах є гени, які визначають розвиток жіночої або чолс статі. Кількісні співвідношення між хромосомами, які несуть статеві гени, К.Вріджес (1939) назвав с вим індексом. Він установив, що в дрозофіли формування первинних і вторинних статевих ознак визначається величиною статевого індексу (приклад).
Експериментально встановлені статеві індекси для плодових мух показують, що формування чоловіча чи жіночої статі в цих комах безумовно контролюється генами. Були зроблені висновки, що гени, які локалізуються в аутосомах, обумовлюють чоловічу стать, а гени, які локалізуються в статевих хромосомах — жіночу. Між генами чоловічої і жіночої тенденцій існує рівновага (баланс). Відхилення в цьому ба спричиняє утворення аномалій у формуванні первинних та вторинних статевих ознак. При цьому У хромосома дрозофіли не впливає на формування статі, про що свідчить формування з ХО-зигот фенотипово нормальних самців, хоч вони статево стерильні. Підсумовуючи результати своїх досліджень, Бріджес дійшов висновку про існування генного балансу між сукупностями генів чоловічої та жіночої тенденцій. 3rij цією гіпотезою, організм відносно статевої диференціації є біпотенціальним. Він містить у складі с генотипу гени, що обумовлюють розвиток як чоловічої, так і жіночої статі, стать того чи іншого нащадка дрозофіли обумовлюється балансом між числом статевих хромосом та числом наборів ауте
Те, що стать детермінується генетичне, підтвердилось також на статевих ознаках метеликів ш ного шовкопряда Lymantria dispar. У дослідах Р.Гольдшмідта (1923) від схрещування самок непарного копряда європейської раси із самцями японської раси всі нащадки жіночої статі иявились інтерсексуальними, а самці — нормальними, але від схрещування самок шовкопряда, виловлених в районі м.1 Із самцями, взятими з популяції о-ва Хоккайдо, всі нащадки були лише жіночої статі, хоча половина ; характеризувалась чоловічим ZZ-каріотипом, а половина жіночим ZW-каріотип ом.
Таким чином тенденція чоловічої статі, яку привносять японські самці в генотипи яйцеклітин європейських самок, проявляє проміжне домінування з жіночою тенденцією цих генотипів, у результаті замість жіночих особин формуються інтерсекси. Разом з цим жіноча тенденція самок шовкопряда токійської популяції настільки сильно домінує над чоловічою тенденцією самців з популяції о-ва Хокайдо, що навіть в особин із ZZ-каріотипом формується не очікувана чоловіча стать, а жіноча.
Якщо статеві Індекси в дрозофіли показують, що в її аутосомах локалізуються гени чоловічої, а хромосомах — жіночої статі, то в непарного шовкопряда, навпаки, гени чоловічої статі локалізуюті статевих Z-хромосомах, а жіночої — в аутосомах.
Бріджес з'ясував, що ступінь його прояву залежить від умов середовища. Наприклад, розвито І от утриплоїдних самок в умовах підвищених температур зміщується в бік жіночої статі, а в умова; нижених температур — в бік чоловічої статі.
Як уже зазначалось, статеві гени в організмах дрозофіл та непарного шовкопряда локалізую» аутосомах та статевих X- чи Z-хромосомах. Що ж до Y- чи W-хромосом, то у відповідних видів ком хромосоми не містять у собі статевих генів. Мабуть, цим пояснюється те, що в разі гетерогаметносп ловічої статі ХО-зиготи започатковують розвиток чоловічих особин, а при Іетерогаметності жіночої ZO-зиготи обумовлюють розвиток самок. Проте в інших видів організмів, наприклад у ссавців, У-хр сома, не зважаючи на низьку генетичну активність, відіграє суттєву роль у генетичних механізмах Bk чення статі. Наприклад, у людини особини з ХО-, XX-, XXX-, ХХХХ-каріотипам й завжди представлені мою статтю, а особини, з ХУ-, ХХУ-, ХХХУ-, ХХХХУ-каріотипами — чоловічою. Аналогічна роль У-хромосо-ми проявляється в деяких дводомних видів рослин, наприклад, у Melandrium album.
Е.Ейгвалд і К.Сілмсер (1955) виявили в крові мишей з Х-каріотипом наявність Н-антигена, але проявлявся цей антиген лише в крові тварин з ХУ-каріотипом. У подальшому з'ясувалось, що в У-хромосомі немає гена, котрий видавав би команду на синтез Н-антигена. Такий ген, як було встановлено, локалізований в одній з аутосом, а У-хромосома лише видає генетичну інформацію на синтез генних продуктів, які дерепресують локалізований в аутосомі структурний ген, включаючи його в активне функціонування. Внаслідок цього відбувається синтез Н-антигена.
Балансова гіпотеза визначення статі цілком підтвердилася в дослідах на багатьох видах організмів. Вона дозволяє з'ясовувати бісексуальну природу, причини інтерсексуальності, гермафродитизму та гінандроморфізму в різних видів організмів, котрі використовуються як об'єкти відповідних досліджень.
ДЕЯКІ ОСОБЛИВОСТІ МЕХАНІЗМІВ ВИЗНАЧЕННЯ СТАТІ
Розглядаючи механізми визначення статі у високоорганізованих істот, ми дійшли висновку, що фор-.мування чоловічої чи жіночої статі обумовлене функцією двох протилежно діючих груп статевих генів. Якщо гени однієї статі локалізуються в аутосомах, то гени протилежної статі — в статевих хромосомах. При цьому стать формується внаслідок домінування генів однієї статі над сумарною дією генів протилежної статі. Можливість порушення рівноваги в балансі статевих генів пояснюється тим, що під впливом умов зовнішнього середовища може збільшуватись або зменшуватись сила домінування генів однієї статі відносно іншої, і саме цим фактором обумовлюється формування інтерсексів, надсамців, надсамок чи інших аномалій. Виникнення таких аномалій посилює дію природного добору в напрямку формування неоднакової генетичної активності, а також різних за формою статевих хромосом.
Внаслідок цього статеві хромосом*и, на відміну від аутосом, як при спорідненому, так і при перехресному розмноженні, не можуть перейти в гомозиготний стан за обома статями. Одна з них (чоловіча або жіноча) в нормі завжди має залишатись гетерогаметною. Ця особливість статевих хромосом спричинила еволюційне виникнення та становлення статі.
В нижчих рослин (наприклад, у грибів, водоростей), на відміну від вищих рослин чи тварин, відсутні будь-які первинні або вторинні статеві ознаки, а морфологічна диференціація гамет буває ледве помітна або й взагалі відсутня. Тому практично дуже важко зробити висновок, які з гамет слід віднести до чоловічої, а які до жіночої статі. З цієї причини в таких організмів гамети відрізняють між собою не за ознаками жіночої або чоловічої статі, а розподіляються по з'єднувальних або статевих групах зі знаком "+" чи "-". Зрозуміло, що запліднення може відбуватись лише при злитті гамет, які належать до різних статевих груп. Однак і тут стикаємося з цікавими особливостями. Вони полягають у тому, що, в нижчих організмів, крім бісексуальної потенції (як у вищих організмів), іноді проявляється тетрасексуальна потенція, обумовлена взаємодією двох пар неалельних генів, котрі при розмноженні вступають у різні комбінації між собою.
Наприклад, у деяких базидіальних грибів виявлено дві пари неалельних генів А-а та В-в, які обумовлюють формування чотирьох типів гаплоїдних спор АВ-, Ав-, аВ- та ав-генотипів. Ці спори проростають, започатковуючи формування гаплоїдних міцеліїв. Якщо клітини міцеліїв АВ-генотипу з'єднуються з клітинами ав-генотипу або клітини Ав-генотипу з'єднуються з клітинами а-генотипу, то формуються плодові тіла АаВв-генотипу, тим часом як за інших генотипових комбінацій цих міцеліїв (наприклад, АВ- з Ав- чи аВ- або ав- з Ав- чи аВ-) плодові тіла не утворюються. Отже, утворення плодових тіл лише АаВв-геноти-пу детермінується генотипами статевих груп міцеліїв.
Слід визначити, що з'єднувальні, або статеві, групи АВ-, Ав- аВ- та ав-генотипів у процесі злиття клітин міцеліїв відповідно до законів Менделя могли б утворити в складі генотипів зигот майбутніх плодових тіл 16 комбінацій домінантних і рецесивних АВ-генів. Однак із теоретично очікуваних 16 комбінацій гамет лише чотири забезпечують утворення дигетерозиготного АаВв-генотипу, і лише він виявляється життєздатним.
Разом з цим з'ясувалось, що в грибів, у яких виявлена тетрасексуальна потенція, кожний з їхніх А-та В-генів у сукупностях цих рослин буває представлений серією множинних алеломорфів, наприклад, А1, А2, А3, ... А" або В', В2, В3..., В". При цьому клітини А'В' міцелію, з'єднуючись з клітинами А2В2 міцелію, утворюють плодові тіла А'А2В'В2 або А'А3В'В2-генотипів тощо. Таким чином, до складу генотипів плодових тіл можуть входити гени із серії множинних алеломорфів різної сили домінування. Про різну силу домінування статевих генів свідчать також спостереження, проведені над іншими видами організмів. Наприклад, одноклітинні водорості хламідомонади в природі представлені гаплофазою. Клітини будь-якого таксономічного виду [АК1][АК2]цих водоростей морфологічно між собою [АКЗ][АК4], хоч вони й відносяться до "+" і "-" статевих груп.
Після копуляції (злиття) "+" та "-" статевих клітин утворюється диплоїдна зигота. Вступаючи в мейотичний поділ, вона утворює чотири дочірні, гаплоїдні клітини. Дві із них виявляються "+", а дві інші — "-" статевими клітинами. Однак у даному випадку справа ускладнюється тим, що в межах кожної статевої групи клітини можуть відрізнятись між собою силою статевої потенції. При цьому, наприклад, "+"-ста-теві клітини з високою статевою потенцією можуть вступати в копуляцію і утворювати зиготу з тими "+"-статевими клітинами, які мають низьку статеву потенцію. Аналогічна картина спостерігається і в групі статевих клітин. Таким чином, будь-яка клітина із сукупності "+"- або "-"-статевих клітин деяких ізогам-них форм хламідомонад може поводитись і як "чоловіча", і як "жіноча" гамета залежно від того, з яким партнером за силою потенції вона зустрілась.
У найпростіших одноклітинних інфузорій-туфельок проявляється до восьми морфологічно однакових, але генотипово різних статевих форм. І тут клітини однієї статевої форми можуть зливатися з клітинами, що належать до будь-якої іншої статевої форми.
Підсумовуючи викладене, можна зробити висновок, що однією з особливостей механізмів визначення статі в низькоорганізованих видів організмів є їхня здатність утворювати замість двох очікуваних по декілька статевих груп з неоднаковою статевою потенцією. При цьому простежується чітко виражена тенденція до заміни еволюційним шляхом полісексуальності на бісексуальність. Якщо в інфузорій та хламідомонад ця тенденція проявляється не дуже чітко, то в деяких базидіальних грибів генетичні механізми, які лежать в основі такої тенденції, досить очевидні. Про це свідчать результати злиття гаплоїдних клітин міцеліїв, які належать до чотирьох статевих груп. Щоб краще зрозуміти наведені нижче схеми, запам'ятаємо, що кожний домінантний А- чи В-ген обумовлює формування "+"-статевих клітин, а рецесивний — "-"-статевих. Якщо до складу генотипу привноситься "+"- і "-"-статеві гени з однаковою статевою потенцією, то, взаємодіючи, вони нейтралізують один одного, і це обумовлює розвиток статево нейтрального плодового тіла. Однак якщо після запліднення сила статевої потенції клітин однієї статі переважає силу статевої потенції клітин протилежної статі, то плодові тіла не утворюються.
Як бачимо, генні мутації, котрі визначають гетерозиготний та гетерогенний стан у популяціях гаплоїдних організмів, обумовлюють виникнення в них статевих груп. Спроба цих видів організмів перейти на диплоїдний рівень закінчується невдачею, оскільки генотипи, не збалансовані за статевими клітинами, виявляються нежиттєздатними. Проте зиготи, в генотипах яких сума "+"- та "-"-статевих генів зрівноважується, будуть життєздатними, хоча й статево нейтральними.
ЕВОЛЮЦІЯ МЕХАНІЗМІВ ВИЗНАЧЕННЯ СТАТІ
Узагальнюючи накопичені наукою факти, можна відзначити, що в нижчих еукаріотів (водоростей, грибів, інфузорій) відсутні ознаки, за якими можна було б встановити чоловічу або жіночу стать. Тому в них гамети умовно поділяють на "+"- чи "-"-статеві групи. Вони ізоморфні. Статеві групи виникають унаслідок мутації генів у генотипах відповідних видів організмів, однак статеві мутації в генотипах клітин гаплоїдних організмів самі по собі (поки вони не залучені в процеси генетичної рекомбінації) суттєво не змінюють закономірностей життєдіяльності цих організмів. Таким чином, можливість необхідної пере-комбінації генів у нижчих еукаріотів забезпечується вже існуючими механізмами мейотичної редукції числа хромосом, яке подвоюється у процесі злиття двох гамет "+" та "-" статі.
Механізми мейозу, що виникли в ході еволюції, забезпечували не тільки редукцію числа хромосом, але й генетичну рекомбінацію в максимально можливих обсягах. Оскільки матеріальною основою процесів мейозу є хромосоми, формування їх у процесі еволюції мало супроводжуватись виникненням мітозу та мейозу. В протилежному випадку становлення хромосом було б неможливим. Отже, процеси еволюційного виникнення та формування хромосом, а також механізмів мітозу, мейозу і статевих взаємовідносин між гаплоїдними клітинами в популяціях відбувались паралельно під впливом мутантних генів "+" та "-" статі.
Слід відзначити, що в низько організованих видів організмів, які належать до еукаріотів, статеві хромосоми не виявлені, оскільки вони ще не сформувались еволюційно. Проте у вищих організмів наявність гетероморфних статевих хромосом проявляється чітко. Наприклад, сім аутосом та одна статева (X- або У-) хромосома в гаплоїдних клітинах як чоловічих, так і жіночих рослин печіночника Sphaerocarpus; по шість аутосом та одній статевій (X- чи У-) хромосомі в гаметах клопа Lygaeus; по три аутосоми та одній статевій хромосомі в гаметах дрозофіли тощо.
Вважають, що виникнення і формування статевих хромосом відбувається за рахунок пари гомологічних хромосом. При цьому еволюційний розвиток проходить у напрямку поступової втрати генетичної активності однієї з двох аутосом-гомологів зазначеної пари. В ряді випадків цей напрямок еволюції приводить до повної втрати генетичне неактивної хромосоми, як, наприклад, у трав'яних клопів, більшості прямокрилих, з багатьох видів нематод тощо.
Проте в процесі еволюції статевих хромосом не завжди відбувається втрата одного з двох партнерів. Наприклад, у ссавців, двокрилих видів комах, багатьох видів риб, дводомних видів рослин поряд з генетично високоактивною Х-хромосомою функціонує й менш активна У-хромосома, без якої неможливо одержати нащадків.
Формування статевих хромосом у процесі еволюції супроводжувалось виникненням статевого диморфізму. Нагадаємо, що в нижчих еукаріотів статеві групи формуються внаслідок мутацій у генотипах гаплоїдних клітин. Тому ці групи є ізоморфними, їхня статева потенція — моносексуальна. При злитті двох клітин, які належать до "+"- та "-"-статевих груп, виникає диплоїдна зигота з бісексуальною статевою потенцією. Зрозуміло, що у вищих організмів вона може змінюватись і обумовлювати розвиток чоловічої або жіночої статі (залежно від дози відповідних статевих генів, яка регулюється наявністю однієї чи двох X-або Z-хромосом, які ввійшли до складу зиготи при заплідненні).
Аналізуючи напрямки дії природного добору в процесі еволюційного розвитку і становлення статі, можна зробити висновок, що, використовуючи та вдосконалюючи генотипові й каріотипові засоби, прища шляхом еволюційного формування статі створила досить досконалі механізми генетичної ре-Імбінації та збільшила дозу кожного гена в генотипах еукаріотів, замінивши гаплофазу диплофазою. Ці фактори в десятки і в сотні разів прискорили еволюцію видів живих організмів на Землі.
СТАТЕВИЙ ХРОМАТИН
В 1949 р. М.Л.Барр і Е.Г.Бертрам, вивчаючи морфологію нейронів у котів, виявили відмінність між Іми клітинами в самців та самок. Було встановлено, що в нейронах самок на внутрішній поверхні ядер->ї оболонки локалізуються грудочки речовини, які активно забарвлюються ядерними барвниками, а в Кронах самців вони відсутні. Численні дослідження показали, що грудочки з'являються від конденсації, Ібто від щільної компактизації хромосомної нитки в одній з двох Х-хромосом. Тому ці грудочки дістали Ізву статевого хроматину. Інша назва — тільця Барра (на честь їхнього першовідкривача).
Було встановлено, що статевий хроматин проявляється не тільки в нейронах, але і в інших типах Іітин. Наприклад, у людини він присутній в клітинах слизових оболонок тощо. Крім людини та кішок ста-Івий хроматин притаманний і багатьом іншим видам ссавців, При чому він проявляється в нормі лише особин жіночої статі. Цікаво відзначити, що в чоловіків, хворих на синдром Клайнфельтера (ХХУ-каріотип) у нейронах та клітинах слизистих оболонок статевий хроматин чітко проявляється, а в клітинах нок, хворих на синдром Тернера (ХО-каріотип), він відсутній.
Якщо до складу каріотипу людини входять ХХХ-хромосоми (жінки, іноді з розумовою відсталістю) або (ХУ-хромосоми (чоловіки з глибоким ураженням синдромом Клайнфельтера), то в ядрах клітин цих лю-гй проявляється по два тільця Барра. Таким чином, наявність чи відсутність У-хромосоми не впливає на індекденсацію "зайвих" Х-хромосом у складі каріотипу. Наявність чи відсутність певної кількості тілець Бар-ї в клітинах людей мас діагностичне значення, оскільки за цим показником можна швидко і безболісно встановити кількість Х-хромосом у складі каріотипів аутосомно диплоїдних особин. Бо й справді, кількість статевих Х-хромосом у складі каріотипу особини жіночої статі дорівнює кількості тілець Барра, які прояв-Іються в окремих клітинах цієї особини, плюс одиниця. Наприклад, якщо в клітинах людини налічується три тільця Барра, то в каріотипі цієї особини міститься 3 + 1 = 4Х-хромосоми. Якщо ж ця особина чоловічої статі, то крім чотирьох Х-хромосом в її каріотипі має міститись і У-хромосома.
Отже, можна вважати, що відсутність тілець Барра в клітинах особин жіночої статі свідчить про наявність у складі її каріотипу (0 + 1) лише ХО-статевих хромосом. Якщо ж в клітинах чоловічого організму Іявлено одне тільце Барра, це означає, що в складі його каріотипу (1+1) містяться ХХУ-статеві хромосоми, і так далі.
Природно виникає питання, чому в здорових клітинах здорового жіночого організму конденсується пара з двох Х-хромосом? На думку багатьох учених це явище спричинене необхідністю дозової компенсації генів. Згадаємо, що в організмів гетерогаметної статі на диплоїдний набір аутосомних генів припа-ає лише гаплоїдний набір генів, локалізованих в X- або Z-хромосомах. Разом з цим в організмів гомогаметної статі на диплоїдний набір генів, локалізованих в аутосомах, припадає диплоїдний набір генів, локалізованих у двох Х-хромосомах. Можна вважати, що з цієї причину в процесі еволюційного розвитку гаті природний добір діяв у напрямку формування рівновеликого загального генетичного балансу між аутосомними генами та генами, локалізованими в статевих хромосомах особин як чоловічої, так і жіночої гаті. Одним з механізмів досягнення такого стану і є конденсація, яка обумовлює припинення функціонування однієї з двох X- або однієї з двох Z-хромосом. На думку Г.Меллера (1931), в X-хромосомі є ген-компенсатор, котрий в каріотипах ХХ-особин, будучи в подвійному числі, пригнічує активність генів однієї з двох Х-хромосом. Цим самим досягається однаковість взаємодії доз аутосомних генів з генами, локалізованими в Х-хромосомах особин жіночої і чоловічої статі.
Лекція 5
Тема «Хромосомна теорія спадковості. Кросинговер»
Питання:
Зчеплення генів. Поряд з фактами незалежного спадкування ознак виявлено багато випадків, коли ознаки передаються цілими групами. З'ясувалося, що в кожній хромосомі є велика кількість генів, пов'язаних між собою й наслідуваних групами. Гени однієї групи зчеплення успадковуються незалежно від генів, що належать до інших груп зчеплення. Число груп зчеплення відповідає гаплоїдному числу хромосом.
У генетичних формулах зчеплені локуси перераховують відповідно до їх порядку в групі зчеплення й підкреслюють горизонтальною рисою.
З наведеної схеми слідує, що в fi обидві ознаки будуть домінантними. Наявність зчеплення встановлюють за допомогою аналізуючого схрещування. Якщо АВ та a b гени знаходяться в різних хромосомах, то утворюються 4 типи гамет: АВ; Ab; aB; ab — иі 4 фенотипових класи потомків: AaBb; Aabb; aaBb; aabb у співвідношенні 1:1:1:1. Якщо ж гени А и В розташовані в одній хромосомі, то при аналізуючому схрещуванні зявляються лише 2 фенотипові класи потомків, що повторюють батьків у рівному співвідношенні АаВв х аавв.
З розглянутого приклада ясно, що гени, що перебувають в одній парі гомологічних хромосом, успадковуються разом і не розходяться в потомстві, тому що при гаметогенезі вони обов'язково попадають в одну гамету. Нащадки F2 і F3 будуть мати ознаки в тій же комбінації, що й у батьківських форм.
Явище зчеплення було виявлено в 1906 р. В. Бетсоном і Р. Пеннетом у досвідах із запашним горошком. Схрещуючи дві раси запашного горошку, що розрізняються по двох парах ознак, Бетсон і Пеннет не виявили в F2 очікувані розщеплення в співвідношенні 9:3:3:1.
Розуміння сутності цього явища стало можливим лише в результаті робіт Т. Моргана і його співробітників - А. Стертеванта, Г. Меллера, К. Бриджеса й ін. Морган установив, що матеріальною основою зчеплення є хромосома. Вона являє собою окрему матеріальну й функціональну одиницю при редукційному розподілі клітини, і, отже, всі гени, що перебувають в одній хромосомі, будуть зв'язані між собою субстратом хромосоми, її організацією й поводженням у мейозі).
Приклад зчеплення був описаний Морганом і його учнями, що досліджували гени black (чорний цвіт тіла) і vestigial (зародкові крила). Алелі дикого типу цих генів визначають сіре фарбування тіла мухи (Ь+) і нормальні крила (vg+). Гени сірого цвіту тіла (Ь+) і зародкових крил (vg) перебувають у дрозофіли в одній хромосомі, гени чорного цвіту (Ь) і довгих крил (vg+) — в інший гомологичній хромосомі. При схрещуванні сірих зародковокрилих самців (b+vg) із чорними довгокрилими самками (bvg+) гібриди F1 одержують від батька хромосому з генами сірого цвіту й зародкових крил.
У гібридних самців утворяться два типи гамет: утримуючу хромосому, що несе гени сірого цвіту тіла й зародкових крил (b+vg) або ж гени чорного цвіту тіла й довгих крил (bvg+). Якщо цих самців схрестити із чорнотілими зародковокрилими самками, то їхнє потомство буде чорним довгокрилим і сірим зародковокрилим у співвідношенні, близькому 1:1. Кожна гамета материнського організму в цьому випадку містить хромосому з рецессивними генами чорного цвіту тіла й зародкових крил (bvg). При наявності повного зчеплення по двох парах генів серед гібридів виявляються тільки два класи особин.
Неповне зчеплення й кросинговер. Поряд з повним зчепленням Морган виявив і неповне. Гібриди першого покоління (самки) були схрещені із чорними зародковокрилими самцями. У наступному поколінні в більшості особин (83%) спостерігалося колишнє сполучення ознак:
Тобто, зчеплення генів було порушено.
Наблюдаемое явление можно объяснить следующим образом. Если гены Ь+ и vgj диплоидного организма расположены в одной хромосоме, а в гомологичной ей хромосоме расположены рецессивные аллели этих генов b и vg, то отделиться друг от друга и вступить в новые сочетания с рецессивными аллелям» гены А и В могут только в том случае, если хромосома, в которой они расположены, будет разорвана на участке между этими генами ив месте разрыва произойдет соединение между участками этой хромосомы и ее гомолога.
В 1909 г. Ф. Янсенс, изучая мейоз у земноводных, обнаружил в зоне профаз хиазмы (перекресты хромосом) и высказал предположение, что хромосомы в мейозе способны взаимно обмениваться участками. Морган развил это представление в идею об обмене генами. При конъюгации гомологичных хромосом, а неполное сцепление было объяснено им как результат такого обмена и названо кроссинговером.
Частота кроссинговера измеряется отношением числа особей, у которых обнаруживается кроссинговер (кроссоверов), к общему числу особей в потомстве анализируемого скрещивания и выражается в процентах.
Морган предположил, что частота кроссинговера показывает относительное расстояние между генами: чем чаще осуществляется кроссинговер, тем далее отстоят гены друг от друга V в хромосоме; чем реже кроссинговер, тем они ближе друг к другу.
На основе многочисленных генетических исследований Морган выдвинул гипотезу линейного расположения генов в хромосоме.
Только при этом допущении процент рекомбинантов может отражать относительное расстояние между генами в хромосоме. Одним из классических генетических опытов Моргана, доказывающих линейное расположение генов, был опыт с дрозофилой. Самки, гетерозиготные по трем сцепленным рецессивным генам, определяющим желтый цвет тела (у), белый цвет глаз (w) и вильчатые крылья (В), были скрещены с самцами, гомозиготными по этим генам. В потомстве было получено 1160 некроссоверных мух (нормальных и одновременно несущих все три рецессивных признака), 43 кроссоверных мухи с признаками перекреста между генами w и В и 15 мух с признаками кроссинговера между генами у к w.
Из этих данных можно сделать вывод, что процент перекреста является функцией расстояния между генами и их последовательного, то есть линейного, расположения в хромосоме. Расстояние между генами у и В равно сумме двух одинарных перекрестов между у и w, w и В.
Эти опыты открыли возможность для определения взаимного расположения генов в пределах групп сцепления. Предположим, известны расстояния (процент кроссинговера) между тремя генами А, В и С и что они равны 5% между генами Л и 5, 3%
между В и С и 8% между генами А і С, допустим, что ген В расположен справа от гена А. Посмотрим, в какую сторону от гена В при этом должен быть расположен ген С.
Предположим сначала, что ген С расположен слева от гена В. R этом случае расстояние между генами А и С должно быть равно разности расстояний между генами А—В и В~С, то есть 5%— 3%=2%, но в действительности расстояние между генами А и С совсем другое и равно 8%. Следовательно, предположение неправильно. Если же ген С расположен справа от гена 5, то в этом случае расстояние между генами Л и С должно быть равно сумме расстояний между генами А~В и В— С, или 5%+3% = —8/о, что полностью соответствует расстоянию, установленному опытным путем. Следовательно, это предположение правильно и расположение генов А, В и С в хромосоме схематически можно изобразить следующим образом:
Следует учесть, что расстояние между двумя генами, определяемое опытным путем, не может превышать 50%. Это связано с тем, что кроссинговер происходит в то время, когда бивалент состоит из четырех хроматид При перекресте происходит как бы разрыв двух из четырех хроматид с последующим воссоединением их после обмена участками. В результате образуются четыре гаплоидных гаметы, из которых две обязательно некроссоверны и две могут быть кроссоверными.
Цитологическое доказательство кроссинговера. В 1931 г. было представлено цитологическое доказательство кроссинговера. К. Штерну с помощью облучения удалось получить у самки и самца половые хромосомы, отличимые друг от друга цитологически и генетически, различающиеся по морфологии.4 У самок к одной из Я-хромосом был присоединен фрагмент от У-хромосомы, что дало Г-образную ЛГ-хромосому с генами сг+/В+ дикого типа (ген сг определяет окраску глаз цвета красной гвоздики, а В — полосковидные глаза).
Для анализирующего скрещивания были взяты самцы с нормальными Х- и У-хромосомами, при этом половая хромосома самца несла гены сг и В+ в гемизиготном состоянии. В потомстве были изучены цитологически только самки, среди которых сформировались два класса мух с некроссоверными хромосомами.
Гемизиготность — наличие гена (или группы генов) без соответствующих партнеров (аллелей) у диплоидных организмов, и два класса, появившихся в результате кроссинговера между генами сг и В. Каждый из четырех классов отличался от остальных не только по признакам глаз, но и по морфологии половых хромосом, поэтому цитологически можно было установить, что кроссинговер, давший два новых класса мух, сопровождался обменом участками Х-хромосом.
Подвійний кросинговер. Если сцепленные гены расположены далеко друг от друга, то ситуация усложняется. В рассматриваемом случае три сцепленных гена расположены в одной хромосоме и между ними происходит перекрест, наблюдаемый у гетерозиготных самок в первом поколении.
Обозначим три рецессивных гена а, Ь, с, а соответствующие доминантные ABC . Скрещиванием самок первого поколения с самцами, рецессивными по трем генам (ааЬЬсс), можно определить частоту образования гамет. Гаметы типа АВС и авс представляют собой некроссоверный класс гамет; гаметы типа аВС и Abс образуются в результате перекреста между локусами, в которых расположены пары аллелей А—а и В—Ъ. В других случаях может возникнуть перекрест между локусами аллельных пар В—Ъ и С—с. Подобный перекрест, очевидно, приведет к образованию гамет типа АВс и аЬС. Наконец, перекрест может произойти и одновременно в двух участках. Такое явление называется двойным перекрестом. В результате перекреста возникнут гаметы типа АЬС и аВс. .
Частота образования различных типов гамет зависит от расстояния между генами, однако в каждом отдельном случае гаметы некроссоверного типа наиболее многочисленны, а гаметы, возникшие в результате двойного перекреста, образуются реже. Для того чтобы показать, как в этом случае вычислить силу сцепления, допустим, что от скрещивания самки и самца, рецессивных по всем трем локусам, получено следующее потомство:
Без перекреста (генотип АВС/аЬс)
То же (abc/abc)
Одиночный перекрест в участ. 1(Abc/abc)
То же (аВС/abc)
Одиночный перекрест в участ. 2 (ABc/abc)
То же (abC/abc) .
Двойной перекрест (аЬС/авс)
То же (aBc/abc)
Общая численность особей, полученных в этом опыте, — 521. Определяем число особей с одиночным перекрестом в участке 1: 37+42=79. К числу особей с одиночным перекрестом добавляем число особей с двойным перекрестом. Общее число особей с перекрестом в участке 1 равно 79+14=93. Выраженное в процентах от общего числа особей (521), это число отражает расстояние между локусами аллельных пар А—а и В—Ь, а также частоту перекреста. Таким же путем можно определить общее число особей с перекрестом в участке 2 (70+65+8+6=149). Следовательно, частота перекреста в участке 2 будет равна 28,60%. Необходимо принять во внимание, что 14 особей с двойным перекрестом учтены при подсчете частоты перекреста как в участке 1, так и в участке 2.
Другое обстоятельство, которое следует иметь в виду в отношении двойных перекрестов, состоит в том,, что они затрагивают только среднюю часть хромосомы между локусами А—а и С—с. Таким образом, при двойных перекрестах изменяется только положение генов В и 6, а расположение локусов А—а и С—с остается неизменным. Если мы не проконтролируем наследования генов В—Ь, то будет невозможно определить наличие двойных перекрестов. Частота перекрестов, определяемая непосредственно по сцеплению между генами А я С, без учета передачи генов В—Ь будет менее достоверной.
В нашем примере всего у 214 особей из 521 обнаруживается перекрест между локусами Л и С, следовательно, частота его равна 41,07%. Эту величину можно сравнить с суммой вычисленных ранее значений для перекрестов в участках 1 и 2. Эти значения были равны 17,85 и 28,60%, что дает в сумме 46,45%, т. е. на 5,38 единицы больше величины, полученной непосредственным определением частоты перекреста между локусами А. и С.
Если для определения расстояния между двумя локусами в хромосоме в качестве единицы измерения используют процент перекреста, то такое определение следует по мере возможности производить путем сложения рас стояний между данными локусами и одним из промежуточных локусов. При прямом определении процента перекреста между двумя локусами, расположенными относительно далеко друг от друга, всегда получаются значения, ниже достоверных, причем ошибка возрастает с увеличением расстояния между локусами.
Суммируя результаты, полученные в экспериментах на дрозофиле, Т. Морган сформулировал хромосомную теорию наследственности, основные положения которой таковы:
Используя закономерности линейного расположения генов в хромосоме и определив частоту кроссинговера, можно построить генетические карты.
Перекрест хромосом повышает комбинативную изменчивость и тем самым создает материал для естественного и искусственного отбора. Не меньшее значение в эволюции имеет и сцепление генов в хромосоме, так как благодаря ему сохраняется стабильность организмов. Если бы не было сцепления, то в потомстве возникали бы миллионы различных комбинаций признаков, и образование и существование видов было бы практически нереально. Сцепление генов ограничивает комбинативную изменчивость, создавая видовую устойчивость.
Лекція 6. Тема: «Мутаційна мінливість»
Питання:
Живим організмам, незалежно від їхньої генетичної організації, поряд зі спадковістю властива мінливість. Спадкоємним змінам властивостей і ознак у мікроорганізмів, рослин, тварин і людини завжди приділялася велика увага. Ч. Дарвін віддавав їм велике значення в еволюції й селекції). Одним із широко відомих прикладів спадкоємних змін, описаних Дарвіном, є народження в 1791 р. на фермі Анкон у штаті Массачусетс у США коротконогої вівці, родоначальниці анконской породи. Він описує також випадки появи однокопитих тварин у свиней і багато хто інші.
В 1899 р. вийшла книга російського ботаніка, у той час професора Томського університету, С. И. Коржинського (1861- 1900) «Гетерогенез і еволюція», у якій наведений ряд прикладів спадкоємної мінливості ознак у рослин як джерела походження видів/Термін «мутація» був уведений у генетику Г. де Фризом, голландським ученим, що протягом багатьох років (1886-1901) вивчав явище спадкоємної мінливості в рослини енотери). Після ретельного узагальнення своїх спостережень він розробив мутаційну теорію, що сформулював у книзі «Мутації й періоди мутацій при походженні видів» (1901) Мутаціями від mutatio - зміна, зміна) називають спадкоємні зміни ознаки, органа або властивості, обумовлені змінами спадкоємних структур. Процес виникнення мутацій називається мутагенезом. Мутагенез може бути спонтанним, коли мутації виникають у природі без втручання людини, і індукованим, коли мутації викликають штучно, впливаючи на організм спеціальними факторами, називаними мутагенами. Рослина, тварина, мікроорганізм, у яких відбулася мутація, називають мутантами.
Мутації - закономірне генетичне явище, яке має наступні особливості: 1) мутаційні зміни обумовлені зміною спадкоємних структур у полових або соматичних клітинах і можуть відтворюватися в поколіннях - спадкоємними; 2) мутації виникають раптово в одиничних особин, носять випадковий, ненаправлений характер, можуть бути рецесивними й домінантними. Мутації можуть іти в різних напрямках, зачіпати один або кілька ознак і властивостей, можуть бути коштовними або шкідливими. Мутації, що знижують виживаність мутантів більш, ніж на 10 %, шкідливі для природних популяцій)
Поліплоїдія. У широкому змісті цього слова називають геномную мутацію - зміна числа хромосом у клітинах, і процес виникнення або створення геномных мутантів (поліплоїдів).
Поліплоїдні форми в природі можуть виникати з ряду причин, наприклад через порушення мітозу, у результаті якого відбувається нерівна розбіжність хромосом в анафазі, відсутність цитокінезу, порушення функції митотичного апарата; це може спостерігатися я в результаті утворення й злиття при заплідненні нескорочених гамет, що утворилися при порушенні мейозу, а також розподілу зиготи або соматичних клітин у початкові періоди ембріогенезу. Залежно від того, у яких клітинах відбувається зміна числа хромосом, розрізняють соматичну, мейотичну або зиготичну поліплоїдию. У природі полиплоиды найчастіше виникають або в результаті злиття нескорочених гамет (мейотическая полиплоидия), або в результаті порушення першого розподілу зиготи (зиготическая полиплоидия). Індуковані поліплоїди найчастіше одержують, впливаючи на мітотичний поділ клітин меристеми (органотворчої тканини в рослин), крапок росту (соматична поліплоїдия). Із цією метою крапки росту насінь, що проростають, або вегетуючих рослин протягом 1 - 5 ч обробляють слабким розчином колхіцину (0,01 - 0,25%). Алкалоїд колхіцин блокує розвиток мітотичного апарата клітини, тому в ній не відбувається розбіжності сестриних хромосом до полюсів і число хромосом у клітині подвоюється. Процес подвоєння числа хромосом у клітині може тривати доти, поки буде діяти розчин колхіцина.
Поліплоїдия - явище, широко розповсюджене в природі, особливо серед рослинних організмів.. Багато дикоростучих і культурних видів рослин є спонтанними поліплоїдами. Залежно від кліматичних умов виростання число поліплоїдних видів рослин може коливатися від 35 до 85%. Багато видів вкритосімяних рослині утворять поліплоїдні ряди в межах одного роду. Поліплоїдним рядом називають види одного роду, у яких число хромосом збільшується кратне гаплоїдному. Наприклад, поліплоїдний ряд пшениці (рід Triticum) містить серію видів, чітко помітних по числу хромосом:
диплоїдні види (2п=14);
триплоїдні види (2п=21);
тетраплоидные види (2п = 28) ;
гексаплоидные види (2п=42) і ін.
Поліплоїдний ряд картоплі (рід Solatium] включає види, що містять у клітинах 24, 48, 72, 96, 120 і !44 хромосоми, поліплоїдний ряд щавлю (рід Rumex) - 20.40, 60, 8(>, 100, 120 хромосом.
Найменше гаплоїдне число хромосом кожного поліплоїдного ряду називається його основних числом і позначається буквою А, Наприклад, у пшениці основне число хромосом поліплоїдного ряду А=7, у картоплі А = 12, у щавлю А=10. Сукупність хромосом основного чиста поліплоїдного ряду називається геномом. Залежно від плідності кожний вид містить один або трохи геномів. Так, рослини м'якої пшениці Т. aestivum гаплоїдний набір хромосом 21, тобто містять 3 генома, позначуваних буквами А, У и D.
Гаплоїдия - геномна мутація, у результаті якої виникають гаплоїди – організми зі скороченим (одинарним) числом хромосом. У клітинах гаплоїдів утримується тільки половина соматичного набору хромосом (л), властивого даному виду, тобто таке ж число хромосом, як і в нормальних полових клітинах - гаметах. Гаплоїди можуть виникати спонтанно й можуть бути отримані індукуванням. Гаплоїди марні, але можуть розмножуватися партеногенетично й зберігатися при вегетативному розмноженні. Гаплоїдні мутації використають у селекції вищих рослин. Якщо в гаплоїда подвоїти число хромосом за допомогою розчину колхіцина або іншим методом, то можна одержати гомозиготне по всіх генах, нормально плідне диплоїдне рослина.
Еуплоїдия (щира поліплоїдия) - геномна мутація, у результаті якої виникають еуплоїди - організми, у клітинах яких утримується більше двох гаплоїдных наборів хромосом одного виду або відбувається з'єднання й кратне збільшення хромосом і їхніх наборів різних видів. Розрізняють автополиплоидию й аллополиплоидию.
Автополіплоїдия — процес виникнення автополіплоїдів — організмів, у клітинах яких утримується більше двох гаплоїдних наборів хромосом, властивого даного виду. Залежно від числа хромосомних гаплоїдних наборів розрізняють триплоїды, у клітинах яких утримується Зп число хромосом, тетраплоїди (4п), пентаплоїди (5п), гексаплоїди (6п) і т.д.
Уперше явище кратного збільшення числа хромосом у клітинах було описано професором МГУ И. И. Герасимовим, що спостерігав поліплоїдизацію у водорості спірогири в 1890 р. В 1916 р. це явище спостерігав Г. Винклер і дав йому назва «поліплоїдия».
Автополіплоїдия обумовлює зміна морфологічних ознак і властивостей, властивих вихідним диплоїдним рослинам. У поліплоїдів у першу чергу збільшуються розміри ядра й клітини в цілому, а також кількість органоїдів цитоплазми- пластид, мітохондрій, рибосом. Для кожного виду рослині існує певний оптимальний рівень плоїдності, тобто таке кратне гаплоїдному число хромосом, при якому рослини мають найбільш високу життєздатність н продуктивність. Так, для цукрового буряка й кавуна оптимальним є триплоїдний рівень (у кавуна 3/1 = 33, у буряка Зп = 27), для жита, гречки, редису, турнепсу - тетраплоїдний. У цих рослин при оптимальному рівні плоїдності збільшуються розміри листових пластинок, довжина й товщина стебла. Чашолистки, пелюстки віночка, пилкові зерна, плоди й насіння в автополіплоїдів крупніше, ніж у вихідних диплоїдних рослин. Поліплоїдні сорти ряду культурних рослин одержали широке поширення: тетраплоїдне жито сорт Белта й Ленінградська тетра; гречка; триплоїдні гібриди цукрового буряка й ін.
Алополіплоїдами називають рослини, у каріотипі яких утримуються подвоєні набори хромосом різних видів і пологів. Вони можуть виникати в природі або можуть бути отримані штучним шляхом при подвоєнні числа хромосом у міжвидових або міжродових гібридів. Алополіплоїди, створені в результаті подвоєння числа хромосом у рослин, отриманих від ; схрещування особин, що ставляться до двох різних видів або родів, називаються амфідиплоїдами. Якщо алополіплоїд містить подвоєні числа хромосом трьох видів або пологів, його називають алотриплоїдом.
Алополіплоїдам звичайно властиві ознаки й властивості вихідних диплоїдних батьківських форм у різних сполученнях, I як це звичайно буває при міжвидовій і межродовой гібридизація. Поліплоїдизація дозволяє відновити плідність, тому що міжвидові й особливо межродовые гібриди, як правило, марні.
Важливе практичне значення мають амфідиплоїди, отримані шляхом подвоєння числа хромосом у пшенично-житніх міжродових гібридів, названих, за пропозицією В. Е. Писарєва, Тритикале. Вони можуть бути октаплоїдами (2« = 56) і гексаплоїдами (2п = 42). Тритикале є цінною зернокормовою культурою. Кращі сорти цієї культури дають високий урожай зеленої маси й зерна, тому в нас у країні й за рубежем ведеться інтенсивна робота зі створення сортів тритикале, пристосованих до ґрунтово-кліматичних умов відповідної зони.
Шляхом алополіплоїдиї можна одержувати рослини, що містять геноми, різних видів і пологів, створювати нові форми, синтезувати неіснуючі в природі. Цим методом можна відтворювати (ре^-синтезувати) уже існуючі види, предки яких зникли. В.А.Рибин в 1930 р. за допомогою алополіплоїдиї здійснив ресинтез культурної сливи. Він схрестив терн із аличею. Серед гібридних рослин йому вдалося виділити одне, подібне з культурною сливою, у клітинах якого втримувалися властивому цьому виду 48 хромосом:
Гетероплоїдами або анеуплоїдами називають організми, число хромосом у яких некратне гаплоїдному. Гетероплоїди можуть виникати різними шляхами. В одних випадках вони утворяться в результаті розходження двох гомологічних хромосом до одного полюса в анафазі I мейозу або в анафазі мітозу. Найчастіше вони утворяться в результаті відсутності кон'югації гомологічних хромосом і утворення унівалентів. Уніваленти, як правило, не орієнтуються належним чином і можуть відійти до одного полюса. Причиною виникнення гетероплоїдів може бути також відсутність поділу хромосом на хроматиди. У цьому випадку порушується їхня розбіжність у дочірні клітини при другому поділі мейозу. У тім і іншому випадках можуть утворитися гамети з набором хромосом, некратним гаплоїдному: п-1; п+1. При злитті цих гамет у процесі запліднення можуть утворитися зиготи, що містять 2п-1, 2п-2, 2n+l і 2п+2 хромосом.
Поліплоїдия у тварин і людини. Поліплоїдия у тварин зустрічається вкрай рідко. Єдиний відомий випадок поліплоїдиї в ссавців - золотий хом'ячок, у каріотипі якого втримується 44 хромосоми, у той час як у тварин інших пологів сірого й звичайного хом'яка їх 22. Штучно тетраплоїдні форми вдавалося одержувати в деяких видів риб і амфібій, але зберегти тетраплоїдне число хромосом у потомстві й навіть просто одержати нащадків не вдавалося. Так, в аксолотля були отримані тетраплоїдні самки. При схрещуванні їх з диплоїдними самками було отримано триплоїдне, повністю марне потомство. При схрещуванні двох підвидів японської жаби були отримані алоплоїди, але вони були марні.
Відзначено одиничний випадок народження хлопчика-триплоїда, у генотипі якого втримувалося 66 аутосом і ХХУ-статевих хромосом; маса при народженні 2190 г; видимих порушень у розвитку окремих частин тіла не спостерігалося. Серед абортованих плодів людини відзначені також випадки утворення триплоїдних ембріонів.
Гетероплоїдия найбільш вивчена в людини. Установлено, що хромосомні порушення визначають мертвонародження або смерть немовлят протягом першого або наступного років життя. Разом з тим у деяких випадках народжуються й живуть відносно тривалий час діти-трисоміки по якій-небудь хромосомі, але у всіх випадках трисомія викликає пороки розвитку. В I960 р. був описаний синдром Патау - важке захворювання, обумовлене трисомією по 13-й хромосомі. Частота зустрічальності - 1; 5000 -7000 немовляти. При цьому спостерігаються висока рання смертність, пороки головного мозку й особи, полідактилія (зайві пальці), пороки внутрішніх органів, у тому числі перегородок серця.
Синдром, або хвороба, Дауна обумовлена трисомією по 21-й хромосомі, найбільше часто зустрічається в немовлят, у середньому становить близько 1 на 700--800 народжень. Трисомія по цій хромосомі буває причиною ряду пороків розвитку: пороки серця, травного тракту, патологія у формі голови й особи, розхитаність суглобів, розумова відсталість.
Причиною трисомії є нерівна розбіжність хромосом у мейозі в одного з батьків, чаші - у матері. Причин порушення мейозу може бути багато, у тому числі й вік матері, як це встановлено для синдрому Дауна.
Досить різноманітні випадки гетероплоидии в людини по полових хромосомах. За даними Н. П. Кулешова, частота їхньої зустрічальності близько 1,6:1000 народжень. Моносомія по Х-хромосомі обумовлює синдром Шерешевського-Тернера. Для них характерні безплідність, недорозвинення полових ознак, уроджені соматичні пороки розвитку, низький ріст. Досить часто зустрічається трисомія по полових хромосомах у хлопчиків. Причому, якщо в каріотипі присутній кілька додаткових Х-хромосом хоча б одна У-хромосома, народжуються хлопчики. Частота таких народжень становить 1,39-1,98 на 1000 народжень хлопчиків. Відзначено випадки народження хлопчиків з ди- і трисомією по У-хромосомі (синдром Клайжфельтера). У цьому випадку в початковий період розвитку у хворих не спостерігається істотних аномалій, але для них, як правило, характерна безплідність.
Хромосомні аберації (перебудови). Зміна структури хромосом внаслідок їхніх розривів і перебудов називають хромосомними абераціями. Будь-якій структурній зміні хромосоми передує її розрив, при якому виходять два фрагменти, кожний з них має по одному «клейкому» кінці, а вони, у свою черзі, здатні з'єднатися з будь-яким іншої «клейким» кінцем цієї або іншої хромосоми. Характер хромосомної перебудови багато в чому залежить від стану хромосоми в момент впливу мутагенного фактора. Якщо хромосома перебуває в стані одиночної нитки (період G1 інтерфази, анафаза й телофаза мітозу), то в наступний період S інтерфази вона подвоюється й аберація зберігається в обох хроматидах, тобто виникають хромосомні аберації. Якщо мутаген діє на хромосому, що перебуває в стані подвійної нитки (період Су або S інтерфази, профаза й метафаза мітозу), аберація може відбутися тільки в одній хроматиді. У цьому випадку виникають хроматидні перебудови.
Розрізняють серединні- і міжхромсомні аберації. До усередині- хромосомним відносять делеції, дефішенсі, інверсії, дуплікації й фрагментації. До міжхромосомних - транслокації. Тип хромосомної аберації позначають символом із вказівкою порядкового номера хромосоми, у якій вона відбулася.
Делеція (Dl) - випадання ділянки хромосоми в середній її частині, що містить звичайно цілий комплекс генів. У випадку випадання кінцевої ділянки виникає кінцева делеції - дефішенсі, коли делеція й дефішенсі захоплюють невеликий фрагмент хромосоми, це викликає зміну ознаки, наприклад жовте фарбування тіла й білоокість у дрозофіли. Великі делеції, як правило, летальні й викликають загибель організму. Відома велика делеція 21-й хромосоми людини, що викликає важку форму білокрів'я.
Інверсія (In) виникає в результаті розриву хромосоми одночасно у двох місцях зі збереженням внутрішньої ділянки, що возз'єднується із цією же хромосомою після повороту на 180°. У цьому випадку група зчеплення генів у даній хромосомі зберігається, але змінюється положення генів відносно один одного. Інверсія не впливає на фенотип особини, але при цьому порушується кон'югація гомологічних хромосом у мейозі й в анафазі I утворяться інверсійні мости.
Дуплікація (Dp) - подвоєння ділянки хромосоми. Звичайно дуплікація не робить сильного впливу на фенотип особини. Разом з тим збільшення дози того самого гена може викликати фенотипова зміна характеру прояву пер-знака, як це має місце в дрозофіли при дуплікації гена Ваг (полосковидні очі). При дуплікації даного гена зменшується число фасеток в очах комахи й підсилюється деформація очей.
Фрагментація (F) відбувається в результаті розриву хромосом або хроматид у декількох місцях одночасно й утворення окремих фрагментів хромосом з наступною втратою в мітозі тих з них, які не містять центромери. Як правило, фрагментація обумовлює виникнення летальних мутантів.
Транслокація (Т) - обмін ділянками між негомологічними хромосомами; її відносять до міжхромосомних аберацій, тому що структурні зміни відбуваються одночасно у двох або більше негомологічних хромосомах. Тракслокації не змінюють числа генів у даному генотипі й не завжди проявляються фенотипово, але в особин, гетерозиготних по транслокації, порушується кон'югація гомологічних хромосом і утворяться нежиттєздатні гамети. Японський учений И. Тазима в 1959 р. при обробці ікс-променями шовковичного шовкопряда переніс на Y-хромосому (полова хромосома в шовковичного шовкопряда детермінує жіновий стать) ген чорного фарбування грени. Х-хромосома не несе цього гена, тому білі яєчка дають самців, чорні - самок. За допомогою фотоелемента можна здійснити сортування грени й постачати шовківників греною, з якого виводяться тільки самці, що утворять більші кокони.
Генні мутації. Генними, або танковими, мутаціями називають зміни структури молекули ДНК на ділянці певного гена, що кодує синтез відповідної білкової . молекули. Слід зазначити, що молекула ДНК проявляє відносно високу стабільність і стійкість до мутагенів, має властивість відновлювати первісну структуру й виправляти ушкодження, якщо вони зачіпають тільки одну з комплементарних ланцюжків. Процес відновлення первісної структури й виправлення ушкоджень молекули ДНК називається репарацією. Найбільш вивчена фотореактивація й темнова репарація.
Фотореактивація здійснюється фотореактивуючим ферментом. Світло активує фермент, і він відновлює вихідну структуру молекули ДИКИЙ, ушкоджену ультрафіолетовими променями.
Темнова репарація - механізм виправлення різних ушкоджень молекули ДНК, викликаних хімічними або фізичними мутагенами. Темнова репарація протікає в кілька етапів, які були встановлені на прикладі Е. coli Р. Сетлоу в 1964 р. При цьому беруть участь чотири типи ферментів, послідовна дія яких виправляє ушкодження ДНК, якщо на даній ділянці ушкоджена тільки одна із двох комплементарних ниток ДНК. Схематично цей процес може бути представлений у такий спосіб:
Репарація молекули ДНК, як правило, протікає в період G1 митотического циклу. При цьому відбувається виправлення структурних ушкоджень молекули ДНК, розривів полінуклеотидних ниток, видалення некомплементарних нуклеотидів.
Якщо в молекулі ДНК на тому самому ділянці одночасно ушкоджуються обидві комплементарні нитки, то це ушкодження не відновлюється й проявляється у вигляді генних, або точкових, мутацій. Мутації можуть виникати в результаті випадання або вставки нуклеотидних пара в молекулі ДНК на ділянці відповідного гена або заміни одного нуклеотиду на іншій, коли замість тиміна стає гуанін або замість гуаніну - аденін.
У тому випадку, коли відбулося випадання або додавання хоча б однієї пари нуклеотидів, порушується транскрипція — зрушується «рамка зчитування» при синтезі м-РНК, змінюється порядок чергування амінокислот у поліпептидного ланцюга, кодованого даним геном. Так, наприклад, на одній з ділянок ДНК v вірусу Т4 у нормі є наступне чергування триплетів, що забезпечує відповідний порядок розташування амінокислот у поліпептидному ланцюзі:
ділянка ДНК -ТГА-ТТТ-ТЦА-ГГТ-АГТ-ГАА-ТТА-ЦГА-
у поліпептидного ланцюга - тре-лиз-сер-про-сер-лей-асп-ала- амінокислоти.
Під дією мутагену в другому триплеті випадає нуклеотид тимин, а в сьомому відбулася вставка нуклеотида тимина. Внаслідок цього на ділянці даного гена відбудеться «зрушення рамки зчитування» мрнк: у поліпептидному ланцюзі будуть кодуватися інші амінокислоти:
ДНК ТГТ-Т1Т-ЦАГ—ГТА—ГТГ—ДАТ—ТТА—ЦГА—
полипептидний ланцюг тре-лиз-вал-гнс-гис-лей-асп-
Фенотиповий прояв мутації залежить від того, на якій ділянці відбулася вставка або випадання нуклеотидної пари. Якщо вона випала поблизу промотору, тобто на початку структурного гена, те транскрибується сильно змінена м-РНК, транслюється «зіпсована» поліпептидний ланцюг і білкова молекула, не виконуючи своєї функції, швидко інактивується. Якщо вставка або випадання нуклеотидної пари відбулися на кінцевій ділянці даного гена в молекулі ДНК або, як у нашому прикладі, випадання сполучається з додаванням нуклеотидної пари, то це не приведе до інактивації білкової молекули, але вплине на якість кодованого білка й обумовить зміна ознаки або властивості.
При заміні в триплеті ДНК одного нуклеотида іншим у поліпептидної ланцюга відбудеться заміна тільки однієї амінокислоти. Таке явище одержало назву «місенс-мутація».
Місенс-мутацією називають заміну на ділянці структурного гена однієї нуклеотидної пари іншої, у результаті чого кодується включення в поліпептидний ланцюг «неправильної» амінокислоти. У цьому випадку в молекулі ДНК виникає нова алель даного гена, відбувається мутаційна зміна фенотипового прояву ознаки. Це явище одержало назву множинного алелізму.
Множинним алелізмом називають різний стан того самого гена (локусу), обумовлене точковими мутаціями, детерминуючими різний прояв того самого ознаки або властивості. Алелі одного гена, що виникли в результаті точкової мутації, називають множинними алелями.
Уперше множинний алелизм був установлений в 1929-1930 р. А.З.Серебровським, Н. П, Дубиніним і Б. П. Сидоровым у дрозофилы на прикладі локусу гена scute. Множинні алелі цього гена — set, sct, sca — викликали різний характер редукції щетинок на тілі дрозофіли.
Яскравим прикладом множинного алелізма можуть служити алелі, що кодують синтез глобіна - білка, необхідного для утворення складних молекул гемоглобіну крові. Заміна тільки однієї з 300 амінокислот у білковій молекулі глобіна обумовлює новий тип гемоглобіну. У цей час відомо близько 100 типів гемоглобіну, контрольованих серією множинних алелей. Наприклад, молекула глобина А (нормальний тип гемоглобіну) на одній з ділянок поліпептидного ланцюга має наступний порядок чергування амінокислот: -пролін - глутамінова кислота - глутаминова кислота - лізин т-. Заміна нуклеотидів на даній ділянці ДНК обумовлює кодування іншого типу гемоглобіну:
Тип S-пролін - валин - глутамінова кислота - лізин -
Тип Про-пролін- глутаминовая кислота- гліцин - лизин –
Тип З-пролін -лизин - глутаминовая кислота - лізин -
У гомозиготному стані гемоглобін обумовлює важке спадкоємне захворювання - серповидно-клітинну анемію.
Цікаво, що у тварин білкові молекули, що виконують подібні функції, розрізняються невеликим числом амінокислот. Так, молекули інсуліну у тваринних різних видів відрізняються складом амінокислот тільки на одній ділянці молекули.
Генні мутації можуть виникати не тільки в одному, але в у різних генних локусах, що мають подібний вплив на характер розвитку ознаки, тому при роботі з мутантами буває необхідно встановити, чи дійсно причиною мутації є множинні алелі. Для цього використають метод, запропонований Т. Г. Морганом ікритерій, що одержав назву «алелізму». Якщо при схрещуванні двох мутантів в F\ проявляється ознака одного з них, а в Ft спостерігається розщеплення у відношенні 3:1, то має місце множинний алелізм одного гена.
Якщо при схрещуванні двох мутантів в Ft проявляється ознака дикого типу, а в Fa має місце розщеплення у відношенні 9:7, як при комплементарній взаємодії, то мутували різні гени.
Класифікація хромосомних і генних мутацій по фенотипі. 1 Зміни в будові хромосом і генів обумовлюють зміна властивості, ознаки або органа в конкретної особини — у вірусу, бактерії, рослині, тварину або людину. Мутації по фенотиповому прояві умовно класифікують на морфологічні, фізіологічні й біохімічні.
Морфологічними мутаціями називають спадкоємні зміни в будові органів або окремих ознак. У рослин- зміна фарбування листа, квітки, суцвіття, будови й розміру листової пластинки, форми й фарбування плодів і насінь. У тварин - зміна фарбування хутра, коротконогість, відсутність шерстного покриву або оперення. У комах найбільше ретельно вивчені морфологічні мутації в дрозофіли.
Фізіологічні мутації обумовлюють зниження або підвищення продуктивності або життєздатності особини, стійкість або сприйнятливість до хвороб, факторам зовнішнього середовища. До фізіологічних мутацій відносять також летальні й сублетальні мутації.
Біохімічними мутаціями називають зміни характеру обміну речовин в організмі, що порушують або змінюють синтез речовин, особливо ферментів, структурних білків, амінокислот, вуглеводів і інших речовин, необхідних для нормальної життєдіяльності. Наприклад, у рослин найбільше часто виникають хлорофілові мутації: коли в хлоропластах порушується синтез хлорофілу, листи здобувають жовто-зелене або жовте фарбування.
Ця класифікація умовна, тому що безсумнівно, що причиною морфологічних змін є порушення процесу синтезу того або іншого ферменту або структурного білка.
Ф Хатт у книзі «Генетика тварин» (1969) описує мутації в різних видів сільськогосподарських тварин і птахів: у великої рогатої худоби, коней, свиней, овець, курей і ін. небажаних, шкідливих, летальних або напівлетальних мутацій (бесшерстність, беззубість, укорочення хребта, укорочення нижньої щелепи, зрощення ніздрів, недорозвинення мозочка у великої рогатої худоби; зігнутість передніх кінцівок, часткова відсутність шкіри, бесшерстність у коней; відсутність кінцівок, вовча паща, параліч задніх кінцівок, дефекти будови копит у свиней; виродливий череп, відсутність кінцівок, бесшерстність, дефекти будови копит в овець). Особливо багато летальних мутацій описано в курей: коротконогість (плазуючі кури), карликовість, відсутність верхньої або нижньої частини дзьоба, двупалость, відсутність оперення, сліпота. Більша частина мутацій у тварин обумовлює патологічний розвиток органів. Разом з тим деякі мутації використаються людиною при створенні нових порід, наприклад, створення різних порід норок, що мають коштовне фарбування хутра, розведення курчавопірих курей, сірих каракульських овець і т.д.
Залежно від того, які органи порушені мутагенезом, розрізняють соматичні й генеративні мутації. Генеративними називають мутації, які відбуваються в полових клітинах або зиготі. У цьому випадку мутації передаються потомству при половому розмноженні, якщо вони не обумовлюють безплідність. Домінантні мутації проявляються вже .у першому поколінні, рецесивні - у другому або наступному поколіннях, коли вони перейдуть у гомозиготний стан.
1. Соматичні мутації виникають у будь-яких клітинах або органах тварини або рослини й при половому розмноженні (якщо вони не торкаються відтворної системи) потомству не передаються. У рослин соматичні мутації можуть зберігатися при вегетативному розмноженні. У плодових дерев, у троянд, хризантем соматичні мутації можуть відбуватися в межах одного виду, можна, передбачати знаходження паралельних форм в інших видів і пологів. Чим ближче генетично розташовані в загальній системі пологи й види, тим повніше подібність у рядах їхньої мінливості.
2. Цілі сімейства рослин у загальному характеризуються певним циклом мінливості, що проходить через всі пологи й види, що становить сімейство
Цей закон був установлений Н. И. Вавиловим для рослин, але він повністю відповідає характеру мутаційної мінливості й у тварин. Наприклад, для всіх видів ссавців характерна поява коротконогих і карликових мутантів; для близьких видів у межах одного сімейства або для тваринних близьких сімейств можна пророчити можливість появи подібного фарбування хутра - білою, коричневої, сіркою, чорної. Важливе значення має закон Н- И. Вавилова при одержанні індукованих мутацій.
Індуковані мутації. Уперше вони були отримані в 1925 р. у Ленінградському радієвому інституті Г. А. Надсоном і Г. С. Філіпповим на дріжджових грибах. В 1927 р. Г. Меллер у США одержав індуковані мутації в дрозофіли в результаті впливу на комах променями радію. З 1928 р. Л. Стадлер почав використати промені Рентгена для одержання мутацій у ячменя й кукурудзи, Э. Баур н Г. Штубе з левиного зева. Більша заслуга в розвитку хімічного мутагенезу й створення хімічних супермутантів належить радянському вченому И.А. Рапопорту. Індукований мутагенез дозволяє найбільше повно виявити можливості генотипу, створити генетичні колекції з обліком всіх можливих змін органів, ознак і властивостей у даного виду. Мутації мають винятково важливе значення при складанні генетичних карт. Особливо широко індукований мутагенез застосовують в «селекції рослин для створення вихідного матеріалу. При цьому умовно мутагени підрозділяють на дві групи - фізичні й хімічні. Фізичними мутагенами є іонізуючі випромінювання - рентгенівські промені, гамма-промені, бета-частинки (електрони й протони), нейтрони, альфа-частинки. Частота мутацій у вірусів, бактерій, рослин, лабораторних ссавців прямо пропорційна дозі опромінення, тому в експериментальному мутагенезі необхідно строго враховувати дози радіації, які вимірюють або в одиницях Рентгена (Р), або в радах. Різні форми живих істот мають різну чутливість до іонізуючих випромінювань, тому звичайно для кожного виду визначають дозу летальну, критичну й іноді - стимулюючу. Летальна доза іонізуючого випромінювання для миші - 600 Р, для людини -700 Р. Іонізуючі випромінювання викликають необоротні зміни генетичного апарата.
Хімічні речовини можуть викликати зміни генетичного апарата клітини й обумовити мутації. Найбільш сильні хімічні мутагени, називані супермутагенами, належать до групи так званих алкилуючих сполук — диметілсульфат, іприт, етиленамін, N-нітрозоалкілмочевина, нітрозометілмочевина, нітрозоэтілмочевина. Супермутагени значно (в 5—50 разів) збільшують частоту виникнення i мутацій у порівнянні із природної. До числа хімічних мутагенів можуть бути віднесені аналоги азотистих підстав, акрилові барвники, уретан, формальдегід і інші речовини.
Деякі з них можуть викликати утворення злоякісних пухлин у тварин і людини.
Мутаційна мінливість - закономірне генетичне явище. Вона має важливе теоретичне значення й широко використається для виявлення тонкої будови хромосом і генів, для зміни спадкоємної інформації, закодованої в молекулах ДНК, реалізації зміненої спадкоємної інформації в процесі біосинтезу й в онтогенезі особини. Мутаційна мінливість відіграє важливу роль у пізнанні еволюції живої природи, а також у практичній селекції для створення нових сортів рослин.
Пізнання закономірностей мутагенезу є необхідною умовою для розробки мер, що обгороджує генотипи, рослин, тварин і людину від дії, що ушкоджує, мутагенних факторів.
Лекція № 7
Тема: «Генетичні основи онтогенезу. Генетика людини»
Питання:
Процес індивідуального розвитку особини - онтогенез - починається з акту запліднення й закінчується смертю. У процесі онтогенезу реалізується спадкова інформація, властива генотипу даної особини. Вона визначає час, місце й послідовність розвитку органів і ознак. Онтогенез запрограмований у генотипі особини, але здійснюється в конкретних умовах зовнішнього середовища, що визначає характер і можливості реалізації спадкоємної інформації. При вивченні закономірностей індивідуального розвитку тварини або рослини велика увага приділяється процесу формування органів - органогенезу. Поступове становлення форми й функції кожного органа в даної особини в процесі її розвитку визначає морфогенез.
При вивченні онтогенезу головним завданням є розкриття закономірностей конкретної реалізації гена: яким образом ген, локалізований у молекулі ДНК, контролює розвиток специфічної ознаки, характерного для годиться, породи й окремої особини.
У прокаріот шлях від гена до ознаки відносно простій; ген контролює синтез ферменту і його активність регулюється процесами, що протікають безпосередньо в клітині. Ми можемо судити про генотип даного штаму бактерії Е. coli по його здатності синтезувати фермент, амінокислоту, антибіотик або іншу речовину або гідролізовать живильний субстрат, на якому він розмножується. Завдяки механізму регуляції генетичного коду бактерії забезпечують своєчасну активність генів, що синтезують ферменти, необхідні клітині в даний період її життєдіяльності. Отже, у прокаріот чітко простежується зв'язок між геном і ознакою: ознаку-ген--фермент--ознака.
Значно складніше цей процес здійснюється у вищих багатоклітинних складно-организованных особин. Кожна ознака в них контролюється, як правило, багатьма генами, формується в онтогенезі під впливом багатьох ферментів, у взаємодії з іншими органами й тканинами. Наприклад, фарбування хутра в норок контролюються більш ніж 20 генами, фарбування вовни у великої рогатої худоби залежать від різного сполучення 10 генів, цвіт очей у дрозофилы залежить від 20 генів. Кожний ген у генотипі особини представлений двома аллелями, у результаті перекомбінації яких може здійснюватися найрізноманітніший прояв ознаки. Важливе значення для характеру прояву ознаки має й можлива взаємодія генів.
Істотний вплив на характер розвитку органа й прояву ознаки можуть робити умови зовнішнього середовища. У тварин ембріональний розвиток протікає в організмі матері, тому на ознаки, що формуються до народження, внс:гняя середовище робить відносно слабкий вплив, опосередковано через організм матері. Вони розвиваються головним чином під контролем генотипів батьківських форм і після народження майже не змінюються. До таких ознак у першу чергу відносять морфологічні особливості будови кожного органа, а також групи крові, типи гемоглобіну й ін.
У постембріональний період умови зовнішнього середовища впливають на характер прояву головним чином кількісних ознак, що визначають продуктивність тварини. Дуже показові щодо цього однояйцеві близнюки. Ідентичність їхніх генотипів чітко проявляється в розподілі фарбування вовни, формі рогів, будові кінцівок, але форма тіла, маса, продуктивність значно змінюються під впливом убогого або, навпаки, рясної годівлі.
Біогенетичний закон онтогенезу. Онтогенез має генетичну зумовленість розвитку тварин даного класу й свідчить про спільність їхнього походження. Спільність походження генетично різних форм відбита в рисах їхнього розвитку й порядку зміни етапів і фаз, у появі в систематично різних груп ряду чорт, характерних для їх предкових форм.
Онтогенез кожної особини підкоряється біогенетичному закону Мюллера-Геккеля: подібність ембріональних рис розвитку відбиває ступінь споріднення різних форм у силу спільності їхнього походження. Процес дроблення зиготи у всіх багатоклітинних тваринних організмів проходить початкові стадії ембріогенезу - бластулу й гаструлу. Для хребетних характерно проходження стадії, на якій у наземних форм, що дихають легенями, утворяться зяброві дуги, як і в риб.
У філогенетичних рядах характерний паралелізм гістологічної структури й функцій деяких тканин -нервової, м'язової, епітеліальної, сполучної. Наявність цієї закономірності, установленої росіянином ученим А. А. Заварзіним (1886-1945), відбиває спільність генетичної детермінації клітин досить давно й далеко розбіглих класах, наприклад у ссавців і в комах.
Разом з тим необхідно враховувати й розходження в онтогенезі в різних форм, які накладаються на загальний характер розвитку, що свідчить про специфіку генетичної інформації. Так, наприклад, у яйцях риб і птахів утримуються більші запаси жовтка, що позначається на їх ембріогенезі.
Нерівномірність і неодночасність процесів росту й диференціювання. Ріст може здійснюватися або за рахунок розподілу клітин, або за рахунок їхнього розтягання. У період росту органів і тканин переважають процеси, що забезпечують мітотичну активність клітин. У цей період найбільше активно функціонують гени, що контролюють синтез ферментів, що забезпечують всі періоди й фази мітотичного циклу.
В ембріональній тканині тваринні клітини відносно однакові за формою й складом білків. Пізніше вони диференціюються, при цьому ембріональна клітина перетворюється в клітину з різною спеціалізацією, Такий прояв розходжень між клітинами називають диференціювання, а клітини - диференційованими. У період диференціювання активно функціонують гени, що контролюють синтез специфічних білків, необхідних для формотворчих процесів і інтеграції спеціалізованих клітин.
Необоротність і оборотність процесу диференціювання соматичних клітин і тканин. Зигота містить повний набір генів і всю генетичну інформацію даного виду, породи й особини; вона тотипотентна (омніпотентна), тобто має всі можливості розвитку й формування органів і ознак дорослої особини. Диференціювання клітин не приводить до втрати ними наявних можливостей. Генетична інформація, що втримується в молекулах ДНК, однакова в будь-якій соматичній клітині, тобто кожна соматична клітина потенційно здатна дати початок новому організму. Тотипотентність соматичних клітин характерна для рослин. З одиночних клітин, виділених з диференційованих тканин будь-якого органа, можна в пробірковій культурі одержати ціла рослина, ідентичне вихідному. Такі рослини одержують із коренеплодів цукрового буряка й моркви, із клітини листа бегонії й багатьох інших культур. У тварин тотипотентність клітин зберігається тільки на ранніх етапах онтогенезу. Р. Бриггс і Т. Кинг (1952), Дж. Гердон (1964) виділяли ядра з м'язових клітин або із клітин кишкового епітелію пуголовків шпорцевої жаби й пересаджували їх у без'ядерні активовані яйцеклітини. З деяких яйцеклітин з пересадженим ядром соматичної клітини розвивалися нормальні пуголовки й дорослі особини.
Процес диференціювання клітин обумовлений диференціальною експресією генів, коли відбувається стимуляція активності одних генів і придушення (репресія) інших. Неодночасна активність різних ділянок молекули ДНК була встановлена при вивченні структури політених хромосом зі слинних залоз дрозофіли на різних стадіях її розвитку. Політенні хромосоми характеризуються чергуванням дисків і здуттів, називаних пуфами (від англ, puffs - здуття). Кожному здуттю відповідає деспіралізована ділянка молекули ДНК, на якому здійснюється синтез специфічних молекул м-рнк. Доказом цього служить активне «поглинання» на цій ділянці радіоактивних «мічених» нуклеотидів. Характер і місце утворення пуфов міняються в різні періоди онтогенезу. Кожний диск перетворюється в пуф у певний період життя личинки. Стан здуття на певній ділянці политенной хромосоми оборотно, і при переході личинки в наступну стадію пуф перетворюється в диск.
Про диференціальну експресію генів в онтогенезі свідчить також зміну складу білкових фракцій на різних стадіях розвитку. Так, наприклад, у людини на стадії раннього ембріонального розвитку утворюється гемоглобін F, що складається із двох ланцюгів поліпептидів - а й f, Приблизно з 13-го тижня розвитку починає синтезуватися гемоглобін типу А, характерний для дорослої людини. Він складається з ланцюгів полінуклеотидів А и В. У немовляти 70-80% становить гемоглобін типу F, а 20-30% -типу А. Коли дитина досягає віку одного року, відбувається повна заміна гемоглобіну F гемоглобіном А. Зміна співвідношення типів білків у крові з віком спостерігається також у тварин.
У процесі диференціації клітин і тканин відбуваються необоротні зміни в стані ДНК, хромосом, ядра й цитоплазми, у результаті чого клітина втрачає тотипотентність і, хоча в ній і втримується вся генетична інформація, вона не здатна відновити цілий організм. У процесі диференціювання й функціонування соматичних клітин можуть відбуватися морфологічні зміни хромосом, значна частина яких перебуває в стані гетерохроматина. Порушується процес розподілу клітин. Деякі з них діляться по типі амітозу, інших - ендомітоза. У результаті цього спостерігаються поліплоїдизація, анеуплоїдизація й інші зміни числа хромосом, утворення політенних хромосом. У тварин такого роду розподілу мають місце в клітинах мальпігіевих трубок, кишкового епітелію, у клітинах печінки й інших залоз внутрішньої секреції.
Роль генетичної інформації на початкових стадіях онтогенезу. У тварин у яйцеклітині до запліднення накопичується (у цитоплазмі) велика кількість рибонуклеїнових кислот всіх трьох типів: м-рнк, р-рнк і т-рнк, - які до запліднення перебувають у неактивному стані. Вони з'єднуються зі специфічними белками-гістонами й утворять неактивні гранули инфорсомы: Через кілька хвилин після запліднення частина молекул м-рнк інформосом звільняється від білка, надходить на рибосоми цитоплазми яйцеклітини й починає синтез певних білків, необхідних для початкового розвитку зиготи. Початковий період розвитку зиготи здійснюється під контролем генів материнського організму; м-рнк яйцеклітини забезпечує синтез білків до стадії пізньої бластули. З початку стадії гаструляції й у подальших процесах онтогенезу синтез білка здійснюється під контролем ядерних генів обох батьківських особин. В ембріогенезі жаби синтез м-рнк відновляється після 10 розподілів дроблення, коли зародок складається приблизно з тисячі клітин.
А. А Нейфа обробляв запліднені яйця в'юна променями Рентгена. Дози опромінення були підібрані таким чином, щоб припинити діяльність ядра й нейтралізувати гени в молекулах ДНК. При опроміненні яєць відразу після запліднення або зародка на стадії paнней бластули розвиток його йшло нормально до пізньої бластули, а потім припинялося, і наступала загибель. Отже, розвиток ембріона в цей період визначається PHK, що перебуває в цитоплазмі клітин бластули. Ця материнська м-рнк і р-рнк забезпечують на ранній стадії дроблення зиготи й бластули синтез білків, необхідних для функціонування клітин і розвитку ембріона. Розвиток ембріона припиняється на стадії гасгрули. тому що для початку органогенезу потрібні білки, синтез яких кодується ядерними генами, локалізованими в хромосомах материнської й батьківської особин.
При опроміненні ембріонів у період гаструляції, перед початком органогенезу до навіть і період пізньої бластули розвиток їх припинялося відразу після опромінення.
У деяких випадках спостерігається наявність у цитоплазмі яйцеклітини спеціальних фрагментів активної ДНК. Вони синтезують м-рнк. і кодують синтез специфічних білків у цитоплазмі. В амфібій і риб у цитоплазмі в період дозрівання ооцитів і в яйцеклітинах були виявлені у великий кількості фрагменти молекул ДНК. У період дозрівання яйцеклітин відбувається інтенсивне насичення цитоплазми ДНК, м-рнк. Р-рнк, т-рнк, а також іншими компонентами В дрозофіли 5 фолікулярних клітин, що оточують яйцеклітину, проникають у неї цитоплазматичними виростами й насичують, цитоплазму мітохондріями, ДНК, РНК, білками й іншими компонентами.
Таким чином, ядро зиготи, що утворилося в результаті злиття материнського й батьківського ядер і об'єднання їхньої генетичної інформації, у початковий період розвитку зародка не робить впливу на дроблення зиготи й утворення бластули. Ембріон у цей період розвивається за рахунок РНК і компонентів, що перебувають у цитоплазмі яйцеклітини.
Критичні періоди розвитку. Ембріологи встановили, що онтогенезі, особливо на ранніх стадіях розвитку, спостерігаються періоди, коли найбільше яскраво виражена реакція ембріона на вплив зовнішніх факторів. У ці періоди ембріони чітко ушкоджуються, у них порушуються процеси розвитку органів, що приводить до загибелі ембріонів або до появи каліцтв. Критичні періоди звичайно передують початку відповідного процесу органогенезу. У цей час відповідно до генетичної програми розвитку особини підсилюється синтез відповідних білків, припиняється синтез перед речовин, що прямують, відбувається перебудова обміну речовин клітині. Критичні періоди, як правило, наступають після пізньої бластули, коли подальший розвиток ембріона здійснюється під контролем генетичної інформації обох батьківських особин.
Найбільш вивчені зовнішні фактори, що впливають у критичні періоди на процес онтогенезу в риб, птахів, амфібій, рептилій, трохи менше — у ссавців.
У риб нормальний онтогенез залежить від температури води й змісту в ній кисню, причому в різних видів потреба в цих факторах різний: в'юн менш чутливий до цих факторів, чим форель, лосось, У курей на ембріогенез великий вплив роблять температура й вологість повітря в період інкубації. Ембріони особливо чутливі до даних факторів на 2-3-й доба інкубації, коли відбувається утворення системи кровообігу: на 8-9-і доба - у період інтенсивного морфогенезу - і на 19-і добу, коли відбувається перехід зародка до легеневого типу подиху.
Критичні періоди онтогенезу визначені в хом'яків, морських свинок, кроликів і інших тварин. У великої рогатої худоби спостерігається підвищення ембріональної смертності в перші дні розвитку зиготи, що свідчить про критичний період.
Регуляція синтезу білків в еукаріот у процесі онтогенезу. Процес регуляції синтезу білків, розроблений Ф. Жакобом і Ж. Моно для прокаріот на прикладі Е. coli і получивший назва механізму індукції-репресії, можливий і у вищих організмів. Разом з тим для складно організованих багатоклітинних еукаріот характерна наявність диференційованих органів і тканин, що складаються з вузькоспеціалізованих клітин. У цих клітинах в активному стані перебуває тільки та частина генетичної інформації, що необхідна для синтезу строго певних білків. У диференційованих клітинах інтенсивно синтезуються білки певного складу й функцій, характерних для даного органа й тканини.
Реплікація ДНК. Диференціація клітин визначає і їхня здатність ділитися по типі мітозу, амітозу, ендомітоза. Характер розподілу залежить від здатності ДНК синтезувати білки, що забезпечують реплікацію ДНК і мітотичний цикл. У високодиференційованих клітинах, таких як нейрони, м'язові клітини, реплікація ДНК не відбувається досить тривалий час. Більші інтервали між розподілами мають місце також і клітинах печінки. Разом з тим диференційовані клітини епітелію кишечнику, кісткового мозку досить інтенсивно діляться й проходять повний мітотичний цикл.
Стабільність м-рнк. На відміну від прокаріот, м-рнк в эукариот, особливо в клітинах тварин, відносно стабільна й може тривалий час служити матрицею білкового синтезу, а також зберігатися в цитоплазмі у вигляді информосом. Так, наприклад, у людини тривалість життя ретикулоцитов до перетворення їх в еритроцити дорівнює шести добі. Ядра в них відсутні, але синтез спеціалізованих молекул білка » їх протікає на м-рнк, що утворилися в ядрах на попередній стадії нормобласта, Таким чином, у вищих організмів можливе утворення без'ядерних клітин, які можуть нормально функціонувати за рахунок раніше синтезованих м-рнк. Аналогічно здійснюється синтез білка на раніше синтезованій и-рнк. і в клітинах, що містять неактивні ядра, як, наприклад, в еритроцитах птахів, сперміях і інших диференційованих клітинах. Таким чином, для эукариот Xaftak-терно іноді досить тривале неодночасне протікання процесів транскрипції й трансляції.
Каскадна регуляція активності генів. Вона полягає в тім, що в клітині відбувається одночасне включення або вимикання великої групи генів, локалізованих у різних молекулах ДНК, різних хромосомах. Ця регуляція здійснюється під впливом спеціалізованих досить різноманітних сигнальних речовин, активно синтезованих у клітинах інших тканин і вступників у клітини даної тканини.
Гормональна регуляція. У вищих тварин важливе значення має гормональна регуляція активності генів. Гормони виробляються залозами внутрішньої секреції й активують синтез відповідних білків. Вони можуть мати білкову й небілкову природу, але синтез кожного з них здійснюється під генетичним контролем ДНК. Виділяючись із відповідних залоз у кров, гормони розносяться по всьому організму, вступають у контакт із відповідними клітинами й активують їхні гени. Гормони контролюють багато процесів онтогенезу: ріст, органогенез, морфогенез, метаморфози в комах і амфібій, настання полової зрілості й інші процеси.
Оптимальна кількість гормонів є неодмінною умовою нормального розвитку й існування організму, Недолік одного або декількох гормонів приводить до порушення процесу розвитку, іноді до стерильності особини. Надлишок гормонів порушує процес обміну речовин в організмі, обумовлює ендокринні розлади.
Ряд гормонів впливає безпосередньо на ДНК диференційованих клітин і регулює синтез специфічних білків. Гормони є або індукторами, або супресорами синтезу м-рнк, або змінюють проникність клітинної мембрани для специфічних індукторів синтезу м-рнк.
Гормони можуть приєднуватися до молекул ферментів і змінювати їхню активність. Про активації ферментами генів, що впливають на процеси метаморфоза, свідчать наступні експерименти. У двокрилих комах був виділений спеціальний гормон розвитку. Введення його личинкам сприяло швидкому їхньому перетворенню в лялечки. При додаванні в живильного гормону середовище щитовидної залози пуголовки швидко перетворювалися в жаб, аксолотль - в амблістому.
Прикладом регуляторної діяльності гормону може служити інсулін - найбільш вивчений гормон підшлункової залози. Інсулін - білок, що складається з одного поліпептидного ланцюга, що містить 51 амінокислоту. Завдяки інсуліну в крові підтримується необхідна концентрація глюкози, що має величезне значення в життєдіяльності й розвитку організму. Інсулін регулює роботу генетичного апарата клітин печінки, у яких синтезуються ферменти, необхідні для нормального плину двох протилежних процесів - синтезу глюкози з невуглеводистих речовин і гліколізу глюкози й синтезу з її глікогену. Оптимальна концентрація глюкози в крові підтримується співвідношенням комплексу ферментів двох цих систем.
Інсулін активує оперон, що містить три структурних гени й синтезує ферменти, необхідні для гліколізу й синтезу глікогену. У той же час інсулін є репрессором чотирьох генів іншого оперона, що впливає на синтез глюкози.
Продуктивність різних порід тварин залежить від активності різних гормонів. У м'ясних порід свиней гормон соматостатин активує білковий синтез, необхідний для більше ефективного використання кормів і збільшення живої маси. Особливо великий вплив на регуляцію роботи генетичного апарата клітини робить гормон росту, вироблюваний гіпофізом. Цей гормон є індуктором синтезу білків у багатьох клітинах одночасно. Наприклад при видаленні гіпофіза різко зменшується синтез білків, необхідних для нормального росту.
Наприклад, у білих пацюків при гіпофізектомії вдвічі зменшується синтез білків і кількість полісом у порівнянні з контролем. При введенні цим пацюкам гормону росту синтез м-рнк, р-рнк і білків вертається до норми.
Поряд з добре відомими гормонами в організмі існують і інші високоспеціалізовані індуктори.
Великий вплив на активність відповідних генів роблять цитоплазма диференційованих клітин, а також білки-гістони, У процесі диференціації клітина здобуває здатність реагувати тільки на певні подразники, у результаті чого вона синтезує тільки ті білки, які необхідні для її подальшого функціонування, життєдіяльності й диференціювання. Характерно, що властивість генетичного апарата диференційованої клітини синтезувати специфічні білки клітина зберігає й у наступних клітинних поколіннях. Таким чином, збільшення розмірів тканини за рахунок розподілу клітин не змінює роботу генетичного апарата й диференційовані клітини синтезують ті ж специфічні для даної тканини білки.
Генотип і фенотип. Ген як дискретна одиниця спадковості реалізується в процесі синтезу ферментів або структурних білків. На молекулі ДНК транскрибується мрнк, на якій у цитоплазмі утворяться поліпептидні ланцюги. У посттрансляційний період поліпептиди перетерплюють різні перебудови: з'єднуються один з одним, з молекулами небілкової природи, здобувають вторинну, третинну або четвертинну структуру. Вони беруть участь у розвитку й формуванні органів і ознак, виконуючи специфічні функції ферментів, структурних або транспортних білків. У свою чергу, кожний етап реалізації спадкоємної інформації в процесі біосинтезу контролюється складною ферментативною й регуляторною системою. Результати проведених досліджень свідчать про дискретний характер спадковості, коли характер прояву однієї ознаки контролюється одним, двома або більшим числом генів, локалізованих у певних ділянках молекули ДНК і хромосоми.
Разом з тим генотип не можна розглядати як мозаїку дискретних одиниць -генів. У процесі онтогенезу він проявляє себе як єдина система, що регулює всі процеси розвитку органів і ознак.
Фенотип особини визначається всією сумою індивідуальних ознак, доступних спостереженню або аналізу. Він також має дискретну природу, тому що кожному організму властиві специфічні для нього ознаки. З іншого боку, фенотип являє собою єдине ціле й порушення будови одного органа позначається на життєздатності всього організму. Фенотип особини складається в онтогенезі під контролем генотипу й під впливом умов середовища. В ембріональний період онтогенезу органогенез здійснюється на основі тісного взаємозв'язку процесу закладення й розвитку органів,
Пенетрантність і експресивність генів. Прояв дії гена може мати різний характер, і фенотиповий прояв його може варіювати по ступені виразності ознаки. Той самий ознака може проявлятися або не проявлятися в особин родинних груп. Це явище називається пенетрантністю гена, Пенетрантність визначають по відсотку особин у популяції, у яких даний ген виявився. Якщо він виявиться у всіх обстежених тварин або рослин, то пенетрантність буде становити 100%, якщо в частини особин, то визначають їхній відсоток -80, 76% і т.д.
Експресивність гена характеризує фенотиповий прояв гена по реакції подібних генотипів на конкретні умови зовнішнього середовища. Дія одних генів в онтогенезі може бути більш-менш константним, стійким у своєму прояві або варіювати залежно від зовнішніх умов. Рецесивні гени, які у звичайних умовах у гетерозиготному стані фенотипово не проявляються, можуть виявитися при змінених умовах,
Прикладом експресивності й різного фенотипового прояву гена може служити фарбування хутра в кролика, обумовлена серією множинних аллелей гена С.
Гімалайське фарбування хутра визначається аллелем ch і фенотипово проявляється в білому фарбуванні хутра, але із чорним фарбуванням кінчиків лабетів, вух, носа й хвоста (мал. 46). Фарбування хутра залежить від біохімічних реакцій, що протікають у клітинах шкіри, що контролюють вироблення меланіна, і від температури навколишнього середовища. Кролик, вирощений при температурі вище 30° С, виявляється суцільно білим. Якщо вискубати невелику ділянку білої вовни й систематично його прохолоджувати, то на ньому виросте чорна вовна, Знижена температура впливає на активність генів, що контролюють вироблення певних ферментів.
Важливе період, коли йде процес формування конкретних ознак, властивих даної особини, генотип проявляється у фенотипі як система взаємозалежних генів. У цій системі розвиток однієї ознаки може залежати від взаємодії багатьох генів і один ген може впливати на розвиток і прояв декількох ознак.
Плейотропія. Явище одночасного впливу одного спадкоємного фактора - гена - на кілька ознак називають плейотропією. Плейотропна дія гена може бути як позитивним, так і негативним. Практично завжди при аналізі зв'язків гена й ознаки можна виявити явище значення для характеру прояву генів мають наявність і активність генів-модифікаторів, що визначають ступінь експресивності генів залежно від умов середовища. Особливо чітко плейотропия проявляється при вивченні фенотипических змін ознак, викликуваних мутацією одного гена. У тварин і людини мутація одного гена може обумовити цілий комплекс патологічних змін фенотипу, називаних у медицині синдромами.
У медицині й ветеринарії найбільш вивченими є так звані синдромні й біохімічні плейотропії. При синдромної плейотропії один мутантний ген обумовлює комплекс ушкоджень у процесі раннього ембріонального розвитку. Прикладом синдромно плейотропії може служити рецесивна мутація гена, що кодує фермент галактозо-1-фосфат-уриділ-трансферазу, необхідний дитині для засвоєння молочного цукру. Ця мутація обумовлює захворювання галактоземією і робить плейотропний ефект на комплекс ознак. У хворого проявляються такі пороки розвитку, як слабоумство, сліпота, цироз печінки.
Прикладом біохімічної плейотропії, що послужив моделлю для вивчення складних взаємодій структурних генів і характеру їхнього прояву у фенотипі особини, можуть служити мутації генів, що контролюють метаболізм амінокислот фенілаланіну й тирозину. Порушення цього метаболізму обумовлює патологічні зміни цілої серії ознак у людини й такі захворювання, як фенілкетонурія, алкаптонурія, кретинізм, альбінізм (мал. 47).
Фенілкетонурія - важке спадкоємне захворювання людини. Уперше воно описано в 1934 р., але тільки через 19 років, в 1953 р., було встановлено, що фенілкетонурія є наслідком мутації гена, відповідального за синтез ферменту, що забезпечує гідроліз амінокислоти фенілаланіна й синтез тирозину. Нездатність генотипу виробляти цей фермент приводить до того, що коли надходить з їжею амінокислота фенілаланін, вона накопичується в плазмі крові, а потім - у мозку. Надлишок її визначає плейотропний ефект, що зачіпає патологічний розвиток комплексу ознак, і у хворих дітей розвивається розумова відсталість, а потім і неповноцінність, втрата мови, відсутність координації рухів.
Після того як були встановлені причини фенілкетонурії, розроблені методи діагностики в немовлят і за допомогою спеціальної дієти отримана можливість запобігти цьому захворюванню.
Алкаптонурія проявляється у віці 40 років і більше й характеризується патологічними змінами суглобів кінцівок, хребта, потемнінням сили. Причиною комплексу цих патологій є те, що у хворих у печінці не виробляється фермент оксидаза, необхідний для метаболізму гомогентизинової кислоти. В організмі відбувається її нагромадження, і розвивається важке захворювання.
Тирозіноз - захворювання, обумовлене порушеннями в метаболізмі амінокислоти тирозину. Нагромадження в організмі надлишку даної амінокислоти і її метаболітів обумовлює затримку в розвитку дитини, кретинізм, слабоумство, патологію нирок і печінки.
Причиною альбінізму є не надлишок, як у попередніх випадках, а недолік продукту - меланіну, тому патологія буває виражена в ранньому віці, уже в немовлят. Причиною альбінізму буває втрата організмом здатності синтезувати меланін з тирозину через відсутність ферменту тирозінази. Цей фермент у нормі каталізує утворення пігменту меланіна в клітинах шкіри, волось, райдужної оболонки око. Відсутність його блокує утворення меланіна, і люди народжуються альбіносами,
Корелятивні зв'язки органів. У формуванні фенотипу важливе значення мають корелятивні зв'язки органів і ознак. И. И. Шмальгаузен (1884-1963) виділяв наступні типи корелятивних зв'язків: геномні, морфологічні й функціональні. Геномні зв'язки обумовлені дією генотипу як цілісної системи в процесі онтогенезу. Морфологічні кореляції спадково обумовлені й виникають у результаті передачі речовин або збуджень від однієї частини організму до іншої. Функціональні кореляції є наслідком функціонального зв'язку між органами. И. И. Шмальгаузен уважав, що в онтогенезі особливу роль грають морфогенетичні кореляції, завдяки яким розвиток організму й формування фенотипу здійснюються як єдиний процес. Виявлення корелятивних зв'язків і їхньої ролі в розвитку ознак має важливе значення в генетику й селекції тварин.
Генетичні основи відтворення й довголіття тварин. Відтворення потомства й довголіття обумовлені складними генетичними процесами, здійснюваними на тлі взаємодії організмів з різноманітними факторами середовища.
Під відтворенням тварин розуміють здатність організмів давати повноцінний приплід, обумовлений якістю батьківського покоління. Відтворення й продуктивність є тісно зв'язаними між собою біологічними процесами, на рівень яких впливає стан тварин, їхня спадковість і умови життя.
Інтенсивність відтворення, як і показники продуктивності, входить у комплекс селекційних ознак. В основі селекційного ефекту, що означає підвищення інтенсивності відтворення, лежать умови життя й спадкоємні особливості особин, що розмножуються, і їхніх нащадків. Опираючись на шануй фактори, можна методом селекції досягати підвищення відтворення тварин.
Практичними показниками нормального процесу відтворення тварин у ряді поколінь можуть служити: біологічне й господарське довголіття тварин, запліднюваність самок і спермопродукція самців, пренатальна й постембріональна життєздатність, що супроводжується пристосованістю потомства до умов зовнішнього середовища й елементам технології, здатність тривалий час проявляти високі продуктивні якості при інтенсивному відтворенні. Однак навіть при створенні необхідних умов життя можуть бути зриви й зниження відтворної функції, проявлятися підвищена пренатальна смертність, зниження життєздатності й продуктивності в наступні періоди онтогенезу.
Основу функції відтворення визначають процеси, обумовлені спадковістю тварини, особливостями його генетичного апарата й біосинтезу білкових молекул, зокрема таких, як антитіла, імуноглобуліни, ферменти, антигени, гормони й інші активні біологічні з'єднання, тобто комплекс імунологічних факторів.
Імунологічна обумовленість рівня відтворення. В останні роки встановлено, що в процесах гаметогенезу, запліднення й взаємин між ембріоном і материнським організмом важливу роль грають взаємозв'язку імунної системи самця, самки й ембріона. В основі взаємозв'язків - співвідношення антигенів полових клітин батьків і антитіл материнського організму й зародка.
Антигенними властивостями володіють клітини, тканини й рідини тіла, зокрема клітини насінників і яєчників, секрети додаткових полових залоз самців, клітини молочної залози й половою системи самок, органоїди полових клітин (акросома, ядро, прозора оболонка й ін.). Відповідна реакція на антигени виражається синтезом антитіл, тобто імунною відповіддю
З ініціативи болгарських учених була проведена Перша міжнародна конференція по імунології відтворення, у якій брало участь 40 країн миру. В 1980 р. у Парижі проведений Перший міжнародний конгрес по імунології відтворення.
Імунні процеси, що впливають на відтворення, проявляються на різних рівнях і етапах цієї функцій. У комплекс процесів входять наступні компоненти: а) формування імунних особливостей гамет, що утворяться в процесі спермато- і оогенезу; б) взаємодія імунних систем полових продуктів самця й самки після запліднення й при просуванні сперми в полових шляхах; а) імунні процеси, що відбуваються в період властиво запліднення й утворення зиготи; г) імунні взаємини організму матері й плода в пренатальний період. Кожний із цих компонентів імунного комплексу має свою специфіку, імунну особливість і силу впливу на якість приплоду.
Для виявлення імунних взаємозв'язків антиген - антитіло використають методи реакції преципітації, аглютинації, імунофорезу й ін. Важливе значення в системі біотехнології Здобувають пересадження зигот від самок-донорів до самок реципієнтам, а також при використанні штучного запліднення в умовах in vitro і in vivo.
Імунні розходження вагітної самки й ембріона можуть викликати його відторгнення в матці й загибель. Про ранню загибель можна, певною мірою, судити по подовженню періоду між суміжними половими циклами самки, тому що в яєчнику зберігається жовте тіло після загибелі ембріона й розпаду його тканин. Разом з тим імунні реакції між матір'ю й плодом проявляють не тільки антагоністичні відносини в реакції антиген - антитіло. Цим реакціям належить важлива роль у формотворчих процесах ембріогенезу при закладці органів і тканин. Імунні реакції організму матері стимулюють інтенсивність органогенезу ембріона. Якщо цей вплив послабляється, то відбувається загасання ембріогенезу й загибель ембріона.
Механізм формування толерантності між матір'ю й ембріоном обумовлений взаємодією клітин білої крові. При нормальній вагітності підвищується число лімфоцитів, переважно за рахунок Т-супресорів, які сприяють придушенню відторгнення бластоцист, викликуваного імунною реакцією антигенів ембріона з антитілами матері.
Захист ембріона від антигенів матері обумовлений плацентою. У приматів і гризунів гемохоріальна плацента має імуногенність за рахунок міжклітинного шару ворсинок хоріона. Поразка цього шару ворсинок і ослаблення антигенності амніотичної і алантоїсної рідини підвищують незахищеність ембріона й приводять до його пренатальної загибелі. У великої рогатої худоби, свиней і овець, що має інші типи плаценти, формується потужний анатомічний бар'єр із тканин і рідини плаценти, сильно розвинена кровоносна система послабляє перехід антитіл матері до ембріона.
Плацента, тканини й навколоплідні рідини забезпечують толерантність між матір'ю й плодом при певних зовнішніх умовах і нормальному стані вагітної самки. Вагітність і нормальні пологи викликають істотні зміни в гормональній, імунній і анатомічній структурі матки, порушується нормальна структура ендометрію. Для того щоб полова система самки після пологів підготувалася й прийшла в норму, потрібне значний час (від 30 до 90 днів), що залежить від годівлі, умов змісту, віку самки. Нормалізація гістоструктури матки після пологів у більшості корів може затримуватися, хоча перша овуляція- після пологів наступає раніше, ніж перешикувалося ендометрій, тому передчасне запліднення, тобто в першу овуляцію, хоча й може супроводжуватися заплідненням, але часто приводить до ембріональної смертності.
Імунологічні основи постембріонального розвитку особини. Ефективність відтворення значною мірою залежить від формування імунної системи немовляти. Це насамперед визначається станом матері, тому що при народженні в немовляти не функціонує власна імунна система. Імунні речовини надходять у його організм від матері в ембріональний період і при харчуванні молозивом у перші годинники після народження.
Молозиво містить велика кількість імуноглобулінів, тому при вживанні молозива в першу годину після народження в крові немовляти вже через 1-3 ч з'являються гамма-глобуліни, що виконують захисну роль. У молодняку сільськогосподарських тварин тільки на другому тижні життя починає поступово здійснюватися синтез власних антитіл. Факторами, що стимулюють імунну систему, служить активний рух немовляти, облизування його матір'ю, нормальний температурний режим. Надалі імунна система молодняку стимулюється наявністю в раціоні вітамінів А и В, білків, мікроелементів (заліза, міді, кобальту), які стимулюють синтез імунних речовин і створення фагоцитарної й гуморальної систем захисту організму.
Вплив кариотипових аномалій на відтворення. Підвищення відтворної функції в значній мірі обумовлено станом хромосомного апарата в гаметах самок і самців. Безпосередня оцінка каріотипу яйцеклітин і сперміїв утруднена, тому проводять вивчення каріотипу соматичних клітин, зокрема білих клітин крові, узятих з кісткового мозку або периферичної крові.
Джерела мутагенних факторів. На сучасне тваринництво впливає ряд факторів, що володіють мутагенною дією й викликають кариотипові перебудови на рівні хромосомного апарата й у вигляді точкових генних мутацій.
Джерелами хромосомних і генних мутацій можуть бути підвищена радіація, поширення в повітрі, ґрунті й воді різних речовин у вигляді хімічних покидьків промисловості або хімічних речовин, уживаних у боротьбі зі шкідниками. Реакція тварин на вплив мутагенних речовин.
різна: генетичний апарат деяких особин відрізняється стабільністю, а частина тварин володіє підвищеної мутабельністю.
Конституціональні аномалії каріотипу. вплив, Що Підсилюється, середовища викликає спонтанний тип мутагенезу, що проявляється або у вигляді генних (точкових) мутацій, змінюючи структуру ДНК, або у вигляді геномних мутацій, що змінюють число хромосом убік їхнього збільшення або зменшення в порівнянні з видовою нормою. Порушення в каріотипі може проявлятися й у вигляді хромосомних мутацій, що супроводжуються структурними змінами хромосом.
Якщо перераховані мутаційні зміни в каріотипі, що зачіпають зміну числа або структуру хромосом, проявляються у всіх клітинах організму, то такі аномалії називають конституціональними. Вони формуються в результаті участі в заплідненні гамет батьків, що мають аномалії каріотипу, що приводить до розвитку дефектних зигот. У результаті спонтанного мутагенезу формується конституціональний тип кариотипових аномалій, що викликає різноманітні патологічні процеси, що особливо проявляються в порушенні процесу відтворення. Це приводить до збільшення числа мертвонароджених, абортам, зниженню запліднюючої здатності самців, прохолостам і яловості маткової череди.
Неконституціональні аномалії каріотипу. Спонтанний мутагенез може викликати інший тип аномалій, що називають неконституціональним. У цьому випадку мутаційні аномалії виявляють у клітинах зиготи або в гаметах при мейозі, причому батьки таких особин мають нормальний каріотип. Отже, неконституціональні аномалії - це патологічні процеси, що виникають у каріотипі de novo під впливом мутагенних факторів. Дані аномалії каріотипу становлять більше 95% від числа виявлених хромосомних аномалій і є наслідком мутаційного впливу на гаметогенез самців і самок, або на зиготу, утворену з нормальних гамет батьків. Деяка кількість клітин з аномаліями виявляють у кожної тварини.
Поширеність неконституціональних аномалій каріотипу робить цей шлях порушення в будові хромосом не менш небезпечним для популяції, чим конституціональні аномалії, зустрічальність яких звичайно значно рідше. При цьому з'ясовується, що збиток, нанесений особині неконституціональними аномаліями каріотипу, більшою мірою залежить від материнського організму, чим від батьківського. Причина цього полягає в різній тривалості впливу мутагенних факторів на гамети самок і самців.
Дійсно, ооцит формується в яєчнику самки вже в її ембріональний період, а бере участь у розмноженні тільки в період статевої зрілості самки, тому він тривалий час перебуває під впливом факторів середовища, у тому числі й мутагенних, і ймовірність придбання аномальних перебудов каріотипу також велика. Природного добору аномальних ооцитів не відбувається; вони зберігаються у фолікулах яєчника, і з них формуються неповноцінні зиготи. В ооцитах виявляють до 65% хромосомних аномалій, у тому числі 25% з них представляють гіпоплоїди, які підвищують ризик утворення транслокацій. Відомо й те, що ооцити більше чутливо до мутагенних факторів, чим спермій. Вплив материнського організму на формування аномальних зигот і ембріонів збільшується тим, що в період ембріонального розвитку зигота й плід піддаються дії стресів, що приводять до виникнення каліцтв у нащадка. Самок довше використають у відтворенні, і час впливу на них мутагенних факторів значно більше, ніж на самців.
У самців неконституціональні аномалії, що з'являються в гаметах внаслідок мутагенезу, часто супроводжуються загибеллю патологічних сперміїв, тобто відбувається презиготичний добір.
Інтенсивне використання виробників, що мають аномалії в каріотипі, в умовах великомасштабної селекції й широко застосовуваного штучного запліднення підвищує ризик «засмічення» популяції спадкоємними дефектами геному, зниження відтворної функції й продуктивності потомства.
Виявлення й оцінка кариотипових аномалій у популяціях. Дослідження каріотипів клітин - складний процес. Найбільш зручним об'єктом досліджень є лейкоцити кісткового мозку або периферичної системи. Тканини кісткового мозку культивують у середовищі 199 з додаванням гепарина й колхіцина. Під мікроскопом розглядають клітини в стадії метафази й визначають стан .і число хромосом.
Матеріали, отримані при вивченні каріотипів сільськогосподарських тварин, показали негативний вплив спонтанного мутагенезу на каріотипи тварин; спостерігалося погіршення відтворної функції самців і самок і збільшення ембріональної й постембріональної смертності. Для того щоб знизити цей вплив, необхідна організація системи повсякденного контролю наявності мутагенних речовин у навколишнім середовищі. Одночасно необхідно здійснювати Цитогенетичний контроль каріотипів у племінних виробників, маткового складу й племінного молодняку. Збір даних цитогенетичного тестування племінних тварин утворить систему моніторингу, тобто постійний масовий потік інформації з кариотипуванню поголів'я. Отримані дані повинні піддаватися аналізу на ЕОМ з моделюванням процесів племінної роботи з усунення кариотипових аномалій у популяціях племінного поголів'я. В аналізі зібраних даних варто застосовувати математичні методи, що дозволяють визначити міру ризику поширення аномалій каріотипу й шляхи його подолання.
Генетичні основи довголіття й биотехнологічні методи інтенсивного відтворення тварин. Відтворення як життєзабезпечуючий процес індивідуума й популяції не зводиться тільки до одержання й збереження приплоду. Усе більше важливого значення набуває біологічне й господарське довголіття сільськогосподарських тварин. Довголіття тварин має видову обумовленість.
Біологічне довголіття - це тривалість життя, що перериває природною смертю. Максимум біологічного довголіття в коней 60-67 років, у корів 36 років, в овець До 20 років, у свиней до 16 років. Для оцінки сільськогосподарських тварин застосовують термін «господарське довголіття», коли тривалість використання тварини визначається його здатністю зберігати економічно вигідний рівень продуктивності й нормальну функцію розмноження. Дослідження показали, що довголіття обумовлене спадковістю, а не тільки умовами життя.
Збільшення періоду господарського довголіття має важливе економічне значення. Наприклад, за даними А. И. Кириловій (1983), довголіття в корів айрширської породи в господарстві кінного заводу № 1 Московської області супроводжується збереженням високої молочності й відтворної функції. У середньому по череді від кожної корови отримане по 7,5 теляти при наявності 7,5% двійневих отелень, що підвищувало коефіцієнт розмноження.
Довголіття тварин спадково обумовлене й може сполучатися з високою молочною продуктивністю й інтенсивною відтворною функцією, тому в селекційній роботі можна відповідним підбором підвищити довголіття й тим самим поліпшити економічний ефект галузі.
Материнський ефект впливу матері-реципієнта на трансплантованого нащадка. Питання про взаємозв'язок плода й вагітної самки не обмежується тільки ія імунними взаємодіями. У зоотехнії й біології тривалий час розглядається так званий «материнський ефект», тобто вплив вагітної самки, її спадковості й загального стану на спадковість і фенотип потомства; це проявляється при віддаленій гібридизації.
Спеціальні досвіди Хеммонда по схрещуванню контрастних порід коня-ваговоза й поні - установили, що якість потомства розрізняється залежно від того, якої породи була мати. Якщо мати - кобила-ваговоз, а батько - поні, то потомство ухиляється по ряду зовнішніх ознак (розмір, живаючи маса) у бік породи матері. При зворотному (реципрокному) підборі, коли мати - поні, а батько - ваговоз, нащадок також ухилявся в бік материнської породи. Здавна такий переважний вплив материнського організму на якість приплоду спостерігалося й при схрещуванні кобили з ослом, коли одержували нащадка - мула, а від ослиці з жеребцем - лошака.
Питання про вплив матері-реципієнта на трансплантант дотепер не з'ясований досить повно. Спостереження на вівцях, проведені в Інституті експериментальної біології Казахської РСР, показали, що основні зовнішні ознаки тонкорунних ягнят-трансплантантів зберегли ознаки тонкорунної породи матерів-донорів і не прийняли ознак овець-реципієнтів каракульської породи. Однак шерстний покрив ягнят-трансплантантів помітно відрізнявся від контрольних ягнят.
У трансплантантів відмічене ослаблення звивистості шерстинок, деяке огрубіння вовни, збільшення довжини шерстинок, деяка рідкість вовни, зменшення жиропотности, що могло бути отримане від матері-реципієнта.
Факт «материнського впливу» був отриманий при міжпородних пересадженнях зигот від овець-донорів казахської тонкорунної породи до овець-реципієнтів едильбаєвськой породи, конституційно міцним і пристосованим до місцевих умов. Ягнята-трансплантанти в цьому варіанті були більшими, чим контрольні ягнята казахської тонкорунної породи, в однорічному віці в них краще був шерстний покрив, довше вовна, більший настриг вовни, пристосованість до екстремальних умов клімату,
При використанні биотехнологічного прийому трансплантації необхідно враховувати можливий вплив реципієнта на якість трансплантованого матеріалу, що може формувати як позитивні, так і деякі небажані якості в приплоду.
Генетика людини. Людина є найбільш бажаним і найменш доступним об’єктом уваги генетики. Каріотип людини складають 23 парні хромосоми, що визначають переважну частину спадкової інформації, а також геновмісні структури цитоплазми клітин. Вивчення генетики людини ускладнюється через те, що вона не може бути прямим об'єктом експерименту. Однак результати тривалих спостережень за фактичними даними про розвиток потомків представників різних націй, соціальних прошарків, порівняння їх з предками та представниками інших соціальних, етнічних та інших груп людей дають змогу робити узагальнення і висновки щодо закономірностей успадкування різних ознак у людей, механізму їх передачі наступним поколінням, а також дозволяє робити досить точні прогнози щодо майбутніх поколінь: їх стану здоров’я, інтелектуальних можливостей тощо. Отже, дані цього розділу генетики мають дуже велике значення, особливо для медицини. Ці дані можна одержати такими методами, як генеалогічний метод, метод аналізу однояйцевих близнюків, популяційний метод та ін.
Цитогенетичні методи направлені на вивчення мутаційних змін, які трапляються в хромосомному апараті окремої людини. Для цього лейкоцити периферичної крові людини розмножують на поживному середовищі в чашках Петрі. Розмножені клітини обробляють методами диференціального забарвлення хромосом, що дозволяє ідентифікувати хромосоми відповідної особини. Вивчення ж метафазних і анафазних клітин цих самих препаратів дозволяє виявити й ідентифікувати хромосомні мутації. Крім того, урахувавши число хромосом у метафазних клітинах, можна прогнозувати спадкові хвороби. Таким чином, за допомогою цитогенетичних методів одержують досить багату інформацію про стан хромосомно-апарату людини.
До цитогенетичних методів частково можна віднести метод пренатальної діагностики. Цей метод, не завдаючи шкоди ні матері, ні ембріону, дозволяє вже в перші тижні вагітності визначити більше 100 хромосомних аномалій та біохімічних мутацій, які можуть проявитись у спадкових структурах ембріона. Для проведення дослідження за допомогою шприца з матки витягують біля 10-15 навколоплідної рідини. Це так звана амніотична рідина, в якій містяться клітини ембріона. Шляхом прифугування виділяють фракцію клітин, які розмножують на поживному середовищі для цитоаналізу, решту рідини аналізують на вміст та співвідношення різних метаболітів.
До цитогенетичних методів відноситься й аналіз статевого хроматину. В 1949 р. М.Бар і Л.Бертрам тили в ядрах нервових клітин кішок забарвлені тільця, яких не було в ядрах клітин котів. Згодом з'ясуюся, що це явище характерне для клітин усіх інших видів тварин. Оскільки наявність тілець характерна для самців або самок, ці тільця дістали назву статевого хроматину тілець Бара. Було встановлено, що в аномальному ХО-каріотипі жінок з синдромом Тернера статевий хроматин відсутній. Разом з цим він з’являється в чоловіків, хворих на синдром Кляйнфельтера, в клітинах яких містяться зайві статеві хромосоми. В клітинах людей із зайвими статевими хромосомами кількість тілець Бара дорівнює кількості Х-хромосом мінус одна хромосома. Наприклад, у чоловіків (або жінок) з ХХУ-каріотипом у клітин міститься одне тільце Бара, з ХХХУ-каріотипом — два, з ХХХХУ-каріотипом — три.
Вважають, що статевий хроматин утворюється за рахунок спіралізації і переходу в гетерохроматино-і функціонально неактивний стан зайвих Х-хромосом. Це пояснюється необхідністю компенсації дози ферментів, оскільки в людини (як і в інших ссавців) особини чоловічої статі мають лише одну Х-хромосому на 3 набори аутосом, тимчасом як у каріотипах жінок на два набори аутосом припадає дві Х-хромосоми.
Аналіз статевого хроматину дозволяє визначити стать ембріона задовго до його статевої диференціації, діагностувати стан здоров'я жінок, визначати кількість Х-хромосом, що входять до складу мотилів статеве аномальних індивідуумів.
У культурах клітин людини за допомогою цитоаналізу ефективно визначають хромосоми, до груп зчеплення яких належать певні гени. Цього досягають шляхом гібридизації клітин людини з клітинами тварин, наприклад мишей. У процесі розмноження гібридних клітин на поживних середовищах, виділяють клітини, в яких втрачені певні хромосоми. Методами електрофорезу, біохімічного аналізу тощо встановлюють, які метаболіти зникли внаслідок втрати тієї чи іншої хромосоми. А це означає, що гени, які відповідають за синтез цих метаболітів, мають локалізуватись у даній хромосомі.
Генеалогічний метод (від грец. genealogia— родовід) передбачає аналіз відомостей про попередні покоління індивідуума, тобто про його походження. Такі дані мають велике значення в селекції рослин і тварин, а також в медичній діагностиці та консультації з проблем стану здоров'я людини.
Так, склавши родовід мовної людини і знаючи хвороби, на які страждали його предки, родовід успадковування тієї та іншої хвороби, наприклад фенілкетонурії. Зі схем видно, що один із синів зовнішньо здорових батьків хворіє на фенілкетонурію. Здорова дочка цього сина вступає в шлюб зі своїм також здоровим двоюрідним братом. У шлюбі в них народилося семеро дітей, з яких дві виявились хворими на фенілкетонурію. Аналіз даного родоводу показав, що насправді батьки цих дітей і частина їхніх нащадків є гетерозиготними за рецесивно-мутантним геном фенілкетонурії. Як відомо, споріднені шлюби спричиняються до переходу в гомозиготний стан рецесивних мутант-с генів, що й підтвердилося в даному випадку (рис. XXII.2). Оскільки такі гени ходять до складу генетичного тягаря особини, від близько споріднених шлюбів нерідко народжуються діти, які успадковують приховані хвороби своїх батьків.
Метод близнюків. Статистичні дані показують, що в різних країнах світу частота народження близнюків коливається в межах 0,5-1,5% від всіх дітонароджень, або в середньому становить 1%. З них приблизно четверту частину складають однояйцеві близнюки (ОБ), а решта є різнояйцевими близнюками . Так, в 30-х pp. XX ст. в Німеччині на кожних 85 дітонароджень одне було з близнюками, тобто з усіх знароджень 1,1% було представлено близнюками, в тому числі 0,29% — однояйцевими.
РБ виникають унаслідок утворення двох чи більше яйцеклітин і запліднення кожної з них окремим сперматозоїдом, а ОБ — внаслідок роз'єднання бластомерів, які утворились у процесі першого або другого дроблення єдиної в матці зиготи. Якщо розвиток ембріонів започаткують роз'єднані еластомерів, то народяться однояйцеві близнюки. Отже, РБ, як і звичайні сибси, представлені різними генотипами, ОБ — ідентичними. РБ бувають і різностатеві і одностатеві, а ОБ —тільки одностатеві.
Цінність ОБ у генетичних дослідженнях полягає в тому, що саме шляхом порівняння закономірностей їхнього росту і розвитку в неоднакових умовах можна з'ясувати відносну роль генотипу й середовища у фенотиповій реалізації генетичної програми. Якщо одна певна ознака проявляється однаково ОБ, то має місце конкордантність (узгодженість). Якщо ж ознака проявляється лише в одного з має місце дисконкордантність, тобто несхожість, між близнюками за якою-небудь ознакою.
Порівняння значень ознак у кожної пари близнюків дає можливість обчислити середню конкордантність цих ознак в ОБ та РБ. А це, в свою чергу, дозволяє обчислити частку спадковості, як участь у формуванні ознак.
За значеннями конкордантності певних ознак, вирахуваних за наведеною фopмулою легко обчислити частку спадковості, яка бере участь у формуванні цих ознак у процесі реалізації генетичної Інформації, і виходячи з цього зробити висновки про генетичну детермінацію й модифікаційну мінливість ознак. Такі дані використовують у медичній генетиці, селекції, біотехнології.
Популяційний метод дозволяє одержати інформацію про частоту виявлення окремих мутантна; у популяціях людини, про ступінь гетерозиготності популяцій за певними генами. За допомогою цього методу досконало аналізуються популяції за генами, котрі характеризуються певною пенетрантністю прояву гена), яку визначають за кількістю особин (у межах споріднених груп організмів), у яки являється ознака, контрольована даним геном). Наприклад, аналіз концентрації алельних генів груп системи (АВО), які визначаються різними алельними станами гена І. Цей ген рецесивний відносне алеломорфів І* та Ів, Умовно кров типу І" відносять до І групи, І* — до II, І" — до III, а кров гетерозиготного типу — до IV групи. (Для спрощення символ І часто опускають користуючись лише індексацією І -АВО).
Було встановлено, що люди з різними групами крові мають неоднакову імунну стійкість до різних хвороб. Наприклад, люди з II групою крові менш стійкі до віспи, ніж люди з іншими груми крові і вони схильні до захворювання на рак шлунку, а люди з І групи частіше хворіють на язву дванадцятипалої кишки і менш стійкі до чуми тощо.
Жителі різних географічних регіонів характеризуються своїми певними частотами груп крові. Тому за цією ознакою простежують шляхи міграції людей на Землі. Наприклад, за збігом частот груп крові вважають, що полінезійці походять з Західної Канади, угорські цигани — з Індії, а шведи — від західноєвропейських, східноєвропейських та лапландських популяцій людини.
Популяційним методом вивчають адаптивну роль мутацій у різних природно-кліматичних зонах Землі. Наприклад, темна пігментація шкіри захищає клітини поверхні організмів від мутагенної дії ультрафіолетових променів; особини стрункої високої статури легко віддають тепло і добре пристосовані до жаркого клімату, а товсті, низькі — добре зберігають тепло, що вигідно для жителів холодних країн.
Мутантна мінливість у популяціях людини характеризується появою не тільки адаптивних або адаптивне нейтральних мутацій, але і шкідливих рецесивних мутацій, які, прикриваючись своїми нормальними алеломорфами, складають генетичний тягар у генотипах популяцій людини.
Отже, як бачимо, вчені розробили ряд коректних методів вивчення генетики людини, які не принизить її людську гідність.
2. Поки що немає єдиної думки про кількість генів у геномі людини. Вважають, що їх може бути до 100 000. Досить авторитетний російський генетик М.П.Дубінін називає, як найбільш реальне число приблизно 100 000 генів на геном.
Раніше зазначалось, що майже четверта частина всіх зачать у людини спонтанно абортується на их, але особливо на ранніх стадіях ембріонального розвитку. Крім того, 4% народжених дітей виявиться генетичне дефективними. Таким чином, майже 29% зигот, які утворюються в процесі розмноженя людини, мають генетичні дефекти, обумовлені впливом генетичного тягаря.
В людини, які в інших видів організмів, вроджені дефекти спричинені генними й хромосомними мутаціями. Дані, одержані на рослинах та лабораторних тваринах (дрозофіли, миші, пацюки, кролики, мавпи) свідчать, що загальна сукупність усіх спадкових змін, які спонтанно виникають в генотипах організмів, уставлена приблизно половиною генних І половиною хромосомних мутацій. При цьому переважна більшість генних та хромосомних мутацій носить летальний та напівлетальний характер. Разом з цим мутантні особини, що народились з генетичними дефектами, мають різноманітні розлади здоров'я. В
нерідко трапляються досить важкі хвороби, котрі спричиняють порушення обміну речовин в організмі, деформації у процесі ембріонального розвитку тощо. Як наслідок переважна більшість генетичне деструктивних зигот абортується, а менша частина їх започатковує розвиток з аномальним формуванням окремих ознак або цілих комплексів їх. І
У значної частини дітей, що народилися з генетичними аномаліями, порушене число хромосом, кращого розуміння цих явищ розглянемо морфологію каріотипу людини.
Обстеження каріотипу розумове відсталого хлопчика віком 2,5 роки, в якого проявились флексс-контрактура пальців та поперечна складка на долоні, показало, що в групі С-хромосом у нього міститься зайва хромосома. Це означає, що в клітинах його організму якась із 6-12-ї хромосом представлений трьома гомологами замість очікуваних двох гомологів. Отже трисомія по одній з С-хромосом обумовлює аномальний розвиток ембріона.
В популяціях людини з частотою 1 /14500 трапляються хворі на синдром Д1. Через трисомію по одній з хромосом групи Д в дітей формуються роздвоєні верхня губа та піднебіння, природжена глухота.
Трисомією в групі хромосом Е — а насправді по 18-й хромосомі — обумовлений синдром Е,. Хворі ким синдромом характеризуються низько розміщеними деформованими вухами, аномальним розвитком кистей рук та ступень ніг, відхиленнями в будові внутрішніх органів тощо.
У популяціях людини з досить високою частотою (в середньому 2,5 на кожну 1000 новонароджених), ляються діти з хворобою Дауна. Ця хвороба у 94% випадків обумовлюється трисоміею по 21-й хро-омі, а в 6% — транслокаціями або іншими перебудовами хромосом. Із загальної сукупності особин з хворобою Дауна 75% — імбецильні (недоумкуваті), 20% — мають ідіотію і в 5% проявляється дебільність розумове недорозвинення).
Аналогічні аномалії в процесі ембріогенезу розвиваються й особин, гомозиготних за хромосомними перебудовами. Наприклад, делеція в одній з хромосом групи В обумовлює синдром котячого крику. Реципрокна транслокація між двома хромосомами групи С та групи Д, виявлена при обстеженні 7-річного хлопчика спричинила формування сплюснутого носа, невеликого епікантуса, косоокості, м'язової атрофії, затримки розумового розвитку та інших дефектів. Аномалії у формуванні фенотипових ознак обличчя і голови, а також затримка росту і розвитку, дефекти у формуванні внутрішніх органів тощо, обумовиться інверсіями.
Вище вже відзначалося, що порушення балансу статевих хромосом також обумовлює аномалії розвитку. Хворі бувають досить низького зросту, безплідні, з порушеннями розвитку первинних та вторинних статевих ознак, в них проявляються аномалії у розвитку різних відділів кісток та розумова відсталість. В разі зайвих Х-хромосом за наявності У-хромосоми (наприклад, у каріот ХХУ, ХХХУ, ХХУУ, ХХХХУ) розвивається синдром Клайнфельтера. Ці хворі характеризує відсутністю сперматогенезу, справжньою пнекомастією, підвищеним виділенням із сечею фолікулостимулюючого гормону, євнухоподібністю тощо.
Потужним джерелом спадкових хвороб є генні мутації. Як і хромосомні мутації, вони спричиняють порушення обміну речовин, аномалій у формуванні фенотимових ознак тощо. Як приклад наведено фотографію І рентгенограму кисті руки, формування якої відбувалось під впливом домінантної мутації брахідактилії.
Деякі домінантні та рецесивні мутантні гени обумовлюють важкі спадкові хвороби. Підсумовуючи викладене, можна зробити висновок, що відкриття хромосомної та генної патології мас величезне значення для охорони здоров'я, оскільки розроблені методи вивчення цитогенетики людини дають змогу безпомилково ставити діагноз спадкових хвороб. Крім того, знаючи механізми виникнення, можна природжених каліцтв, потворностей, дефектів розвитку, порушень в обміні речовин тощо можна ефективніше розробляти засоби їх лікування. Медична генетика покликана вирішувати зазначені проблеми.
Лекція 8.
Тема: «Генетика популяцій та медична генетика»
Питання:
Кожний таксономічний вид тваринних, рослинних та мікроорганізмів розділяється на складові частини — популяції. Нагадаємо, що термін "популяція" (від лат. populus - народ) означає сукупність певного виду організмів, які здатні до вільного схрещування, населяють певну територію і деякою ізольовані зід сусідніх популяцій. Спостереження показали, що особини кожної з популяцій організмів виявляються дуже добре пристосованими до умов зовнішнього середовища тієї прир кліматичної зони, яку вони заселяють. Таку зону називають ареалом розповсюдження популяції.
Встановлено, що в межах будь-якого таксономічного виду організмів не існує двох популяцій, коних за своїми генотипоеими та фенотиповими характеристиками. Цей факт пояснюється мінлі умов зовнішнього середовища в ареалах, де під впливом природного добору формуються генотиі фенотипові параметри відповідних популяцій. Зайнявши певний ареал розповсюдження, особин входять до складу даної популяції, освоюють простір цього ареалу, створюючи власну екологічну нішу. Створення власних екологічних ніш сприяє виникненню ізоляції між популяціями виду. Механізми бувають досить різноманітними. Наприклад, біологічні форми ізоляції обумовлені мутаціями генів, які обмежують можливості панміксії. Це мутації, які зміщують терміни дозрівання пилку відносно зародкових мішків; мутації гаметофітної несумісності, за якої пилок втрачає здатність проростати пилковими тромбами в тканинах маточки; мутації несумісності гамет; нездатність утворених гібридів до відтворення у них нащадків тощо. Крім того, існує територіально-географічна, або просторова, ізоляція, за якої види роз'єднанні, скажімо, гірськими хребтами, водними перепонами тощо. Ізоляція може здійснюватись також за допомогою часу. Наприклад, личинка хруща росте в грунті протягом трьох років, і на четвертий рік на поверхню виходять жуки, які спарюються і відкладають у грунт яйця. Отже, у тому ж ареалі розповсюдження існують чотири популяції хрущів, розділених між собою часом.
Ще у 1926 p. С. Четвериков показав, що в генотипах популяцій еукаріотів під дією спонтанног тагенезу та природного добору безперестанно накопичуються рецесивні мутації. "Ховаючись" за алелями дикого типу, ці мутації не спричиняють до раптових змін у фенотипових характеристиках ляцій. Внаслідок цього генотипи популяцій виявляються високогетерогенними. Вони утворюють ск генетичні системи. В межах цих систем відбувається протистояння двох протилежно діючих прої спонтанного мутагенезу, який є єдиним джерелом усіх форм генотипової та фенотипової мінливості; природного добору, який має тенденцію до вирівнювання фенотипових змін ознак, котрі виникають у популяціях під впливом спонтанного мутагенезу та рекомбінації мутантних генів у складі генотипів популяції.
Найхарактернішою рисою популяцій є їхня постійна спадкова гетерогенність та внутрішня генетична єдність. Така єдність проявляється в здатності особин будь-якої популяції до панміксії в межах своєї сукупності. Здатність до панміксії систематично відновлює високу гетерогенність і генотипову пластику популяцій у пристосувальному плані.
В просторі і в часі популяція виступає у ролі цілісної генетичної системи, здатної спадковості заховатись у поколіннях, пристосовуючись до певних умов середовища. При цьому будь-які спадкові зміни генетичній системі популяції можуть розглядатись як елементи еволюційних подій. Отже популяції характеризуються рядом описаних ознак, які надають їм рангу елементарних еволюційних одиниць. Зауважимо, що елементарною еволюційною одиницею не може бути окремий організм, бо з віком він гине функцію не можуть виконувати лінії, біотипи, підвиди або види, оскільки вони не мають рангу елементарної еволюційної одиниці.
З викладеного вище випливає, що популяція — це найменша самовідновлювальна сукупністі ганізмів виду з самостійною генетичною системою, котра заселяє територію певної природно-штучної зони, утворюючи на ній свою екологічну нішу.
Якщо розглядати окремий таксономічний вид, то між його популяціями панміксія, або вільне існування, пригнічується механізмами ізоляції. Але оскільки частоти мутування генів напрямки природного добору в різних популяціях не збігаються, то й за генетичною конституцією кожна з них відрізняється від усіх інших. Отже, ізоляція є першопричиною різних напрямків генетичного розвитку популяцій і дивергенції (розходження ознаку організмів однієї систематичної групи в процесі еволюції). Саме дивергенція в популяціях приводить до виникнення нових видів. Все описане вище дає підстави вважати п ляції функціональними еволюційними одиницями.
Закон Харді-Вайнберга. Відомо, що в рослинному світі є чимало видів, які розмножуються шляхом самозапліднення спорідненого запліднення. Разом з тим з дослідів Г.Менделя (1866) відомо, що споріднене розмножі обумовлює активний перехід генів з гетерозиготного в гомозиготний стан. Нагадаємо, що схрещування між гетерозиготами однакового генотипу вже в першому поколінні обумовлює народження половини мозиготних і половини гетерозиготних нащадків по відповідній парі алельних генів, У другому поколінні гетерозигот залишається лише одна четверта частина всіх нащадків, в третьому — восьма частина і так далі. Звідси легко зрозуміти, що частоту гетерозигот у сукупності нащадків n-ного покоління можна вирахувати за формулою 1/2", де п — номер покоління нащадків, які походять від гетерозиготних особин. Таким чином, споріднене розмноження протягом тривалого часу наближує частоту гетерозиготних особин серед нащадків гібрида до зникаюче малих розмірів. Наприклад, серед нащадків від споріднено-множення особин, за даними М.П.Дубиніна (1986), за Н кількість генів генотипу оцінюється в 10 000 одиниць, а в гаплоїдному наборі хромосом статевої й людини, за оцінкою О.А.Прокоф'євої-Бельговської (1969), локалізовано понад 300 000 генів. За іншими даними кількість генів у геномі людини біля 30 000. Всі ці гени у складі генотипу кожної клітини організму здатні мутувати, вони можуть по-різному перекомбіновуватись і створювати безліч генетичних комбінацій з іншими неалельними генами. Однак при спорідненому розмноженні всі ці гени досить часто переходять із гетерозиготного в гомозиготний стан, після чого стабільно успадковуються в поколіннях до нового мутування та комбінування.
Оскільки спонтанне мутування кожного гена відбувається в поколіннях безперестанно, з певною часі, то в генотипах популяцій організмів завжди існують домінантні й рецесивні алельні гени. Залежно від адаптивної цінності рецесивних мутацій, темпів перекомбінації їх з іншими генами генотипу та у природного добору співвідношення домінантних та рецесивних генів можуть змінюватись у іннях.
Безперервні процеси виникнення нових комбінацій генів у популяціях зовсім не означають безладдя мінливості ознак особин, які входять до складу популяцій. Навпаки, в генотипах цих популяцій створюється певний стан рівноваги між сумами домінантних і рецесивних генів. У 1908 р. англійський вчений Харді і незалежно від нього німецький вчений В.Вайнберг знайшли, що стан рівноваги між відношенням домінантних і рецесивних генів залишається незмінним у поколіннях за відсутності тиску на генотип популяції процесів спонтанного мутування генів, природного добору, міграції генетичного матеріалу.
І хоча в природі таких ідеальних популяцій не існує, але встановлені для них закономірності піддаються чіткому статистичному аналізу.
Припустимо, в особин будь-якої популяції встановлена наявність гена А, який проявляється в домінантному та рецесивному станах. Очевидно, що сума всіх екземплярів А-домінантних та а-рецесивних генів, які входять до складу популяції, складає одиницю, або 100%, тобто
U + І а= 1 =1 і=1
Розглядаючи відміни у фенотиповому прояві домінантного та рецесивного А- і а-генів, можна зробтти висновок, що до складу популяції мають входити особини АА-, Аа- та аа-генотипів. Проте співвідношення частот цих генотипів у складі популяції можуть бути досить різними. Наприклад, у сукупності гетерозиготних за А-геном особин до складу їхніх Аа-генотипів входить 50% домінантного А- та 50% рецесивного а-генів. Розмноження особин цієї сукупності може відбуватись лише за такою схемою: Аа х Аа => АА + 2Аа + аа .
З наведеної схеми видно, що хоч в генотипах нащадків змінились комбінації домінантного та рецесивного А-генів, але (і це легко підрахувати) сумарна кількість домінантних А- і рецесивних а-генів залишились рівновеликою. Фактично в новому поколінні збереглось вихідне співвідношення домінантного цесивного алельних генів. Все це дає підстави записати, що
АА + 2Аа + аа = 1, або А2 + 2Аа + а2 = 1.
Зрозуміло, що аналогічне рівняння можна написати для будь-якого гена. Тому будь-який домінантний ген умовимося позначати через Р, а його рецесивний алель— через q. Це дає можливість вивести узагальнену формулу такого вигляду: Р2 + 2Pq + q2 = 1.
Ця формула і є формулою закону Харді-Вайнберга, який формулюється так: в теоретично можливій іктичній популяції, всі особини якої не зазнають впливу процесів мутагенезу, дії добору та міграцій і зберігають здатність до вільного розмноження, співвідношення частот домінантних і рецесивних алельних генів залишається незмінним у ряду наступних поколінь.
Незважаючи на те, що в природі ідеальних популяцій не існує, відкритий для таких популяцій закон зажливе значення в плані наукового пізнання. За рівнянням закону Харді-Вайнберга легко визначити структуру генотипу певної сукупності організмів за домінантними та рецесивними алельними генами. Наприклад, серед багатьох спадкових хвороб людини є хвороба Менкеса. У хворих на неї сеча має запах сиропу, що обумовлено порушенням амінокислотного обміну в організмі. У таких хворих уражена функція нервової системи. Хвороба Менкеса успадковується за аутосомно-рецесивним типом. Виявляється в середньому в одного з кожних 50 000 чоловік. З'ясувалось, що за допомогою формули закону Харді-Вайнберга можна визначити структуру генотипів обстеженої сукупності людей з наявністю відповідного мутантного гена. Якщо умовно позначити рецесивний мутантний ген хвороби Менкес через а, а домінантний алель через А, то, спираючись на формулу Харді-Вайнберга, можна записати:
PSAA + 2PqAa+ qjaa= I
або ж Аг + 2Аа + а'' = 1
З 50 000 чоловік лише один виявляється гомозиготним за рецесивним а-геном. Тому можна записати: аа = а' = 1/50000. Звідси
а = V1/50000 = 1/224.
Неважко зрозуміти, що в даній сукупності людей частота нормального, немутантного гена має
1/224 = 223/224, а частота гетерозигот — 2Аа = 2 х 223/224 х 1/224. Виконавши відповідні розрахунки, знаходимо, що в обмеженій сукупності людей на гомозиготи за нормальним, домінантним станом припадає 99,109%, на гомозиготи за мутантним геном — 0,002%, на гетерозиготи — 0,889%.
Проведені розрахунки показали, що частота особин, які хворіють на хворобу Менкеса досить незначна, всього 0,002%. Але частота гетерозигот 0,89% є істотною, а отже, нею не можна нехтувати. Таким способом можна обрахувати структуру генотипів обстеженої сукупності організмів виду за вмістом гомозигот та гетерозигот за будь-якою парою алельних генів. Знаючи частоту гетерозигот по певному аутосомному гену, дослідник може прогнозувати ймовірність шлюбних зустрічей та народження гомозиготних за мутантним геном нащадків. Наприклад, у сукупності людей виявлено 1,43% гетерозигот за мутацією альбінізму. Ймовірність зустрічі в шлюбі двох гетерозиготних особин дорівнює добуткові цих гетерозигот. Оскільки ген альбінізму рецесивний, то в такого подружжя очікується лише 1/44 дітей, які будуть гомозиготними альбіносами.
Проведені розрахунки показали, що ймовірність зустрічі двох гетерозигот за геном альбіній новить 0,02%, а ймовірність народження альбіноса у відповідній сукупності людей — 0,005%.
Неалельні гени у панміктичних популяціях. Вище було розглянуто характер закономірностей успадкування окремих пар алельних генів згідно із законом Харді-Вайнберга. Проте генотип кожної панміктичної популяції є гетерогенним. Це означає, що у складі генотипів особин популяцій кожний ген може бути представлений будь-якими одиницями зі своїх множинних Алеломорфів. Гетерогенність у поєднанні з панміксією є механізмом забезпеченню герозиготності популяцій за безліччю неалельних генів, котрі вільно комбінуються між собою в процесі розмноження. Так, якщо популяція дигетерозиготна за АВ-генами, то комбінативна мінливість наступного покоління за цими генами буде визначатись:
(Р'АА + 2PqAa+ q'aa) х (Р'ВВ + 2PqBe + q'^s).
Наприклад, в експедиції зібрано 3200 рослин гороху. При вивченні фенотипових ознак виявил що 307 рослин мають листя з вусиками, а 128 особин без вусиків. За ознакою форми насіння в 64 особин воно було гладеньке, а в 32 особин — зморшкувате. У попередніх спостереженнях встанові що наявність вусиків на листях та гладеньке насіння проявляються як домінантні, а відсутність вусиків зморшкувате насіння — як рецесивні ознаки. Ознаку наявність-відсутність вусиків позначили символ А-а, а гладеньке-зморшкувате насіння — В-в. Згідно з законом Харді-Вайнберга частота АА-генотипів зібраних особин гороху становила 64%, гетерозиготних Аа-генотипів — 32% і рецесивних аа-генотипів — 4%. Аналогічне обчислення частот було зроблено і для В-в-генів. Вписавши ці частоти у формулу закону Харді-Вайнберга, можна визначити, з якими частотами мають з'явитись нащадки з різними комбінаціями А-а-і В-в-генів: (0.64АА +- 0,32Аа + 0,04аа) х (0.81ВВ + 0,18Ва + 0,01вв) -»0,5184ААВІ + 0,1152ААВв + 0,0064ААвв + 0,2592АаВВ + 0,0576АаВв + 0,0032Аавв + 0,0324ааВВ + 0,0072ааВ + 0,0004аавв.
Аналогічні розрахунки можна провести для гетерозиготних популяцій з трьох, чотирьох, п'яти генів тощо.
Аналіз комбінативної мінливості в генотипах особин панміктичних популяцій показує, що за кількі фенотипоаих груп та генотипових комбінацій нащадків вона підпорядковується другому і третьому законам Менделя, Справді, з наведених розрахунків видно, що від зібраних 3200 рослин гороху (за умови їхньої однакової плодючості), мало б народитися 9 груп нащадків, кожна з яких характеризувалася б ше їй властивою комбінацією АВ-генів. Ці гєнотипово різноманітні 9 груп нащадків за фенотипом p поділу згруповуються в 4 групи, а саме:
0,9504А_В_+ 0,0396ааВ_+ 0,0096А_вв+ 0,0004аавв. ,
Неважко зрозуміти, що у 9 генотипових комбінацій виникли згідно з менделівською формулою фенотипові групи — згідно з менделівською формулою 2". В цих формулах символом п позначають кількість пар генів, які вільно комбінуються між собою. В нашому прикладі кількість пар генів дорівнює 2. Отже, 3" = 9, а 2" = 4, що підтверджує закономірності комбінування неалельних генів згідно з закон; Менделя. Проте частоти, з якими утворюються різні комбінації неалельних генів не збігаються з частотами, описаними в законах Менделя. Пояснюється це тим, що в популяціях нащадки будь-якого покоління не лише від гетерозиготних, але і від гомозиготних за домінантними та рецесивними генами особин. Як наслідок цього в межах популяції утворюються неоднакові кількості гамети з домінантними і рецесивними алелями. Однак у сукупності лише гетерозиготних організмів, або в окремої гетерозиготної особини, як правило, утворюється однакова кількість гамет з домінантними і рецесивними алелями. Завдяки чому й забезпечується сталість кількісних співвідношень різних комбінацій альтернативних ознак, описаних законами Менделя.
Порушення генетичної рівноваги у популяціях. Розглядаючи закон Харді-Вайнберга, ми дійшли висновку, що в поколіннях ідеально мислимих порядок співвідношення між частотами домінантних і рецесивних алельних генів залишається незмінним, і у природі не існує ідеальних популяцій, що пояснюється безперервним тиском на популяції мутаційного процесу, природного добору, міграцій, генетико-автоматичних процесів. Під впливом цих факторів відбувається невпинний процес рекомбінації та перебудови спадкових структур популяцій, сортів тощо, порушується генетична рівновага в популяціях. Якщо популяція відносно будь-якої пари їх генів не перебуває в стані рівноваги, вона намагається відновити втрачену рівновагу. Генетична рівновага в популяціях порушується внаслідок мутацій, природного добору серед заново шх комбінацій неалельних генів, під впливом різних неочікуваних природних факторів, котрі сприяють зміну співвідношень частот алельних генів. Однак у популяції починають діяти фактори, які наводять її до встановлення нової рівноваги. Такі процеси супроводжуються реорганізацією генетичного матеріалу. Якщо при цьому виникають нові ізоляційні бар'єри між сукупностями особин даної популяції, цим започатковуються процеси дивергенції. Поєднання процесів реорганізації генетичного матеріалу в генотипах популяцій з виникненням ізоляційних бар'єрів між сукупностями, які належали до вихідної популяції, є одним з провідних механізмів еволюції. Це легко зрозуміти, якщо взяти до уваги, що перебудова спадкових структур організмів можлива лише за мутаційного процесу. Без мутацій і мінливості неможлива будь-яка інша форма мінливості ознак. Без неї не може відбуватися природний добір, оскільки для нього не буде необхідного матеріалу. Таким чином, навіть якби між сукупностями особин популяції і виникла, скажімо, просторова ізоляція, то без мінливості природний добір не проходив би. Не могли б відбуватись і процеси еволюції.
З іншого боку, і за найактивніших процесів мутаційної мінливості еволюція видів не могла би відбуватись без бар'єрів ізоляції між сукупностями. Добір нівелював би мінливість ознак до їхніх узагальнених іх значень. Але в такій ситуації виникнення ізоляційних бар'єрів започатковує процеси дивергенції. Поєднання процесів мутаційної мінливості і природного добору з процесами утворення ізоляційних в між сукупностями організмів виду є рушійною силою еволюції.
Тиск мутацій. Згідно із законом Харді-Вайнберга, генотипи популяцій мають бути врівноваженими у співвідношеннях домінантних і рецесивних генів по кожній окремій ознаці, яку вони формують. Проте, генетична рівновага в популяціях порушується під впливом низки процесів, які своєю дією повільно, але невпинно спричиняють зміну у співвідношенні частот домінантних та рецесивних алельних Серед цих факторів однією з провідних є мутаційна мінливість.
Мабуть, неважко зрозуміти, що в разі, коли мутаційний процес йде лише в одному напрямку, наприклад, від домінантного до рецесивного стану, то за повної відсутності природного добору домінантний ген буде замінений своїм рецесивним алелем. Насправді ж кожний ген мутує не тільки в прямому, а й у зворотному напрямку. Частіше буває так, що швидкість мутування алельних генів у прямому та зворотному напрямках не збігається. За цих умов концентрації домінантного А- і рецесивного а-генів будуть наближатись до таких співвідношень, які забезпечуватимуть рівновагу між частотою мутацій у прямо-зворотному напрямках. Нехай р — концентрація домінантного гена А;
концентрація рецесивного гена а;
частота прямих мутацій А->а;
частота зворотних мутацій а->А.
Тоді можна записати, що пp — кількість генів а, які утворились внаслідок прямих мутацій від А до а,
кількість генів А, які утворились внаслідок зворотних мутацій від а до А. Процеси мутації алельних генів, котрі відбуваються з неоднаковими швидкостями, у протилежних напрямах змінюють концентрацію домінантних і рецесивних алельних генів у генотипі популяції.
Припустимо, що частота мутацій домінантного А- до рецесивного а-гена перевищує частоту зворотних мутацій від а до А. Тоді збільшення числа рецесивних а-генів у генотипі популяції буде:
1 = up — vq,
ї Aq — величина, на яку змінилась концентрація рецесивного а-гена.
Проте в нашому прикладі концентрація рецесивного а-гена не може досягти 100%. Цьому перешкоджають зворотні мутації від а- до А-гена. І хоч частота мутацій домінантного гена А вища, ніж у рецесивного а-гена, зниження його концентрації на користь рецесивного а-гена, супроводжується зменшенням утворення сумарної кількості рецесивних а-мутацій, а зростання концентрації а-гена буде супроводжуватись збільшенням кількості зворотних А-мутацій. Цей процес йтиме доти, доки не врівноважиться кількість прямих і зворотних мутацій. При цьому частота прямих мутацій у сумі дорівнюватиме частоті зворотних мутацій. Тоді Aq = up — vq = 0. Це означає, що up = vq. Якщо q виразити через р, то одержимо up = vq =v(1 — р} = v — up або u- up — vq. Звідси
P"u+V'aq~u+v1
де р* — рівноважна концентрація гена А при частоті мутацій u,
q*— рівноважна концентрація гена а при частоті мутацій v.
Отже, врівноважена концентрація домінантного гена в популяці — це відношення частоти зворотних мутацій до суми частот прямих та зворотних мутацій цього гена, а врівноважна концентрація реципрокного гена — це відношення частоти прямих мутацій до тієї ж суми частот прямих та зворотних мутацій.
Неважко зрозуміти, що за допомогою рівноважної концентрації одного алоля можна визначити ри важну концентрацію другого алеля даного гена. Наприклад, якщо рівноважна домінантного А-І дорівнює 0,2 частки одиниці, або 20%, то врівноважна альтернативного алеля становитиме одиницю, а врівноважна попереднього алеля, наприклад, q" = 1 — р'.
Ефективність природного відбору. Створена Ч.Дарвіном (1859) теорія природного добору грунтується на визнанні того незаперечі факту, що сукупності нащадків нових поколінь характеризуються великою мінливістю ознак. Між н завжди трапляються особини, краще або гірше пристосовані до умов зовнішнього середовища. Між ми крайніми проявами пристосованості є велика кількість особин, з проміжним рівнем такої пристосі ності. Тепер встановлено, що в основі цих явищ лежать генетичні особливості кожного організму, обумовлені мутаційною, комбінаційною та модифікаційною формами мінливості. Тому нащадки кожного нового покоління виживають диференційовано. В цьому і полягає суть природного добору.
Залежно від характеру мінливості ознак та змін умов середовища природний добір може д сильніше чи слабкіше. Інтенсивність його можна визначити за допомогою коефіцієнта добору, або коефіцієнта селекції, який позначають символом S. Наприклад, у популяції на кожну 1 000 новонароджених особин з АА- та Аа-генотипами народжується 11 особин аа-генотипу. Проти останніх діє добір інтенсивністю елімінації (видалення) однієї особини з кожної 1000 нащадків аа-генотипу, тобто в даному разі коефіцієнт селекції S = 1/1000. Отже під коефіцієнтом селекції ми розуміємо відношення кількості елімійованих під впливом природного добору особин певного генотипу до загальної кількості особин цього генотипу протягом одного покоління. З наведеного прикладу видно, що всі 1000 ocoбин АА- та Аа-генотипів братимуть участь у відтворенні нащадків наступного покоління. Проте з народжених 1000 особин аа-генотипу лише 999 приймуть участь у відтворенні нового покоління. За таких умов частка домінантного А-гена в популяції зростатиме в ряду поколінь, а частота його рецесивного алеля буде зменшуватись. При цьому адаптивна цінність АА- та Аа-генотипів проявляється як така, що дорівню а адаптивна цінність аа-генотипів дорівнює 0,999.
Під адаптивною цінністю, або пристосованістю, розуміють систему фенотипових ознак організму, які обумовлюють його здатність до стійкого виживання в несприятливих умовах середови та до збереження оптимального рівня плодючості. Показник пристосованості більшість авторів позначають символом W.
Візьмемо до уваги, що в разі, коли пристосованість, або адаптивна цінність, генотипів АА, Аа, аа ВА, Вв, вв і так далі дорівнює одиниці (w = 1), то коефіцієнт селекції S — О. І навпаки, якщо аа-гомо; готи стерильні чи летальні, то їхня адаптивна цінність w - 0, a S = 1.
Зазначимо, що в генотипах популяцій завжди проявляються ознаки з коефіцієнтами селекції проміжними між своїми крайніми значеннями з усіма переходами від нуля до одиниці.
Найефективнішим є природний добір, який діє проти домінантної мутації. Якщо така мутація неіи адаптивної цінності, а Ті фенотиповий прояв формується до того, як організм встиг відтворити нащадків, то в такому разі коефіцієнт селекції 3 = 1. Популяція відразу позбавляється відповідних мутацій.
Іноді прояв шкідливої домінантної мутації настає лише тоді, як фенотипово здоровий органі відтворить нащадків. Наочним прикладом такої ситуації може бути така хвороба, як хвороба Хантингтона, описана ним ще в 1872 р. Ця мутація успадковується за аутосомно-домінантним типом. Вона зустрічається в популяціях людей з частотою 2,3-6,7 випадків на кожних 100 000 чоловік. З'ясувалось, що у віці 45 років у мутантних особин починають спостерігатись дегенеративні зміни мозку, відбувається його атрофія. Прогресивно дегенерує нервова система, вражаються фізичні і психічні функції організму. Хвороба розвивається протягом 15 років, після чого хворий гине. Оскільки хвороба успадковується лише половиною нащадків, це свідчить про те, що цей мутантний ген у хворих зустрічається лише в гетерозиготному стані. Боротись з хворобою Хантингтона можна лише шляхом відмови носіїв відповідного гена від відтворення потомства.
На відміну від домінантних, рецесивні мутації фенотипово проявляються лише в гомозиготному стані, зтерозиготних генотипах функція рецесивних генів прикривається функцією алельних генів дикого типу. Тому в популяціях рецесивні мутації обумовлюють утворення великої кількості гетерозигот. Якщо рецесивна мутація в гомозиготному стані повністю елімінується дією добору, то нащадки кожного наступного покоління будуть народжуватись лише від особин АА- та Аа-генотипів. Унаслідок цього в популяції буде істотно зменшуватись частота рецесивних гомозигот відносно частот гетерозиготних особин кожного наступного покоління.
Щоб зрозуміти механізм реалізації описаних процесів, розглянемо такий приклад. Нехай частота особин аа-генотипу в популяції складає 0,4 частки одиниці, або 40%, тоді частота особин АА- та Аа-генотипів становитиме 1 — 0,4 - 0,6 часток одиниці, або 60%. Це можна виразити таким рівнянням:
АА + 2Аа + аа = 1
0,6 частки одиниці 0,4 частки одиниці
Припустимо, що добір діє лише на особин аа-генотипу з інтенсивністю елімінації їх 0,2 частки одиниці, або 20% за покоління. Тому попереднє рівняння, з урахуванням дії добору (Saa = 0,2) та з обчисленими частотами домінантних гомозигот і гетерозигот, можна записати у вигляді:
АА + 2Аа + аа = 1 — 0,4 х 0,2
0,135 0,405 0,4 (1 — 0,2)
Отже, з дією добору концентрацій аа-рецесивних особин у наступному поколінні зміниться від 0,4 частки одиниці до 0,4 (1 — 0,2) = 0,32 частки одиниці. Згідно з розрахунками, проведеними за законом Харді-Вайнберга можна підрахувати, що концентрація рецесивного гена а = 1 - 0,32 =0,5656 частки одиниці, а домінантного гена — А= 1 — 0,5656 =0,4344 частки одиниці. Звідси концентрація домінантних гомозигот АА та гетерозигот Аа становитиме:
АА — 0,4344' = 0,1867 частки одиниці,
2Аа= 2 х 0,4344 х 0,5656 = 0,4913 частки одиниці
Таким чином, у наступному поколінні відношення концентрацій генотипів з домінантними та рецесивними генами матимуть такий вигляд:
АА + 2Аа + аа =1
0,1887 0,4913 0,32.
З наведеного прикладу видно, що внаслідок добору на елімінацію рецесивного гена з інтенсивністю частки одиниці, частота появи особин з домінантним А-геном у новому поколінні збільшилась, а частка появи особин, гомозиготних за рецесивним а-геном зменшилась на 0,08 частки одиниці, або на 8%. Якщо під впливом добору і далі елімінуватимуть особини аа-генотипів з інтенсивністю 0,2 частки одиниці, то в наступних поколіннях концентрація рецесивного а-гена зменшуватиметься при збільшенні концентрації домінантного А-гена. Проте з'ясувалось, що в панміктичних популяціях навіть за повної елімінації аа-мутанта з генотипу повністю не вилучається рецесивний ген, який приховується від дії добору за своїм домінантним алеломорфом дикого типу.
Процеси спонтанної мутації генів супроводжуються залученням цих мутацій до комбінування з інишими, неалельними до них генами. Крім того, деяка частина рецесивних мутацій у процесі розмноження переходить в гомозиготний стан. Комбінативна мінливість будь-якого мутантного гена та його гомозиготи стан створюють матеріал для дії природного добору. Зрозуміло, що добір діє проти ознак, обумовлених функцією мутантних генів. Отже оскільки процеси спонтанного мутагенезу є безперервними, генотипи популяцій стають ареною боротьби двох протилежних сил — мутагенезу та природного добору. Внаслідок цього в популяціях безупинно відбуваються процеси, які спрямовані на врівноваження припливу відпливу мутантних генів.
Припустимо, що частота будь-якого гена С мутує в напрямку С => с або навпаки. Нехай у кожне поколінні під впливом добору елімінується половина мутантних особин. Тоді, позначивши частоту, наприклад, домінантних мутацій через И, можна записати, скільки в поколінні цього року народження з'явилось И мутацій. Але в цьому поколінні збереглась половина минулорічних мутацій, тобто и/2, позаминулорічних — и/4 і так далі. Це дає підстави записати, що u + 1/2u + 1/4u + 1/8u + ... + 1/nu = 2u.
Але оскільки половина мутантних особин у кожному поколінні елімінується, кількість мутантних генів у популяції на кожний момент буде становитиме: 2И х 1/2 = И. Отже, настає стан рівноваги, коли частота домінантних мутацій дорівнює частоті елімінації цих мутацій під впливом добору.
З іншого боку, величину 2И можна записати і так як И/0,5, тобто 2И = И/0,5. Але величина 0,5 — коефіцієнт добору S. Тому точку рівноваги частот надходження та елімінації домінантних мутацій мох записати як відношення частоти цих мутацій до коефіцієнта селекції, тобто И/S.
Що ж до рецесивних мутацій, то, спираючись на рівняння р2 + 2pq + q2 = 1, можна вважати, що частота мутантних особин за рецесивними генами И = q2. В разі, коли адаптивна цінність рецесивної мутації дорівнює 0, а коефіцієнт добору 8 = 1, можна записати, що q2 = И/S, a q = Vu/S. Це і буде той стану рівноваги між частотами надходження й елімінації рецесивних генів.
Якщо порівняти між собою показники рівня точок рівноваги, які настають для рецесивних і домінаї них генів за умови, що вони мають однакову адаптивну цінність та однаковий коефіцієнт селекції, то виявляється, що негативні рецесивні мутації накопичуються в генотипі популяції у суттєво вищих концентраціях, ніж домінантні мутації. В цьому можна переконатися на такому прикладі. Припустимо, що часі та мутації гена в прямому і зворотному напрямках u = 0,0016 частки одийиці, а під впливом добс елімінуються відповідні мутанти з однаковою частотою, S = 0,4. В такій ситуації точка стану рівнове домінантного гена буде u/S = 0,0016/0,4 = 0,004, а рецесивного — u/S = -у/О,0016/0,4 = 0,067 частки о/ ниці. Отже, концентрація рецесивних мутацій популяції виявилась в 16,6 раз більшою, ніж концентрації домінантних мутацій.
Підсумовуючи викладене слід зазначити, що яку природі, так і в практиці селекційної роботи доі відбувається на рівні цілих генотипів, носіями яких є організми, котрі входять до складу відповідних г пуляцій. При цьому в межах популяції природний добір елімінує не окремі рецесивні гени, а лише їх комбінації з іншими неалельними генами. Відомо, що на характер фенотипового прояву ознаки суттєво впливають умови зовнішнього середовища (своєю модифікуючою дією). Це особливо стосується поліме них генів, які в гетерозиготному стані завжди характеризуються проміжним домінуванням і досить чутлі до зміни умов зовнішнього середовища.
Модифікуюча дія цих умов істотно впливає на інтенсивність природного добору і обумовлює мінливість. Це означає, що за одних умов зовнішнього середовища інтенсивність добору є високою, інших — вона знижується, а то й повністю зникає. Це слід мати на увазі при проведені теоретичн дослідженнях та в селекційній роботі.
Дрейф генів. Згідно із законом Харді-Вайнберга існування популяції зі сталими відношеннями концентраї домінантних і рецесивних генів у поколіннях могло б стати реальним.за повної відсутності тиску на ЇЇІ нотип мутаційного процесу та дії природного добору. Тим часом працями М.П.Дубиніна і Д.Д.Ромашова (1930) та С.Райта (1931) було показано, що навіть за повної відсутності впливу на генофонд популяції пр цесів спонтанного мутагенезу та дії природного добору в наступних поколіннях концентрації домінанти і рецесивних алельних генів змінюються між собою.
Було встановлено, що причиною цієї форми мінливості концентрацій алельних генів є випадковіс розподілу їх у процесі вільного комбінування гамет протилежної статі при розмноженні. Рівновага співвідношеннях між домінантними і рецесивними алельними генами порушується внаслідок стихійного комбінування гамет, що особливо чітко проявляється в невеликих за чисельністю популяціях.
Розглянемо такий приклад. Нехай модельна популяція складається ч чотирьох особин самозапи; них рос/іин АА-, 2Аа- і аа-генотипів. Припустимо, що кожна з них має однакову можливість відтвори потомство лише з двох особин. Тоді кожна з чотирьох вихідних рослин має утворити по дві яйцеклпш які започаткують по дві життєздатні зиготи. При цьому рослини АА- і аа-генотипів можуть утворити дві А- та по дві а-яйцеклітини, а кожна з двох рослин має утворити по одній і по одній а-яйцеклітині. У малій за чисельністю сукупності випадкове відхилення від рівноного розподілу домінантних і рецесивних алельних генів у мейозі може істотно вплинути на відношення частот цих генів. У нашому прикладі ці співвідношення в новому поколінні становлять, як і передбачалось 1:2:1. Разом з цим при відхиленні від теоретично очікуваного розподілу ці співвідношення становили 5:8:3. Отже, випадкове відхилення від теоретично очікуваного шоділу алельних генів є ще одним фактором, під впливом якого порушується співвідношення частот домінантних і рецесивних алельних генів у поколіннях.
У наведеному прикладі було розглянуто модель досить малої сукупності. Насправді ж, в живій при-U, популяції представлені великими сукупностями, в яких окремі відхилення від теоретично очікуваного розподілу домінантних і рецесивних генів у мейозі або ж відхилення від очікуваних частот утворення алельних комбінацій генів проявляються незначними частками відсотка. Проте ці відхилення завжди зть місце і вносять свою частку в мінливість співвідношень концентрацій алельних генів у складі гено-ів панміктичних популяцій. Таким чином, створюється враження, що концентрації алельних генів у популяціях змінюються від покоління до покоління автоматично, без будь-якого впливу умов середовища. Тому мінливість співвідношень частот алельних генів у поколіннях популяцій, обумовлена випадковими відхиленнями від рівномірного розподілу їх у мейозі або випадковими відхиленнями від частот суваних генотипових комбінацій, дістала назву генетико-автоматичних процесів або дрейфу генів. Генетико-автоматичні процеси виявляються досить значущими в чисельно обмежених популяціях, виникають при заселені обмеженою сукупністю особин виду невеликих територій свого розповсюдження, ізольованих від аналогічних територій. Наприклад, на Гавайських островах від вершин вулканічних гір у радіальних напрямках розходяться долини, які різко розділені між собою хребтами. В цих долинах, крім інших видів організмів, розповсюджені молюски. З'ясувалось, що в кожній долині мешкає популяція молюсків, яка хоч чимось та відрізняється від популяцій сусідніх долин, незважаючи на те, що вони належать до складу одного і того ж виду. Оскільки природні умови (рельєф, клімат, рослинність, тваринний світ тощо) на таких обмежених територіях практично однакові, то відміни в характері фенотипого прояву ознак у кожній з цих чисельно обмежених популяцій спричинені перш за все генетико-автолітичними процесами.
Відомо, що в природі чисельність особин у складі популяцій періодично істотно змінюється. В деяких видів комах, риб, гризунів чисельність популяцій може змінюватисьу десятки, сотні, а в багатьох видів рослин (водорості, гриби) і в тисячі разів. Це явище С.С.Четвериков (1915) назвав хвилями життя. Різкі коливання чисельності особин у популяціях здатні спричиняти тимчасове розширення ареалу розповсюдження виду. Внаслідок цього, після спаду максимальної чисельності населення популяцій, на нових територіях залишаються малочисленні сукупності, до складу генотипів яких входять незбалансовані концентрації домінантних і рецесивних алельних генів, а також міжалельні комбінації генетичного матеріалу, які .кісно не збігаються з відповідними генетичними структурами вихідних популяцій. Зрозуміло, що в ево-Іії утворених ізолятів суттєву роль відіграє дрейф генетичного матеріалу.
На генетичну структуру популяцій можуть впливати і міграції. Міграції особин одних популяцій в геологічні ніші інших споріднених популяцій створюють умови для обміну генами між ними. Тому міграції с мовлюють зміни частот алельних генів, привнесених особинами-іммігрантами. Наслідки таких міграцій подібні до наслідків спонтанного мутагенезу. Проте, на відміну від останнього, міграції здатні суп збільшити темпи мінливості концентрацій алельних генів та міжалельних комбінацій генетичного теріалу, що прискорює процеси еволюції. Особливістю міграцій є те, що вони можуть періодично поі рюватись і тим самим згладжувати межі між популяціями, обумовлюючи суттєве зростання генотип різноманітності. Це пояснюється тим, що міграції здатні привносити в популяції алельні гени із серій к жинних алелів, котрих до приходу іммігрантів могло не бути в тій чи іншій популяції.
До порушення генетичної рівноваги в популяціях може спричинитися явище селективного запліднення в межах видів рослинного світу. Ми з'ясуємо лише зміст поняття "селективне запліднення в рослин". Суть цього явища полягає в тому, що в природі на приймочку маточки квітки одночасно може потрапити декілька штук (а частіше — декілька десятків і навіть сотень) пилкових зерен свого таксономічного виду. Всі вони намагаються прорости в тканину маточки пилковими трубками. Оскільки генотипи пилкових зерен, які потрапили на приймочку окремої маточки квітки, неоднакові, то і швидкість росту їхніх пилкі трубок також буде різною. Запліднення яйцеклітини відбудеться за рахунок сперміїв того пилкового зерна, пилкова трубка якого першою ввійшла в мікропіле і перекрила можливість проникнення сюди інших пилкових трубок. Отже, якщо на приймочку маточки одночасно потрапляє декілька пилкових зерен, а першою проникає в мікропіле пилкова трубка лише одного з них, то це означає, що функції генотипу тканин маточки сприяють швидкому росту пилкової трубки певного генотипу порівняно з іншими. В цьому криється механізм селективності.
Крім селективного запліднення у рослин, досить широко розповсюджене вибіркове спаровуван тварин. Воно проявляється у формі чітко скоординованих поведінкових реакцій особин протилежної і зокрема у формі шлюбних ігор. Часто майбутні партнери виявляються "одягненими" в яскраве шлк вбрання (риби, птахи) або відрізняються певними фенотиповими ознаками, такими, наприклад, яскраво забарвлена пляма у хвостовій частині оленів, яку ще називають дзеркальцем. Самці і самки більи видів комах виявляють один одного за допомогою певних ароматичних речовин, притаманних особі виду в період розмноження. Все це синхронізує статеві цикли в особин протилежної статі та виклі можливість участі у відтворенні потомства генетичне неповноцінних представників популяцій.
Отже, разом з дією процесів спонтанного мутагенезу, природного добору та генетико-автомати процесів, на мінливість генотипових структур популяцій можуть суттєво впливати міграції, селект запліднення та вибіркове спаровування організмів у процесі розмноження.
Гетерогенність у популяціях. С.С.Четвериков (1926), один з основоположників генетики популяцій, зсумував основні положення цього напрямку генетичної науки. Він показав, що генотипи популяцій визначені великою кількістю мутацій, які зберігаються в гетерозиготному стані, прикриваючись більш вйо функціональною активністю своїх алеломорфів дикого типу. У великих за чисельністю популяціях рецесивні мутації розподіляються по всіх територіях, зайнятих відповідними популяціями. Ймовірність переходу їх у гомозиготний стан обернено пропорційна загальній чисельності особин, які входять до склад пуляції. Було встановлено, що переважна більшість генів здатна мутувати в декілька або в багато аі них станів, створюючи серії множинних алелів. З'ясовано, що до складу генофонду популяції входяї правило, всі представники серії множинних алелів по кожному гену. Звідси присутність у складі генофонду популяції всіх алеломорфів із серії множинних алелів по кожному гену дістала назву гетерозиготності.
Те, що популяції видів рослинного світу є гетерогенними, вже само собою випливало з дослідів В.Йогансена (1903), який встановив, що популяції самозапильних рослин, зокрема квасолі, предста великою кількістю чистих лініях. Відомо, що утворення чистих ліній у самозапильних рослин обумовлено переходом у гомозиготний стан рецесивних мутацій та їхнім комбінуванням з неалельними до них лініями. В свою чергу, число ліній, які можуть утворитись у межах популяції, дорівнює 2", де п — числі генів, за якими гетерозиготна популяція.
Слідом за Йогансеном дослідження були проведені Дж. Шеллом і Є.Істом (1908). Протягом кількох років вони проводили примусові самозапилення в кукурудзи. Оскільки самозапліднення або споріднене запліднення супроводжується активним переходом генів із гетерозиготного в гомозиготний стан, вважалось, що рослини кукурудзи, залучені до спорідненого розмноження (інбридингу), розщеплюють безліч фенотипових груп нащадків, більшість яких виявляються слабожиттєздатними або й зовсім нежиттєздатними. Всі ці фенотипові ознаки з'явились у інбредних нащадків кукурудзи внаслідок гомозиготації рецесивних мутантних генів, які фенотипово не проявлялись у гетерозиготному стані.
У спеціальних дослідженнях по вивченню генотипів популяцій дрозофіл, чорних хом'яків, проведених Четвериковим, а також у дослідженнях, проведених іншими авторами на популяціях риб, комах, птахів, ссавців, рослин, було встановлено, що всі обстежені природні популяції мають досить високу гетерогенність генотипів своїх особин. При цьому в усіх популяціях була виявлена величезна кількість рецесивних мутацій, наявність яких прикривалася генами дикого типу.
З'ясувалось, що в генотипах окремих особин популяцій мутації, прикриті домінантними алеломорфами, торкаються найрізноманітніших фенотипових ознак, котрі проявляються морфологічно або на рівні фізіологічних і біохімічних реакцій. При переході таких мутацій у гомозиготний стан вони виявляються ду-з різнонаправленими в плані пристосування. Переважна більшість їх носить летальний та напівлетальний характер. Наприклад, у дрозофіл рецесивні мутації при переході в гомозиготний стан, крім летально ефекту, проявлялись повною або частковою втратою плодючості, змінами характеру жилкування крил та обрисів їхніх контурів, забарвленням та розмірами очей, забарвленням тіла, відсутністю щетинок І окремих частинах організму, відсутністю або спотворенням крил тощо.
Поява рецесивних різнонаправлених, у плані пристосування, мутацій свідчить про повну випадковість Іникнення їх та про неспрямованість спонтанного мутаційного процесу.
Генетичний аналіз показує, що висока насиченість популяцій мутантними рецесивними генами не проявляється фенотипово, бо насправді з багатьох тисяч неалельних генів, що входять до складу генотипів, наприклад, вищих рослин, кожна особина популяції виявляється гетерозиготною лише за декількома рецесив-ними неалельними мутаціями. При цьому в кожної такої мутації частота гомозигот, у яких фенотипово проївся мутантний ефект, зустрічається з низькою частотою — один мутант на 1000-3000 особин.
Такі частоти на перший погляд здаються незначними,
Проте якщо до складу генотипу кожної особини таксономічного виду входять тисячі, а то й десятки сяч різних генів і кожний з них може мутувати до рецесивного стану і приховуватись в генотипах 1-4% особин, то стає зрозумілим, що генотип кожної особини, яка входить до складу популяції, має бути гете-розиготним за декількома неалельними генами. А це означатиме всеосяжну насиченість генотипу популяції рецесивними мутаціями.
Вивчення закономірностей спонтанного мутагенезу в популяціях видів показало, що набори мутантних генів, а також співвідношення домінантних і рецесивних генів у різних популяціях окремого виду доїть різноманітне. Все це свідчить про неспрямованість процесів спонтанного мутагенезу.
Процеси спонтанного мутагенезу в популяціях обумовлюють виникнення не тільки рецесивних, але і домінантних мутацій. Останні відрізняються від рецесивних мутацій тим, що їхнє виникнення супроводиться негайним фенотиповим проявом. Проте за низької пенетрантності (частоти прояву гена) Імінантної мутації, вона може не зразу проявитись фенотипово. В такому разі домінантна мутація може розмножуватисьу прихованому стані доти, поки не припніться пригнічення ЇЇ функції генами-модифікаторами або зю інших умов середовища.
Фенотиповий прояв домінантних мутацій негайно підпадає під дію природного добору, в результаті якого елімінуються ті з них, що обумовлюють формування фенотипової ознаки з послабленою адаптивною цінністю. Саме негайна дія добору і спричиняється до того, що насиченість популяцій домінантними мутаціями дуже незначна, переважна більшість тих, що виживають, не впливає на аптивну здатність генотипів. Усе викладене вище дозволяє зробити висновок, що сока гетерогенність популяцій забезпечується:
Розмноження та залучення мутацій до утворення різноманітних генетичних комбінацій створює багатий матеріал для природного добору, під дією якого відбувається еволюція видів.
Генетичний гомеостаз у популяціях. Гомеостаз (від грец. homios — подібний, однаковий та stasis — стояння, нерухомість) у генеї пояснюється як здатність живої системи (організму, популяції) підтримувати сталий рівень се функціональної активності та відновлювати його при мінливості умов зовнішнього середовища. Було з'ясовано, що в популяціях проявляється дивовижна стабільність генетичного поліморфізму. Під термії "поліморфізм" (від грец. polymorphos — різноманітний) розуміють існування в межах популяції двох декількох генотипово різних форм, співвідношення між якими протягом тривалого часу перебуває в стані рівноваги.
Джерелом поліморфізму ознак у популяціях є висока гетерозиготність, гетерогенність, комбінаці та модифікаційна мінливість. Стабільність поліморфізму забезпечується дією природного добору.
Висока сталість поліморфізму в популяціях за їхніми фенотиповими ознаками забезпечується балансом відповідних генних систем. Класичним прикладом тут може бути гетеростилія. Наприклад, у примули (Primula vulgahs) існує два типи квіток, які відрізняються між собою довжиною тичинок та стовпчіків маточок. У популяціях цього виду рослин приблизно одна половина квіток має високі тичинки і низькі стовпчики (Ss-генотип), а друга — низькі тичинки і високі стовпчики (ss-генотип). Це явище гетерост (різностовпчастості) обумовлює обов'язкове перехресне запилення. Воно забезпечується тим, що у високостовпчастих квіток порівняно великі лопаті приймочок, які вловлюють крупний пилок, утворений ляками на довгих тичинках. Крупні пилкові зерна утворюють довгі, високо життєздатні пилкові трубки, конкурують за проникнення до яйцеклітини. В свою чергу, приймочки низькостовпчастих маточок мають порівняно невеликі лопасті й ефективно запилюються дрібним пилком, який утворюється низькотичинковими пилками. Таке перехресне запилення називають легітимним (законним). Шляхом штучного за лення можна здійснити іллегітимне (незаконне) запилення, для чого на приймочки низькостовпчастих точок наносять пилок з високих тичинок, а на високостовпчасті приймочки — з низьких тичинок. Але такого схрещування насіння зав'язується слабо.
Таким чином, при гетеростилії перехресне запилення відбувається за типом аналізуючого схреї вання в обох напрямках, тобто Ss x ss і ss x Ss, з рівновеликими частотами.
Те, що природний добір сприяє стабілізації поліморфізму ознак у поколіннях, підтверджується да ми досліджень Ю.П.Алтухова і Б.А.Калабушкіна (1974). Вони встановили, що співвідношення частот незабарвлених та смугастих молюсків виду Littorina squalida, виявлених у розкопках лагуни Бусе на Південному Сахаліні, змінились протягом останніх 5-6 тисячоліть, тобто за часом, протягом якого змінилось 2000 поколінь молюсків названого виду.
З наведених прикладів видно, що поліморфізм ознак, всу реч очікуванню, не порушує у просторі і часі стійкості популяцій єдиних генетичних систем. При цьому поліморфізм ознак, обумовлюючи високу пристосовчу пластичність популяцій, проявляєтьс формі генетичного гомеостазу. Провідним фактором або меха мом, який забезпечує прояв генетичного гомеостазу в популяї виду, є міграція. Саме завдяки міграційним процесам елементе популяції виду об'єднуються в системи вищих таксономічних рядків, у межах яких стираються мутантні ознаки. Таке нівелювання відбувається за рахунок переходу рецесивних мутацій з гомозиготного стану в елементарних популяціях у гетерозиготний стан у межах генотипу сукупності вищого порядку.
Форми природного відбору. Існує багато (більш 30) форм природного добору, з яких основними вважається три — це стабілізуючий, рушійний (направлений) та дизруптивний добір.
Стабілізуючий добір — це форма добору, за якої до умов зовнішнього середовища пристосовуються особини, які характеризуються середніми значеннями адаптивних ознак. Це найбільш розповсюджена форма добору.
Рушійний, або направлений, добір є однією з форм стабілізуючого добору, яка обумовлює селекційний зсув середнього значення ознаки від попередньої до нової форми її фенотипового прояву. Рушійною силою цієї форми добору є зміни умов середовища, котрі спричиняють зміни в становищі популяції в системі існуючого біогеоценозу. Природний добір чутливо реагує на такі зміни тим, що під його впливом починається адаптація незначних відхилень від попереднього середнього значення ознаки до з наступного нового значення. Як наслідок поступово змінюється генетична структура популяції.
Дизруптивний добір — це форма природного добору, що сприяє розвитку двох або декількох різних нетипових груп особин у межах одної і тієї ж популяції. Отже, дизруптивний добір являє собою одну з їм дестабілізуючого добору, котрий діє проти середніх значень ознаки в популяції. Тому його ще можна називати розчленувальним добором, оскільки він розділяє популяцію на різні фенотипові групи.
Матеріальною основою дизруптивного добору є генетичний поліморфізм у популяціях. Зокрема, як-на одній і тій самій території протягом життєвого циклу організмів популяції періодично змінюються ви середовища або ж ці різні умови одночасно проявляються в даній екологічній ніші, то це може супроводжуватись періодичними змінами напрямків дії природного добору. Наприклад, у слимаків (Сераеа Іогаїіз), які мешкають у лісах з грунтами брунатного кольору, смуги на черепашках також' набувають натного або рожевого забарвлення, а слимаки, які мешкають на ділянках, покритих жовтими травами— мають на своїх черепашках жовту пігментацію смуг. Отже, в даному разі проявляється своєрідна зчість у пристосовчій дії добору.
Творча роль добору полягає в тому, що один і той же генетичний матеріал сукупності певного виду інізмів залежно від напрямків добору може дати дуже різні наслідки. Добір у протилежних напрямках у межах одного і того ж генетичного матеріалу дає різні фенотипові ефекти.
Творча роль розчленувального добору особливо чітко проявляється в селекційній роботі людини. Бо справді, величезна кількість сортів сільськогосподарських рослин та порід свійських тварин, створених у процесі виробничої діяльності людини, є результатом творчого застосування штучного добору.
Зауважимо, що під терміном добір ми розуміємо процес виживання протягом свого життєвого циклу організмів, найкраще пристосованих до умов навколишнього середовища і здатних відтворювати якомога більшу кількість генетичне здорових нащадків. Добір буває природний і штучний. Практично результат штучного і природного добору не різняться між собою. Різниця полягає лише в тому, що, знаючи закони генетики, людина може суттєво поискорити процеси створення нових популяцій.
Значення генетики популяцій. Вивчення генетики популяцій дозволяє встановити ряд закономірностей процесу еволюції пидіе на розглядає закономірності прояву провідних факторів еволюції — мінливості, спадковості та прирі го добору, котрі тісно пов'язані між собою взаємозалежними процесами. З раніше названих фак еволюції мутаційна та комбінаційна форми мінливості лежать в основі поліморфізму популяцій. ПІдІ ючи під дію природного добору, поліморфізм популяцій не тільки виконує пристосовну функцію, і важливим механізмом внутрішньовидової дивергенції.
Закономірності генетики популяцій ефективно використовуються в практиці селекційної роботи (створенні нових порід свійських тварин, сортів сільськогосподарських рослин, штамів мікроорганізмів гощо). Знання цих закономірностей відкривають широкі можливості системного підходу для вирішення Господарських завдань, пов'язаних з акліматизацією та окультурюванням нових видів рослин, одомашненням нових видів тварин. Крім того, організація, .наприклад, утримання тварин на великих фермах з ^рахуванням законів популяційної генетики, забезпечує в два-три рази більший економічний ефект, ніж (тримання тварин без врахування вимог цих законів.
Знання та застосовування законів генетики популяцій у виробничій діяльності людини допомагає рвідомити необхідність дбайливого ставлення до природи, лише за умови якого можливі її всебічний розвиток та збагачення.
Медична генетика. Поки що немає єдиної думки про кількість генів у геномі людини. Вважають, що їх може бути до 100 000. Досить авторитетний російський генетик М.П.Дубінін називає, як найбільш реальне число приблизно 100 000 генів на геном.
Раніше зазначалось, що майже четверта частина всіх зачать у людини спонтанно абортується на різних, але особливо на ранніх стадіях ембріонального розвитку. Крім того, 4% народжених дітей виявиться генетичне дефективними. Таким чином, майже 29% зигот, які утворюються в процесі розмноження людини, мають генетичні дефекти, обумовлені впливом генетичного тягаря.
В людини, які в інших видів організмів, вроджені дефекти спричинені генними й хромосомними мутаціями. Дані, одержані на рослинах та лабораторних тваринах (дрозофіли, миші, пацюки, кролики, мавпи) свідчать, що загальна сукупність усіх спадкових змін, які спонтанно виникають в генотипах організмів, уставлена приблизно половиною генних І половиною хромосомних мутацій. При цьому переважна більшість генних та хромосомних мутацій носить летальний та напівлетальний характер. Разом з цим мутантні особини, що народились з генетичними дефектами, мають різноманітні розлади здоров'я. Нерідко трапляються досить важкі хвороби, котрі спричиняють порушення обміну речовин в організмі, деформації у процесі ембріонального розвитку тощо. Як наслідок переважна більшість генетичне деструктивних зигот абортується, а менша частина їх започатковує розвиток з аномальним формуванням окремих ознак або цілих комплексів їх. І
У значної частини дітей, що народилися з генетичними аномаліями, порушене число хромосом, кращого розуміння цих явищ розглянемо морфологію каріотипу людини.
Обстеження каріотипу розумове відсталого хлопчика віком 2,5 роки, в якого проявились флексс-контрактура пальців та поперечна складка на долоні, показало, що в групі С-хромосом у нього міститься зайва хромосома. Це означає, що в клітинах його організму якась із 6-12-ї хромосом представлений трьома гомологами замість очікуваних двох гомологів. Отже трисомія по одній з С-хромосом обумовлює аномальний розвиток ембріона.
В популяціях людини з частотою 1 /14500 трапляються хворі на синдром Д1. Через трисомію по одній з хромосом групи Д в дітей формуються роздвоєні верхня губа та піднебіння, природжена глухота.
Трисомією в групі хромосом Е — а насправді по 18-й хромосомі — обумовлений синдром Е,. Хворі ким синдромом характеризуються низько розміщеними деформованими вухами, аномальним розвитком кистей рук та ступень ніг, відхиленнями в будові внутрішніх органів тощо.
У популяціях людини з досить високою частотою (в середньому 2,5 на кожну 1000 новонароджених), ляються діти з хворобою Дауна. Ця хвороба у 94% випадків обумовлюється трисоміею по 21-й хро-омі, а в 6% — транслокаціями або іншими перебудовами хромосом. Із загальної сукупності особин з хворобою Дауна 75% — імбецильні (недоумкуваті), 20% — мають ідіотію і в 5% проявляється дебільність розумове недорозвинення).
Аналогічні аномалії в процесі ембріогенезу розвиваються й особин, гомозиготних за хромосомними перебудовами. Наприклад, делеція в одній з хромосом групи В обумовлює синдром котячого крику. Реципрокна транслокація між двома хромосомами групи С та групи Д, виявлена при обстеженні 7-річного хлопчика спричинила формування сплюснутого носа, невеликого епікантуса, косоокості, м'язової атрофії, затримки розумового розвитку та інших дефектів. Аномалії у формуванні фенотипових ознак обличчя і голови, а також затримка росту і розвитку, дефекти у формуванні внутрішніх органів тощо, обумовиться інверсіями.
Вище вже відзначалося, що порушення балансу статевих хромосом також обумовлює аномалії розвитку. Хворі бувають досить низького зросту, безплідні, з порушеннями розвитку первинних та вторинних статевих ознак, в них проявляються аномалії у розвитку різних відділів кісток та розумова відсталість. В разі зайвих Х-хромосом за наявності У-хромосоми (наприклад, у каріот ХХУ, ХХХУ, ХХУУ, ХХХХУ) розвивається синдром Клайнфельтера. Ці хворі характеризує відсутністю сперматогенезу, справжньою пнекомастією, підвищеним виділенням із сечею фолікулостимулюючого гормону, євнухоподібністю тощо.
Потужним джерелом спадкових хвороб є генні мутації. Як і хромосомні мутації, вони спричиняють порушення обміну речовин, аномалій у формуванні фенотимових ознак тощо. Як приклад наведено фотографію І рентгенограму кисті руки, формування якої відбувалось під впливом домінантної мутації брахідактилії.
Деякі домінантні та рецесивні мутантні гени обумовлюють важкі спадкові хвороби. Підсумовуючи викладене, можна зробити висновок, що відкриття хромосомної та генної патології мас величезне значення для охорони здоров'я, оскільки розроблені методи вивчення цитогенетики людини дають змогу безпомилково ставити діагноз спадкових хвороб. Крім того, знаючи механізми виникнення, можна природжених каліцтв, потворностей, дефектів розвитку, порушень в обміні речовин тощо можна ефективніше розробляти засоби їх лікування. Медична генетика покликана вирішувати зазначені проблеми.
Проблеми медичної генетики. В середовищі, яке оточує людину, відбуваються відчутні зміни, спричинені Інтенсивним впровадженням у виробництво численних технічних розробок. Унаслідок цього навколишнє середовище забруднюється шкідливими для здоров'я людини продуктами хімічної та фармакологічної промисловості, металургії, ґірничовидобувної галузі, суттєво підвищується фон іонизуючої радіації тощо. Наприклад, у процесі лікування мієлолейкозу Іа злоякісних пухлин застосування лікувальних препаратів, які пригнічується синтез ДНК (цигозинарабіноза, 6-дізауридин тощо), супроводжується індукуванням хромосомних аберацій у клітинах організму хворих. Мутагенну дію спричиняють і такі лікувальні препарати, як кофеїн, нікотин, паральдегід, теофілін, теобромін, хлоралгідрат, сульфаніламіди, нітрофуран тощо.
Величезним забруднювачем середовища є промисловість. Так, у хімічній промисловості як проміжні продукти синтезу використовуються епоксидні смоли, лактони, алкілсульфати, етиленаміни та інші речовини, які мають високу мутагенну активність. Мутагенною дією характеризуються й такі відходи промисловості, як триметилфосфат, хлоридбензофуран, солі важких металів, зокрема хрому, ртуті, кадмію тощо.
Мутагенну дію виявляють деякі харчові консерванти. Наприклад, консервант АГ-2 (Японія) або нітрат натрію тощо. Щорічно в умовах інтенсифікації сільськогосподарського виробництва на поля вносяться у великій кількості мінеральні добрива та пестициди, котрі не тільки порушують створені еволюційним процесом ланцюги живлення живих систем, але й суттєво знижують якість продукції та чистоту стічних і підземних. Зокрема, дуже небезпечними для здоров'я людини є такі хлорорганічні інсектициди, як ДДТ. Широке застосування інсектицидів у боротьбі із шкідливими комахами спричинилося до того, що ці досить стійкі препарати, накопичуючись у біосфері, розносяться по всій земній кулі, включаються у ланцюги живлення. Наприклад, для знищення комарів у Каліфорнії (США) препаратом ДДТ обробили озеро Клір-Лейк. Після внесення препарату його концентрація у воді, становила 0,02 частки на 10см3, у планктоні — 10 на 10см3, у планктоноїдних рибах — 903 на 10см3, у птахів, які живляться рибою, — 2134 на 10см3. Отже, концентрація ДДТ в ланцюгах живлення по ходу зростання рівня організації організмів, які складають ланки цих ланцюгів, збільшується в сотні тисяч разів. Унаслідок цього суттєво зменшилася кількість птахів, що жили на цьому озері. Зрозуміло, що виловлена в озері риба або відстріляна птиця забруднені пестицидами, а тому непридатні (небезпечні) для використання в їжу. Пестициди небезпечні для живих організмів не тільки через свою токсичність, а Й тому, що вони характеризуються мутагенними властивостями і обумовлюють порушення генетичного та хромосомного матеріалу в клітинах організмів.
Надлишок внесених на поля азотних добрив стає джерелом нітратів, які внаслідок мікробного відновлення перетворюються в нітрити. Надмірне надходження їх у рослини знижує харчову якість рослинних продуктів (картоплі, зерна, овочів), а внаслідок вимивання цих сполук з ґрунтів суттєво забруднюються навколишні водоймища.
Значним забруднювачем стічних та підземних вод в Україні є тваринницькі ферми. Підрахунки показали, що в 1992 р. в цілому по Україні на них було вироблено майже 104 мли. тонн гною та 100 млн. тонн сечі і гноївки. Для нормального забезпечення рослинництва добривами, Україні в середньому треба внести на поля по 810 000 т (за діючого речовиною) азоту, фосфору і калію на рік. Вироблений гній містить у середньому (за діючою речовиною) 520 000 т азоту, 260 000 т фосфору і 570 000 т калію. Крім того в сечі і гноївці міститься (за діючою речовиною) понад 1,15 млн. т азоту та 1,47 млн. т калію. Але саме сеча і гноївка втрачаються господарствами майже повністю, забруднюючи водоймища, а господарства змушені щорічно купувати по 300-400 тис. т (за діючою речовиною) азотних і калійних добрив. Зрозуміло, що давно настав час на всіх тваринницьких фермах України побудувати довговічні бетонні гноєсховища з підземними ямами для сечі І гноївки. Це дасть можливість уникнути втрати цих добрив (а отже, й забруднення навколишнього середовища) і використовувати їх тільки за призначенням, не витрачаючи кошти на придбання азотних та калійних добрив.
Існує багато доказів того, що опромінення людей у процесі діагностичного обстеження їх чи проведення променевої терапії, або внаслідок аварій на атомних реакторах, випробувань атомної зброї на полігонах тощо супроводжується індукуванням хромосомних та генних мутацій, які стійко успадковуються в поколіннях. У людини ряд вивчених генів спонтанно мутує з частотою від 0,5-10 s—80-10 6 на одну гамету. М.П.ДубинІн показав, що експозиційна доза іонізуючого опромінення в 10 Р подвоює ці спонтанні частоти мутацій. Звідси випливає, що від збільшення існуючого фону іонізуючої радіації на 1 Р у новому поколінні на кожні 200 млн. новонароджених з'явиться 800000 чоловік з хворобами, спричиненими успадкованими хромосомними перебудовами. Це становить 0,4% всієї сукупності новонароджених. Приблизно стільки ж має з'явитись новонароджених — генних мутантів. Якщо взяти до відома, що а людини генетичний тягар обумовлює 25% абортивних зигот та 4% генетичне дефективних новонароджених, то підвищення фону радіації на 1 Р збільшує цей тягар на 0,8%.
Отже, зростання фону Іонізуючої радіації навіть на частку 1 Р загрожує виникненням великої кількості спотворених людських (і не тільки людських) особин.
Досвід людства показує, що іонізуюче опромінення та хімічні мутагени характеризуються високою тератогенною (від грец. tras (tratos) — потвора, виродок) дією, тобто пошкоджуючого зародок дією з виникненням аномалій та вад розвитку.
В 50-х pp. нашого століття Ж.Вільсон, опромінюючи самок пацюків рентгенівськими променями через 9,7-10,7 доби після запліднення дозою 25 Р, виявив негативний вплив радіації на розвиток очей, а опромінення дозою 100 Р, обумовлювало 90% народжень зі скаліченими очима опромінення ембріонів пацюків через 9,2-9,75 год, після запліднення дозою 100 Р, за даними О.ҐІікса, спричиняються до розвитку важких дефектів голови. Дози до 100 Р через 6,5-8,5 доби після запліднення обумовлюють народження нащадків з роздвоєним піднебінням.
Дещо стійкішими до опромінення в утробі матері є плоди. Однак після опромінення а дозах 200-300 Р пацюків на стадії сформованих плодів народжувалися хворі нащадки з високою частотою смертності, а в тих, що вижили, мали місце: атрофія сім'яників, спотвореність кришталика очей, деформований мозок, спотворений скелет, вовча паща та інші дефекти.
У 1951 р. Ж.Ямлзакі та С.Райт обстежили дітей, що народилися від матерів які були вагітні ними і в період бомбардування Нагасакі знаходились від епіцентру вибуху атомної бомби (на відстані до 2000 м], а також самих матерів. Було обстежено 98 жінок. У процесі обстеження їх розділили на дві групи. До одної групи віднесли жінок з чіткими ознаками променевих пошкоджень, до другої — з незначними пошкодженнями.
З'ясувалось, що в жінок першої групи загальна смертність дітей в утробному і постнатальному періодах становила 43%, а в жінок другої групи — 9%. Крім того, серед дітей, що народилися від жінок першої групи, 25% виявились розумово відсталими, 12% — у п'ятирічному віці так і не навчилися розмовляти, а в решти дітей цієї сукупності проявились інші важкі променеві пошкодження.
В 1952 р. Ґ.Плуммер обстежив 205 японських дітей віком 4-5 років, які зазнали опромінення від вибуху атомної бомби в перші 1-3 місяці свого внутрішньоутробного життя. В підгрупі з 11 дітей, матер. яких під час вибуху були на відстані 1250 м від епіцентру, сім характеризувались суттєвою розумовою відсталістю, в одної дитини проявився монголоїдизм та Ідіотизм. У 24 дітей із 205 проявились дефекти очей. Переважна більшість дітей мала порушення в пігментації шкіри, мікроцефалію (зменшені розміри голови) та інші дефекти.
Узагальнюючи викладене, можна зробити висновок про те, що організм на ембріональній стадії розвитку значно чутливіший до руйнівної дії радіації, ніж у дорослому стані. Розрізняють три стадії внутрішньоутробного розвитку, на яких організм неоднаково реагує на енергію іонізуючої радіації.
До першої стадії відносять період від початку дроблення зиготи до завершення формування трьох зародкових листків. Ця стадія характеризується дуже високою чутливістю ембріонів до радіації, яка проявляється надто високою їхньою смертністю.
До другої стадії відносять період органогенезу. На цій стадії формуються всі органи організму, а також відбуваються процеси активної диференціації клітин, які поєднуються з процесами органотворення. На цій стадії зародок також досить чутливий до радіації, енергія якої сильно деформує напрямки процесів диференціації та органогенезу. Тому на дію енергії іонізуючого опромінення зародок відповідає формуванням великої кількості виродливостей. Зберігається високий рівень внутрішньоутробної та постнатальної смертності.
До третьої стадії відносять плідний період. Плід у вигляді сформованого організму виявляється більш стійким до радіації. Суттєво зменшується утворення виродків і знижується частота загибелі від дії радіації. Проте зростає частота аномалій тонких гістологічних структур. Новонароджені, віддані іонізуючому опроміненню в цей період, хворіли на променеву хворобу, мали аномалії пігментації шкіри, ламкість кровоносних судин, мікроцефалію, розумову відсталість та інші дефекти.
Зауважимо, що в основі молекулярних механізмів тератогенної дії іонизуючого опромінення лежать мутації, які індукуються поглинутою клітинами енергією радіації.
Крім іонізуючої радіації, здатна викликати мутації в генотипах живих організмів велика група хімічних речовин. За даними Й.Рапопорта та Й.Зоз деякі хімічні речовини за мутагенною дією суттєво перевершують іонізуюче опромінення. До них відносяться нітрозосечовини, нітрозогуанідин, деякі похідні іприту тощо. Сильними мутагенами є алкільні сполуки, вільні радикали та ін.
Висока тератогенна дія цих мутагенів безсумнівна. Вони надто небезпечні при застосуванні їх як хімічної зброї. Це наочно було продемонстровано в американо-в'єтнамській війні (1965-1973), коли для боротьби з в'єтнамськими партизанами в джунглях був застосований дефоліант "Оріндж", який містить сильний хімічний мутаген діоксин. (Дефоліанти —хімічні сполуки, які спричиняють опадання листя з рослин). Приблизно через п'ять років стало відомо, що в деяких американських та австралійських ветеранів цієї війни, котрим довелося стикатися з цим дефоліантом, незважаючи на те, що вони повернулися до дому здоровими, народилися діти, аномальні за деякими ознаками.
Як зазначалося, організм людини протягом року поглинає 0,95 мГр енергії іонізуючого опромінення, що еквівалентно експозиційній дозі 0,1145 Р. Ця енергія разом зі шкідливими метаболітами, які утворюються в організмі внаслідок обміну речовин, температурними шоками та іншими факторами середовища обумовлює спонтанне утворення генних і хромосомних мутацій. Щоб подвоїти рівень таких мутацій досить підвищити радіаційний фон на 10 Р. Якщо енергію цих 10 Р порівняти з природними факторами спонтанного мутагенезу, енергія яких становить лише 0,1145 Р, то легко зрозуміти, що природні хімічні речовини відіграють велику роль в індукуванні спонтанних мутацій. Звідси неважко дійти висновку, що забруднення середовища мутагенними факторами, зокрема пестицидами (ДДТ, гексахлораном, гранозаном, 2,4-Д тощо) та відходами промислового виробництва, таїть у собі небезпеки відчутного зростання частоти хромосомних і генних мутацій у генофондах популяцій людини.
Ось чому настав час категорично заборонити застосування пестицидів, хімікатів, лікувальних препаратів, харчових добавок тощо, які характеризуються властивостями мутагенів, а також відмовитися від будь-якого виробництва, відходи якого забруднюють середовище токсичними мутагенними речовинами.
Однією з проблем генетичної безпеки людини є малігнізація (від лат. malignus — шкідливий, згубний) — перетворення вихідно незлоякісної клітини в клітину злоякісної пухлини. При вивчені цього явища з'ясувалось, що спонтанні процеси малігнізації частіше не пов'язані з абераціями хромосом і не залежать від них. Виняток становить делеція, що проявилась у формі нестачі в районі великого плеча 21 -ї хромосоми людини. Така делеція була виявлена у хворого на хронічний мієлоїдний лейкоз в Філадельфії (США), тому її назвали філадельфійською хромосомою і позначили символом Ph. Однак не можна категорично стверджувати, що Ph-делеція причетна до малігнізації, оскільки вона проявляється не в усіх хворих на зазначену форму лейкозу.
Існує багато доказів відносно того, що злоякісний ріст обумовлюється генними мутаціями, дією онкогенів та антионкогенів. Разом з цим встановлено, що тварини інбредних ліній одного і того ж виду уражуються хворобами злоякісного росту з різною частотою, тобто в одних лініях тварини хворіють дуже часто, в інших — дуже рідко. Звідси стає зрозумілим, що такі факти спричинені певними спадковими факторами.
Наприкінці першого та на початку другого десятиліть XX ст. з'явилися докази на користь того, що існують віруси, які обумовлюють захворювання курей на лейкози та саркоми. Відкритий у 1936 р. Дж.Бітнером у мишей так званий фактор молока, який обумовлював рак молочних залоз, виявився вірусом. Розгорнуті в цьому напрямку дослідження показали, що вірусна інфекція кору, вітряної віспи, гепатиту, менінгіту, свинки та інших хвороб спричиняється до розривів хромосом в інфікованих клітинах тварин та людини. З'ясувалось, що вірусні пошкодження хромосомного матеріалу обумовлюють явища мітотичної нестабільності й стимулюють процеси становлення хромосомних мутацій. Внаслідок цього з'являються клони мутантних клітин, серед яких нерідко трапляються клони, в котрих започатковуються процеси малігнізації.
У численних дослідженнях, проведених у 50-70-х pp. XX ст., було виявлене існування онкогенних вірусів, які індукують злоякісний ріст клітин у тварин і здатні трансформувати нормальні клітини людини in vitro в злоякісні. Онкогенні віруси відрізняються від Інфекційних тим, що, проникнувши у клітину тварини чи людини, вони, на відміну від Інфекційних вірусів, не вбивають цієї клітини, але змінюють її властивості. Така клітина починає бурхливо розмножуватись. Клітини-нащадки успадковують цю властивість, що спричиняються до їхнього активного злоякісного росту, який не підпорядковується регуляторним механізмам відповідного організму. На відміну від звичайних інфекційних вірусів, які можна легко виділити з Інфікованих ними тканин, онкогенні віруси важко виявити в пухлинах і ще важче виділити з них.
Ще в 1945 р. Л.Зільбер сформулював вірусну теорію злоякісного росту. В 1953 р. А.Львов показав, що ДНК фага здатна вбудовуватись у хромосому бактерії. Саме вбудовування та інтеграція ДНК онкогенних вірусів з ДНК хромосом інфікованих клітин І передбачались вірусною теорією. Присутність вірусних геномів у хромосомах клітин змінює процеси обміну речовин у відповідних клітинах так, Ідо вони починають активно ділитись,
Проте, за даними М.Коллета І Р.Ерsксона, трансформацію нормальних клітин у злоякісні здійснює не сам по собі геном онковірусу, а Src-ген. З'ясувалось, що Src-білок, який кодується цим геном, індукує процеси малігнізації. В 1979-1981 рр. Г.Оперман та інші вчені виявили в клітинах курчат, пацюків, людини білок Src-гена. Було встановлено, що в генотипах цих видів є нуклеотидні послідовності Src-гена, тобто в генотипах тварин і людини є онкогени, вірніше протоонкогени, які переносяться онковірусами від одних клітин до інших шляхом трансдукції.
Локалізуючись у геномах людини чи тварини, Src-протоонкогени не проявляють своєї функціональної активності, оскільки в нормі вона залишається пригніченою. На відміну від генів еукарютів, гени вірусів характеризуються надто високоактивними промоторами. За даними Г.П.Георгієва (1969, 1981), онковірус, включаючись у хромосомну ДНК клітини по сусідству з її протоонкогеном, може трансформувати його в активний онкоген своїм промотором. Наприклад, вірус лейкозу крові, вбудовуючись у клітину ДНК по сусідству з протоонкогеном, саме своїм промотором трансформує його в активно функціонуючий онкоген. При цьому з'ясовано, що вбудовування та інтеграція ДНК вірусу з ДНК хромосоми не направляється жодним вектором. Цей процес підпорядкований закону ймовірностей. Тому не кожне вбудовування ДНК онковіруоу в ДНК клітини індукує злоякісний ріст. Це трапляється лише тоді, коли геном вірусної частки переносить з собою онкоген з попередньої клітини або коли він несподівано вбудується в ДНК клітини по сусідству з її протоонкогеном.
Вірусна теорія злоякісного росту виявилась придатною для ДНК-вірусів, але здавалось, що вона незастосовна для РНК-вірусІв. Ця складність була усунута завдяки дослідженням, виконаним у 1 970 р, в лабораторіях Г.ТьомІна І Т.Балтімора (CLUA). В цих лабораторіях було показано, що РНК-онковІруси під впливом ферментів, названих РНК-залежними ДНК-полімеразами, здатні на своїх молекулах РНК синтезувати молекули ДНК, тобто передавати інформацію з молекул РНК на молекули ДНК.
З відкриттям зворотної транскрипції в онковірусів стало ясно, що РНК-онковіруси можуть вбудовувати в ДНК інфікованих ними клітин свої ДНК-копії, зняті з геномів РНК. Так онкогеннІ віруси були названі ретровірусами
Отже, в процесі вивчення закономірностей виникнення хвороб злоякісного росту були одержані докази відносно того, що ДНК-копії РНК-вірусів вбудовуються в ДНК хромосом тварин і людини. Встановлено також, що вбудовані ДНК-копії РНК-вірусІв, перокомбіновуючись з ДНК хромосом, залучають до складу своїх геномів гени клітин-господарів і трансдукують їх в інші клітини. Зважаючи на це, вірусну теорію злоякісного росту ще почали називати вірусогенетичною теорією.
Підсумовуючи викладене, неважко дійти висновку, що забруднення середовища виробничими І побутовими хімічними відходами та іонізуючою радіацією становить небезпеку для генофонду популяцій людини, для її спадкових структур, в яких індукуються процеси суттєво прискореного зростання генетичного тягаря.
Безпека існування людства в XXI ст. вимагає;
Еволюція генетичної програми людини сформувала м інтелект шляхом добору особин, найздатніших до пізнання навколишнього світу, здійснення пристосовної діяльності, доцільної колективної взаємодії в межах сім'ї, роду, племені. Отже, добір особин, що характеризувались найрозвиненішим інтелектом, започаткував еволюцію розуму як вищої форми діяльності людини. Позитивні і негативні досягнення в цій діяльності закріплювались у пам'яті людей як життєвий досвід, котрий збільшувався внаслідок накопичення знань і навичок, набутих людиною в боротьбі за існування. Проте збереження в пам'яті людей знань та навичок без передачі їх нащадкам є неможливим. Тому в процесі еволюції людини така передача здійснювалась не тільки шляхом демонстрації певних засобів праці одними або прикладів поведінки і повторенням їхніх дій іншими, а й шляхом супровідного вимовляння дискретних звукових сигналів, які набували певних смислових значень. Таким чином у трудовій діяльності людей зі збільшенням досвіду зростала кількість осмислених звукових сигналів, якими поступово стали обмінюватись люди, що входили до складу відповідних етнічних спільнот. Започатковувались процеси мовотворення.
Трудова діяльність людей вимагала інтенсифікації передачі окремими індивідами своїм нащадкам накопиченого досвіду з життєво важливих питань (наприклад, добування їжі, виготовлення одежі, спорудження житла та захисту свого племені від нападу ворогів тощо. Зростало і зміцнювалось усвідомлення того, що накопичена в пам'яті система знань, вироблена суспільно-трудовою діяльністю людей, має систематично реалізовуватись в їхні матеріальні достатки. Усвідомлення цього факту стало рушійною силою фантастично швидкої духовної еволюції людини. Про це свідчить наскельне мистецтво, яке виникло 40-50 тис. років тому в процесі духовного становлення людини як істоти розумної (Homo sapiens). Майже 10 тис. років тому людина почала свідомо одомашнювати різних тварин і вводити в культуру деякі види рослин, добираючи вихідний матеріал з дикої природи. Протягом останніх 2000 років активно накопичувались наукові знання в галузі гуманітарних та природничих наук, які протягом останніх 300-400 років були покладені в основу науково-технічного прогресу (в матеріальному виробництві) та духовного збагачення людства.
Накопичення знань, навичок, традицій, набутих людиною в процесі суспільно-трудової діяльності і відкладених у пам'яті людей, не втрачається, а задовго до їхньої смерті передається кожному новому поколінню шляхом виховування дітей. Так сформувалося соціальне спадкування людини.
Дослідження з питань індивідуального розвитку людини показали, Ідо особистість будь-якого індивіда в процесі його становлення залежить від реалізації двох програм: генетичної та соціальної,
Генетична програма представлена сукупністю всіх генів, які входять до складу геному та плазмону, повторюючись у кожній клітині організму. Якщо взяти до уваги, що в гаметогенезі та при заплідненні організму відбувається перекомбінація генів з частотою Зn (де n — число пар генів у гетерозиготному стані, а воно може дорівнювати сотням і навіть тисячам), то стає зрозумілим, що ймовірність утворення двох однакових генотипів наближається до нуля. Тому генотип кожної людини є неповторним, унікальним. А це означає, що І кожна людина є унікальною особистістю, зі своїм неповторним "я". Від покоління до покоління генетична програма передається через статеві клітини. На початку даного розділу вже зазначалось, що людина у своєму рості, розвитку та розмноженні підпорядкована тим самим біологічним законам, що й асі інші диплоїдні види організмів, тобто в цьому відношенні людина не відрізняється від них.
Однак генотип людини суттєво відрізняється від генотипу тварин запрограмованим у ньому високим рівнем природженого інтелекту. Завдяки цьому в процесі виховування в дітей швидко розвивається розумова активність, яка згодом переростає у творчу діяльність, тим часом найвитонченіше виховування тварин, у тому числі й антропоїдів, виявляє в них лише незначні зачатки інтелекту, котрих не досить для розвитку розумової" діяльності.
Реалізація генетичної програми людини йде від утворення зиготи, якою започатковується ембріональний розвиток майбутнього організму. При цьому включення в роботу та виключення з роботи генів, які на різних етапах розвитку забезпечують формотворення і ріст організму, відбувається під контролем його генотипу.
В сучасному суспільстві соціальна програма складається з таких соціальних надбудов, як наука, гура, релігія, асі форми соціальної поведінки людей тощо. На відміну від генетичної, соціальна про передається кожному новому поколінню шляхом його виховування. При цьому вона кожного разу посилюється за рахунок удосконалення раніше набутих та заново опанованих знань.
Природна здатність людини не тільки відкладати І зберігати в пам'яті знання та досвід, набуті І цесі її трудової діяльності, але й шляхом виховування передавати все це новим поколінням у соціальної спадковості, і обумовила можливість становлення розуму і виділення людини з тваринного світу. Досвід показує, що за обмеження процесу виховування дитини лише засвоєнням нею елементарних побутових знань і навичок, без ознайомлення її із здобутками культури, науки, релігії, із закріпленням її свідомості форми поведінки в суспільстві тощо, уявлення такої дитини (а згодом і людини) навколишній світ залишаються на рівні наших предків, які жили десятки тисяч років тому. Прикладом цього можуть служити деякі племена бушменів у пустелі Калахарі або деякі племена в Південній та Південно-Східній Азії, ізольовані від основних популяцій людей гірськими хребтами. Але досить таким л особливо з дитинства, надати інформацію про досягнення сучасної науки, культури та про інші суспільства, як ці нащадки, здавалось би, "примітивних" людей, відразу підіймаються до культури науково-освітнього рівня сучасної цивілізованої людини.
В наш час соціальна програма людства характеризується надто високим рівнем розвитку культури, науки та виробництва. Суспільством створюються умови для повного розкриття здібностей кожної мої людини. Генетична унікальність у поєднанні з соціальними характеристиками людини створює черпну різноманітність творчих індивідів у сукупностях людей. Цим прискорюється прогрес культури, науки і виробництва. Розширюється й удосконалюється соціальна програма. Разом з цим ретельні антропологічні та археологічні дослідження показали, що протягом останніх десятків тисяч років не відбулося ніяких видимих змін у фізичній будові організму людини. Між колишніми кроманьйонцями і суча людьми не виявлено помітних змін у фенотиповому прояві ознак. Це свідчить, що еволюція людини вийшла з-під провідного контролю біологічних факторів і направляється дією соціальних факторів.
Лекція 9
Тема: «Основи селекції тварин і рослин»
Питання:
Термін селекція (від лат. selectio — добір) в одному зі своїх тлумачень означає — наука, що розробляє теорію та методи створення нових та вдосконалення існуючих форм рослин, тварин і мікроорганізмів. Теоретичною основою селекції е генетика. Тільки глибокі знання законів мінливості й успадковування ознак дасть змогу селекціонерові грамотно планувати та провадити селекційну роботу. Звичайно, крім генетики, селекціонер має досконало знати біологію обраного об'єкта досліджень, закономірності його розмноження, росту та розвитку його особин, їхню стійкість до інфекційних хвороб та інших несприятливих факторів середовища. Проте селекційні програми по створенню нових сортів рослин і порід тварин насамперед твердо базуються на генетичних принципах, спираючись на закони генетики.
Як і будь-яка наука, селекція має свій предмет та методи досліджень. Предметом селекції є вивчення в створених людиною умовах закономірностей зміни, процесу розвитку, перетворення рослин, тварин та мікроорганізмів. Що ж до методів селекції, то ними є генетичні методи індукованих форм мінливості ознак та штучний добір. Власне останній є провідним у будь-яких програмах селекційної роботи.
Сільськогосподарське виробництво є провідною галуззю господарства будь-якого суспільства. В свою чергу, селекція забезпечує сільськогосподарське виробництво високоврожайними сортами культурних рослин та високопродуктивними породами тварин. За рахунок цього зростає продуктивність праці в сільському господарстві. З цієї точки зору селекція набуває великого значення у виробничій діяльності людини.
ПОНЯТТЯ ПРО ПОРОДУ ТА СОРТ
Вже в глибоку давнину людина помітила, що завдяки мінливості в межах кожної популяції рослинних і тваринних організмів народжуються особини з різними рівнями стійкості до несприятливих умов середовища, з неоднаковою плодючістю й життєздатністю, з різними іншими ознаками. Ще тоді виявилось, що переважна більшість нащадків високоплодючих особин успадковує ознаку високої плодючості, а ознака високої життєздатності батьків успадковується більшістю їхніх нащадків тощо. Тому вже в античні часи людина відбирала для розмноження насіння з кращих рослин та нащадків від кращих тварин.
Ці, на перший погляд, примітивні методи штучного добору, якими користувались протягом ряду тисячоліть, дали гарні результати, була створена величезна кількість сортів культурних рослин та порід свійських тварин. При цьому з'ясувалось, що більшість з них, поєднуючи такі ознаки, як стійкість до хвороб і шкідливих комах, а також стійкість до інших несприятливих умов середовища, є високоплодючими та високопродуктивними. Деякі з цих сортів рослин та порід тварин виявились настільки досконалими, що навіть із застосуванням сучасних методів селекції їх не вдається суттєво поліпшити.
Культурні рослини та свійські тварини походять від своїх диких предків. У процесі окультурювання й одомашнювання всі вони набули господарсько-цінних ознак, формуванню яких сприяв штучний добір. Наприклад, висока м'ясо-молочна продуктивність тварин або висока білкова чи висока цукриста продуктивність рослин не мають значення в еволюції рослинного чи тваринного організму. Але за допомогою штучного добору людина формувала альтернативні ознаки в тварин та рослин з таким розрахунком, щоб вони забезпечували максимальну продуктивність. Тому свійські тварини і культурні рослини не пристосовані до самостійного існування. Жодна свійська тварина чи культурна рослина, будучи залишеною сам на сам з природними умовами середовища, тобто в дикій природі, не виживе.
Виходячи з фенотипових та генетичних властивостей порід тварин і сортів рослин, цим поняттям можна дати таке визначення: сортом чи породою називають таку популяцію організмів, яка має спільне походження, створена шляхом штучного добору і характеризується спадково закріпленими ознаками високої господарської продуктивності. Так, кращі сорти пшениці, створені українськими селекціонерами, у поєднанні з сучасними методами вирощування, дозволяють одержувати врожаї по 60-80 ц/га зерна. Або, наприклад, в Данії щорічні надої молока від кращих корів Джерсейської породи становлять понад 7,2 т при жирності вище 6-7%, а в Англії кращі сорти картоплі забезпечують урожай по 700-800 ц/га.
Нагадаємо, що вплив добору, природного чи штучного, буде тим ефективнішим, чим вище мінливість ознак, які підпадають під дію цього добору. Саме мінливість вихідного матеріалу є тією першоосновою, котра необхідна для створення нових порід тварин та сортів рослин. При цьому найважливішу роль відіграють усі форми спадкової мінливості, в тому числі й мутаційна та комбінаційна. Що ж до модифікацій, то оскільки ця форма мінливості не упадковується, вона суттєво ускладнює проведення штучного добору.
ФОРМИ ШТУЧНОГО ДОБОРУ
Вчення про штучний добір було розроблене Ч. Дарвіним. У своїх працях "Походження видів..." (1859) та "Мінливість тварин і рослин у стані одомашнювання" (1868) він розрізняв три форми добору, які діють у процесі формування нових порід тварин та нових сортів рослин, а саме: природний добір, несвідомий добір та методичний добір.
Природний добір. Саме під його впливом в популяціях різних видів тварин та рослин сформувались ознаки, за якими людина виділяла з дикої природи та вводила в культуру відповідні організми. Крім того, в процесі одомашнювання тварин та окультурювання рослин, а також у процесі створення нових порід і сортів природний добір продовжує діяти незалежно від волі людини. Це обумовлено невпинністю процесів мутаційної мінливості. Процеси спонтанного мутагенезу можна посилити або послабити, але не можна зупинити.
Мутаційна мінливість під впливом природного добору здатна вносити в генотипи порід або сортів видозміни деяких ознак, формування яких не передбачалось селекціонером.
Несвідомий добір. Це форма штучного добору, яка здійснювалась людиною несвідомо, без будь-якого намагання вивести нову породу. Ця форма добору складалася стихійно, бо людина завжди залишала на плем'я кращих тварин, а для посіву— добре насіння, а в їжу або на інші потреби першими використовувала тварин та плоди рослин, які за розвитком ознак поступались кращим екземплярам. Несвідомий добір невпинно відбувається протягом багатьох тисячоліть. Тому він обумовив формування популяцій тварин і рослин з ознаками, притаманними лише певній природно-кліматичній зоні або певному географічному регіону. Такі популяції дістали назву місцевих порід, сортів або популяцій. Зауважимо, однак, що протягом останніх двох-трьох століть на формування місцевих порід чи сортів впливають генотипи порід та сортів, які епізодично ввозяться з інших регіонів.
Методичний добір. Це форма свідомого штучного добору. Він застосовується людиною в разі бажання або необхідності внести зміни у формування ознак породи чи сорту в сторону певного ідеалу. Людина свідомо здійснює добір і використовує для розмноження лише тих особин, фенотипові ознаки яких у своєму прояі більшою мірою відповідають очікуваному ідеалу. Методичний добір протягом кількох або багатьох поколінь дозволяє досягнути бажаних результатів.
Перевідкриття та осмислення законів Менделя показало, що ці закони дозволяють прогнозувати частоту нащадків з генотипами з комбінацій генів, які контролюються дослідником. Саме цей факт виявився дуже важливим у практиці селекційної роботи. Закони Менделя для вирішення питань практичної селекції вперше використав В. Йогансен при створенні вчення про чисті лінії. Це вчення допомогло селекціонерам усвідомити теоретичну сутність та практичну значущість індивідуального добору в селекції самозапильних рослин. На основі цього вчення був розроблений метод лінійної селекції, котрий пізніше дозволив перейти до аналітичної селекції самозапилювачів.
Метод лінійної селекції дає можливість шляхом індивідуального добору в межах місцевого сорту чи популяції розділити дану сукупність на лінії, з яких вона складається. При порівнянні цих ліній між собою за цінними ознаками виявляють кращі з них, з тим щоб перевести їх у ранг нових сортів.
Другим важливим методом, який був суттєво поглиблений і вдосконалений на основі законів Менделя, є метод синтетичної селекції. Суть його полягає в тому, що виділені із сортів-популяцій чисті лінії з різними господарсько-цінними ознаками схрещують між собою, а серед гібридних нащадків наступних поколінь виділяють елітні особини, в генотипах яких містяться комбінації неалельних генів, котрі обумовлюють формування цінних ознак обох вихідних форм. Цей метод використовувався дослідниками здавна, але він був малоефективним, доки селекціонери не отримали необхідну теоретичну базу. З перевідкриттям законів Менделя була створена надійна основа для прогнозування частот нащадків з певними комбінаціями генів у другому чи наступних гібридних поколіннях, котре гарантувало безпомилковий очікуваний селекційний ефект за певних схем дослідів.
З осмисленням перевідкритих законів Менделя сформувалось поняття комбінаційної здатності генотипів ліній, сортів і навіть окремих організмів. Комбінаційна здатність — це відносний рівень життєздатності та продуктивності нащадків від схрещування партнерів, які належать до різних ліній, сортів (порід) чи різновидів. Розрізняють загальну комбінаційну здатність та специфічну комбінаційну здатність.
Загальна комбінаційна здатність — це середній рівень прояву гетерозису в нащадків від схрещування між собою ліній, сортів рослин чи порід тварин з будь-якими досліджуваними партнерами. В селекційній роботі для виявлення загальної комбінаційної здатності користуються методами діалельних, топкросних, полікросних та вільних схрещувань. Під діалельними чи поліалельними схрещуваннями розуміють схрещування особин окремої лінії або окремої сім'ї з особинами інших ліній або сімей в усіх можливих прямих і реципрокних комбінаціях з метою вивчення їхньої комбінаційної здатності. Кількість можливих комбінацій між різними лініями при прямих схрещуваннях становитиме
n2 – n ,
2
де n — кількість ліній, які залучаються до схрещувань.
Топкрос (від англ. top — покривати і crossing — схрещування) — один з методів селекції, який полягає в схрещуванні різних ліній (сортів, порід) з чоловічими особинами спеціально підібраної форми, на фоні генотипу якої в нащадків проявляються генотипові особливості протилежної батьківської форми. Полікрос — це вільне перезапилення дослідних зразків рослин пилком багатьох інших форм. Серед нащадків від цих перезапилень добирають кращі гібриди для використання в селекційній роботі. Цей метод ефективний у селекції рослин з перехресним запиленням.
Специфічна комбінаційна здатність — це здатність будь-якої лінії або сорту (породи) від схрещування зі своїм партнером започатковувати нащадків з певним сплеском гетерозису. Специфічну комбінаційну здатність визначають методами діалельних схрещувань.
Якщо внаслідок високої комбінаційної здатності залучених до схрещування партнерів у гібридних поколіннях нащадків з'являться особини з господарсько-цінними ознаками обох батьківських форм, то в самозапильних рослин кожна з таких елітних особин може стати родоначальником нового сорту, а в рослин з перехресним запиленням вона ефективно використовується в подальшій селекційній роботі.
Величезний вклад у розвиток синтетичної селекції зробив видатний російський вчений, ботанік, генетик, основоположник сучасного вчення про біологічні основи селекції та вчення про центри походження культурних рослин М.І. Вавилов. Відкритий ним закон гомологічних рядів у спадковій мінливості організмів (1920) засвідчив, що в живій природі існують гомологічні ряди спадкової мінливості, які є величезною матеріальною основою для свідомого використання законів Менделя в селекції. Численні ботаніко-агрономічні експедиції, організовані М.І. Вавиловим, у найрізноманітніші природно-кліматичні зони земної кулі, дозволили зібрати понад 300 000 зразків насіння місцевих сортів рослин у різних країнах світу (країнах Середземномор'я, Північної Африки, Північної та Південної Америки). Вивчаючи особливості рослинності певних природно-кліматичних зон, М.І. Вавилов встановив на їхній території стародавні вогнища формоутворення культурних рослин і на цій підставі обґрунтував учення про центри походження культурних рослин. Саме вони складають своєрідні банки вихідних генів, адаптованих до певних умов існування. Тому генетичне оздоровлення існуючих сортів культурних рослин можливе лише за рахунок генів, узятих у центрах їхнього походження. Зібрана М.І. Вавиловим найбільша в світі колекція насіння культурних рослин плідно вплинули на загальний розвиток селекції.
Нерідко гібридні нащадки F2 розщеплюються фенотиповими ознаками на групи в таких співвідношеннях, що виникає сумнів відносно закономірностей, яким має бути підпорядковане це розщеплення. Тоді дослідник, спираючись на генетичні закони спадковості, може висунути, робочу гіпотезу для пояснення одержаних даних. Якщо за допомогою робочої гіпотези обчислити теоретично очікувані частоти і порівняти їх з частотами одержаними в досліді, то ступінь відповідності розподілу фактично одержаних і теоретично обчислених частот покаже, наскільки ці розподіли відповідають один одному.
В статистиці робочу гіпотезу ще називають нульовою гіпотезою. Це означає, що в разі підтвердження робочої гіпотези, різниця між експериментальне одержаним та теоретично розрахованим розподілами дорівнює нулю.
Ступінь відповідності фактичних даних очікуваним обчислюють за допомогою критерію відповідності, який називають критерієм х2 (Хі-квадрат).
Порівняння табличного значення з експериментальне одержаним показує, що емпіричне значення х" менше від його табличних значень для трьох порогів ймовірності. Цим самим доводиться, що експериментальне одержаний розподіл дат (f) не відрізняється вірогідно від теоретично очікуваного розподілу (F). Ці дві сукупності сумісні. Отже, робоча гіпотеза приймається, як статистичне доведена.
СЕЛЕКЦІЙНИЙ ДОБІР ЗА КІЛЬКІСНИМИ ОЗНАКАМИ
Переважна більшість ознак у певних організмів відрізняється кількісним проявом своєї мінливості в процесі розмноження. Кількісну мінливість відносять до такої мінливості, при якій числове значення ознаки в сукупності однотипних організмів утворює неперервний ряд класів, з яких складається варіаційний ряд. Нагадаємо, що в дослідах Менделя на різних сортах гороху кожний ген відрізнявся від свого алельного партнера високою переривчастістю. Саме завдяки цьому ефекту Мендель виявив одиниці спадковості — гени. Проте такі ознаки, як маса організму, його лінійні та об'ємні розміри, темпи росту, місткість певних речовин у різних складових частинах даного організму та інші характеризуються безперервністю переходу від одного розміру ознаки до іншого.
Наприклад, за формою насіння гороху буває гладеньке або зморшкувате, а от вміст білка в окремих насінинах гороху в різних сукупностях може змінюватись від 22 до 34% з безперервними переходами в їх ранжирному ряду від насінини до насінини. Численні дослідження показали, що кількісні ознаки формуються під впливом багатьох неалельних генів однозначної дії. Тому на відміну від якісних ознак, котрі успадковуються альтернативне, кількісні ознаки успадковуються полігенно. Звідси, полігенне успадкування можна уявити як функцію цілої системи генів, взаємодія яких протягом розвитку організму обумовлює кількісні ефекти різних ознак і служить генетичною основою кількісної мінливості.
Важливою особливістю полімерних генів є те, що від схрещування особин, які відрізняються між собою за кількісною ознакою, завжди відтворюються нащадки з проміжним успадкуванням даної ознаки. Отже, властивість домінування в даному разі не проявляється. Свого часу (1916 р.) Е.М. Іст вивчив закономірності успадковування довжини віночка в тютюну. Від схрещування коротковіночкових рослин з довговіночковими було одержано F, з проміжною довжиною віночка. Як видно з наведеного рисунка, мінливість нащадків F2 за цією ознакою суттєво розширилась, а в F3 нащадки від окремих особин утворили сукупності, які в сумі ще більше розширили цю мінливість. Проте найважливішим є те, що вже добір в F2 ефективно проявляється серед ізольованих груп нащадків у F3.
Зазначимо, що аналогічна закономірність в успадкуванні кількісних ознак характерна для всіх інших видів організмів. Це стосується, зокрема, лінійних та вагових розмірів живих організмів, концентрації певних поживних речовин у рослинній і тваринній продукції тощо. Однак через складність генетичних систем, які обумовлюють розвиток кількісних ознак, суттєво утруднюється добір за цими ознаками в процесі селекційної роботи. Тому на допомогу селекціонерові приходять методи статистичного аналізу. Найпростішим з них є метод порівняння середніх значень господарсько-цінної ознаки, яка проявляється в порівнюваних сукупностях.
Суть методу полягає в тому, що середні значення ознаки добраних особин порівнюють (із застосуванням відповідних статистичних критеріїв вірогідності) з середніми значеннями аналогічної ознаки у сукупності контрольних особин.
Визначення ступеня вірогідності різниці між середніми порівнюваних сукупностей не дає інформації про залежність характеру прояву кількісної ознаки від певних генів. Разом з тим, у практиці селекційної роботи нерідко треба визначити, чим обумовлюється мінливість кількісної ознаки в тій чи іншій сукупності організмів. Адже відомо, що мінливість ознак може обумовлюватись як гетерозиготним станом генотипу, так і модифікуючим впливом умов середовища. Але оскільки формування кількісних ознак обумовлюється кількома (або й багатьма) неалельними генами однозначної дії, для того, щоб з'ясувати їхню кількості для певної ознаки в певного виду організмів, необхідно провести досить трудомісткі дослідження протягом десятків поколінь.
Щоб уникнути зазначених складностей, селекціонери користуються коефіцієнтом успадкованості. Цей коефіцієнт визначає розміри тієї частки генетичної компоненти в фенотиповій мінливості кількісної ознаки, яка обумовлена функцією відповідної системи полімерних генів однозначної дії. Тому коефіцієнт успадкованості дає можливість судити лише про питому вагу генотипової мінливості ознаки в певній сукупності організмів.
Коефіцієнт успадкованості вимірюється частками одиниць і в процесі характеристики будь-якої кількісної ознаки може набувати різних значень. Наприклад, за ознакою жирномолочності великої рогатої худоби в різних стад коефіцієнт успадкованості може змінюватись від 0,2 до 0,9 частки одиниці, за ознакою довжини тіла в свиней — від 0,3 до 0,9, за ознакою ваги курячих яєць— від 0,1 до 0,8 тощо. При цьому проявляється така закономірність, чим вище однорідність сукупності організмів за певною ознакою, тим менше коефіцієнт успадкованості. І навпаки, цей коефіцієнт тим більший, чим більша різноманітність особин сукупності за даною ознакою. Оскільки висока однорідність особин за кількісною ознакою обумовлюється гомозиготним станом полімерних генів, то й штучний добір за цією ознакою в межах відповідної сукупності буде малоефективним. Зате він виявляється високоефективним у межах груп організмів за ознаками, які характеризуються високою різноманітністю.
Отже, використання коефіцієнта успадкованості дозволяє селекціонеру свідомо планувати напрямки селекційного добору, здатного забезпечити максимальну ефективність його праці.
ГЕТЕРОЗИС, ЙОГО ЗНАЧЕННЯ, ПРОБЛЕМИ ТА ЗАКРІПЛЕННЯ.
З узагальнень, викладених у розділі XIX, випливає, що гетерозис у різних ситуаціях обумовлюється функціональною взаємодією найрізноманітніших генів у таких комбінаціях, які іноді спричиняють високий сплеск гібридної сили. Ці комбінації, проходячи через мейоз, частково руйнуються, а в процесі запліднення гени заново комбінуються між собою. Отже, сплеск гетерозису, що виник завдяки утворенню вдалої комбінації генів, іноді раптово, а іноді поступово згасає в наступних поколіннях. Однак у процесі еволюції видів виникли такі комбінації спадкових структур організмів, які переходять через мейоз неушкодженими. Гетерозис виявляється закріпленим і стабільно успадковується новими поколіннями. Крім того є й такі комбінації, які в мейозі руйнуються незначною мірою, і сплеск гетерозису поступово згасає протягом 8-12 поколінь. В деяких випадках закріплення гетерозису є неповним. Але в еволюції видів і таке закріплення відіграє позитивну роль.
Звичайно, селекціонер має знати про створені природою механізми закріплення гетерозису з тим, щоб якнайповніше використати їх у селекційній роботі. Це потрібно для розробки нових генетичних методів закріплення гетерозису. Сучасні методи селекції та насінництва сільськогосподарських культур дозволяють цілеспрямовано використати ефект гетерозису лише в гібридів першого покоління. При цьому процеси насінництва досить складні. Тому проблема розробки методів закріплення гетерозису в селекції рослин є актуальною, її успішне вирішення суттєво збільшило б можливості сільськогосподарського виробництва.
Розглянемо встановлені наукою механізми закріплення гетерозису, які апробовані дією природного добору.
Алополіплоїдія — це подвоєння числа хромосом, привнесених у гібридну зиготу гаметами двох різних, але філогенетично близьких таксономічних видів або родів. Якщо каріотип одного диплоїдного виду містить у своєму складі два хромосомних геноми АА, а каріотип іншого виду — геноми ВВ, то від міжвидового схрещування утворюється зигота з хромосомами АВ-геномів. При цьому будь-яка хромосома геному А не має гомологічного партнера в геномі В чи навпаки. Тому в мейозі АВ-організму кожна з хромосом обох геномів, будучи позбавленою свого гомологічного партнера, не має з ким кон'югувати. Втрачається можливість нормального розподілу хромосом між дочірніми клітинами. Утворені гамети з порушеними числами
хромосом виявляються нежиттєздатними. Тому гібридні АВ-особини стерильні в статевому
відношенні. Подвоєння числа хромосом в АВ-гібрид-них особин започатковує алополіплоїд ААВВ-каріотипу. В процесі подвоєння кожна хромосома відтворює свою сестринську пару. В мейозі кон'югація сестринських гомологів в алополіплоїда відбувається так само в диплоїдів. Тому їх ще називають амфідиплоїдами, тобто такими міжвидовими гібридами, в каріотипах яких містяться повні диплоїдні набори хромосом батьківських видів. Унаслідок нормалізації мейозу в амфідиплоїдів повністю відновляється плодючість. Разом з цим нащадки успадковують усі ознаки, в тому числі і рівень гетерозису без будь-якого розщеплення.
Штучні алотетраплоїди були створені в 1927 p., Г.Д. Карпеченком. Від схрещування капусти з редькою він одержав стерильні гібриди, а при подвоєнні числа хромосом виникли амфідиплоїди BBRR-каріоти-пу, котрі нормально розмножувались. Ботаніки назвали цей амфідиплоїд Raphanobrassica.
У 1935 р. В. О. Рибін, схрестивши терен (2п-32) з аличею (2п=16), одержав стерильний гібрид. Подвоєння хромосом у гібрида показало, що Рибін не просто відновив плодючість, але і відтворив 48-хромосомну домашню сливу.
Детальне вивчення явища поліплоїдії показало, що механізми побудови каріотипів апополіплоїдів не тільки відновлюють плодючість у міжвидових гібридів, але і надійно закріплюють набутий гібридом гетерозис.
Гетерогеномність. Гетерогеномними є такі організми, каріотипи яких складаються з двох або з кількох неспоріднених геномів, котрі належать до одного і того самого таксономічного виду. А це можливо лише в поліплоїдії.
Явище гетерогеномності, яке проявилось в арахісу (Arachis hypogaea), було відкрито українським генетиком В.П. Мірютою в 1948 р. Відомо, що арахіс при розмноженні стабільно успадковує всі господарсько-цінні ознаки. Проте схрещування між формами різного походження показало, що чисті лінії цієї культури є тетраплоїдними, оскільки міжлінійні гібриди розщеплюються у співвідношенні 35 : 1, як і очікується теоретично. Це дало підстави зробити висновок про те, що автотетраплоїдний арахіс походить від високо гетерозиготних внутрішньовидових гібридів, у яких спонтанно подвоїлось число хромосом. Саме цим був обумовлений перехід до нового, складнішого гібридного стану, від гетерозиготності до гетерогеномності. За даними Мірюти, гетерогеномний стан у тетраплоїдних гібридів арахісу характеризується явищем вибіркової кон'югації сестринських хромосом у мейозі.
На диплоїдному рівні хромосоми гомологічних геномів при їхній високій гетерозиготності нормально кон'югують і утворюють два генотипових сорти гамет домінантного та рецесивного генотипів. Проте після подвоєння числа хромосом даного гібрида кожна хромосома відтворить свою сестринську пару. Отже в каріотипі автотетраплоїда кожна група з чотирьох хромосомних гомологів представлена двома парами сестринських хромосом.
Зазначимо, що внаслідок безперервності спонтанного мутагенезу, як правило, виникає суттєва різниця в ступені гомології між хромосомами-гомологами неспорідненого та між гомологами сестринського походження. Між неспорідненими гомологами ступінь гомології значно менший 100%, а між сестринськими — майже завжди дорівнює 100%. Звідси, відповідно до схеми сестринські пари хромосом повинні кон'югувати бівалентами, роблячи можливим утворення лише одного генотипового сорту гамет Аа-генотипу. Зливаючись при заплідненні, ці гамети забезпечують незмінне відтворення високогібридних генотипів автотетраплоїдів.
Отже, закріплення гетерозису шляхом гетерогеномності в арахісу зробило плоди цієї культури справжнім харчовим концентратом (в його насінні міститься понад 50% олії, 24-30% білків та до 6% цукрів). У багатих умовах землеробства на Півдні України арахіс може давати врожаї зерна до 20-25 ц/га, а в тропіках — до 40 ц/га.
Гетерогенність. Цим терміном позначають властивий будь-якому організму стан, при якому в генотипі його окремої гамети міститься більше одного алельного гена. Зрозуміло, що злиття двох однаково гетерозиготних гамет у процесі запліднення обумовить утворення зиготи, з якої і започатковується гетерогенний організм.
Гетерогенність виникає завдяки утворенню дуплікацій, внаслідок чого подвоюється або і більш суттєво помножується доза кожного дуплікованого гена. Нагадаємо, що дуплікація — це одна із форм хромосомних мутацій, які виникають у результаті хромосомних перебудов під впливом мутагенних чи інших несприятливих факторів середовища, їх також може спричинювати нерівний кросинговер.
Зі схеми дуплікації, яка несе, наприклад, рецесивний а-, видно, що після дуплікації в кожній з двох гомологічних хромосом локалізовано по два локуси алельних А-генів. Будучи зчепленими, вони стабільно зберігають своє положення в ряду поколінь, оскільки всі гамети за генами, які обумовлюють гетерогенність, ідентичні. Це пояснюється тим, що кросинговер між А-а-генами жодних змін у групи зчеплення не вносить. Тому в процесі запліднення, наприклад у самозапильних рослин, злиття таких гамет відновлює гетерогенний стан організмів у нових поколіннях.
Таким чином, завдяки дуплікаціям гетерозиготність переходить у гетерогенність. В разі, якщо комбінації дуплікатних генів обумовлять сплеск гетерозису, цей високогетерозисний стан закріплюється механізмами гетерогенності і без згасання передається в поколіннях.
У живій природі явище гетерогенності широко розповсюджене в самозапильних рослин. У таких видів рослин, як ячмінь, квасоля, горох тощо, в яких протягом багатьох поколінь здійснюється самозапилення, інбредна депресія не проявляється. Ознаки високого гетерозису стабільно успадковуються в поколіннях. Це обумовлено гетерогенністю, котра поєднує в собі ефективність гетерозиготності, яка породжує гетерозис, з ефективністю подвоєння дози гена.
Еугетерозис. Еугетерозисом Ф. Добржанський у 1962-1963 pp. назвав істинний гетерозис, який він спостерігав у Drosophila pseudobscura. Явище еугетерозису в кожному разі обумовлюється сприятливою комбінацією системи з декількох неалельних генів, локалізованих у мікроінверсії. Ці блоки генів у процесі розмноження, як правило, проходять через мейоз неушкодженими. Тому в кожному поколінні в гетерозиготних за даною мікроінверсією особин, відновлюється сприятлива для формування високої життєздатності та плодючості взаємодія цих генів як між собою, так і з генами неінвертованої гомологічної хромосоми. Отже, виступаючи в ролі замикачів кросинговеру, у разі чисто випадкового утворення найсприятливішого співвідношення домінантних і рецесивних генів, локалізованих на ділянці інверсії, така інверсія і локалізовані в ній гени стабільно, без будь-яких змін спадкуються в поколіннях, забезпечуючи прояв еугетерозису.
Проте описаний механізм закріплення гетерозису за рахунок мікроінверсій не забезпечує успадкування еугетерозису всіма нащадками. Щоб зрозуміти сказане позначимо символом in блок генів, локалізованих в мікроінверсії, а знаком in* — відповідну неінвертовану ділянку гомологічної хромосоми. Тоді генотип гетерозиготної за мікроінверсією особини можна записати як inin*. При розмноженні особин з цими генотипами утвориться:
Р ІПІП* х ІПІП*
гамети in, in* in, in*
F inin; 2inin*; inin
За жорстких умов зовнішнього середовища нащадки з inin — та іп*іп*-генотипами частково або й повністю елімінуються, тимчасом як in-гетерозиготи нормально живуть і розмножуються. Механізми еугетерозису, виявлені в різних видів дрозофіли, проявляються також в ячменю та інших видів рослин.
Апоміксис, (від грец. аро — від, без та mixis — змішування) — це різні способи безстатевого розмноження рослин і тварин; у вужчому значенні —утворення зародка без запліднення. Окремим випадком апоміксису є партеногенез (від грец. partenos — дівчина та genesis — походження) — форма статевого розмноження тварин і рослин, при якій жіночі статеві клітини (яйцеклітини) розвиваються без запліднення. (Інша назва — дівоче розмноження).
Шведський вчений А. Густафсон у 1946 р. дійшов висновку, що в природі існує дві основні форми апоміксису: агамоспермія та вегетативне розмноження.
Під агамоспермією (від грец. agamos — безшлюбний та sperma— насіння) — розуміють таку форму апоміксису в рослин, яка забезпечує утворення насінних поколінь без злиття чоловічого та жіночого пронуклеусів, тобто без злиття ядер гамет протилежної статі. Агамоспермія проявляється в трьох формах: диплоспорії, апоспорії та адвентивної ембріонії. В разі диплоспорії археспоріальна клітина вступає в мейоз. При цьому вона потрапляє в одну з трьох ситуацій. За першої ситуації — мейоз розпочинається нормально, але після завершення метафази 1 припиняється, анафаза 1 не відбувається. Хромосоми, що відокремилися від бівалентів, знову об'єднуються в одне так зване реституційне ядро (від лат. restitutio— відновлення).
За другої ситуації в мейозі не відбувається кон'югації гомологів і не утворюються біваленти. Але в анафазі 1 кожна хромосома розщеплюється на дві дочірніх, котрі розходяться до протилежних полюсів клітини. Отже, формується мегаспора, в якої зберігається соматичне число хромосом внаслідок так званого псевдогомеотичного мейозу.
Нарешті, за третьої ситуації мейоз відсутній повністю. Поділ археспоріальних клітин і формування мегаспори відбувається за рахунок мітотичних поділів.
Диплоспорія (від грец. diploos — подвійний та spora— народження, розмноження) — спосіб розмноження характерний для видів родів Taraxacum (кульбаба), Roa(тонконіг), Rubus (малина) тощо.
Як уже зазначалося, однією з форм апоміксису є апоспорія (від грец. аро — без і sporos — плід, сім'я, насіння) — спосіб розмноження деяких видів рослин, зокрема видів роду Crepis (скерда). Він характеризується тим, що утворені внаслідок мейозу зародкові мішки дегенерують, а їхнє місце посідають зародкові мішки, які формуються з соматичних клітин халази та нуцелуса.
Що ж до третьої форми агамоспермії — адвентивної ембріони, вона характеризується утворенням нормальних зародкових мішків з гаплоїдною яйцеклітиною, яка може нормально запліднюватись. Разом е цим в дані зародкові мішки шляхом проростання проникають диплоїдні клітини нуцелусу та інтегументів, які під впливом ферментів започатковують розвиток матроклінних зародків. Такий тип апоміксису притаманний видам Euphorbia, Opuntia, Citrus та ін.
Варто відзначити, що вивчення гібридних нащадків від схрещування каучуконосів гваюли (Parthenium argentatum), як факультативного апомікта, з маріолою (P. incanum — статева форма) дозволило Л.Поуеру в 1945 р. зробити висновок, що апоміксис успадковується за такою тригібридною схемою:
27А-В-С- : 9ааВ-С- : 9А-ввС- : 9А-В-сс : 9А-ввсс : ЗааВ-сс : ЗааввС- : 1ааввсс
(Риски у формулах означають, що у відповідних місцях можуть знаходитись і домінантні і рецесивні алельні гени.) Аналіз розщеплення дозволив Поуеру сформулювати такі закономірності:
Таким чином, проведені Поуером дослідження показали, що явище апоміксису виникає внаслідок взаємодії рецесивних авс-генів.
Вегетативне розмноження. Воно характерне для рослин, в яких замість насіння утворюються повітряні цибулини, вівіпарії, вусики, коренепаросткові пагони, бульби та інші вегетативні утворення, здатні започатковувати організми нового покоління.
Вегетативний апоміксис у селекції використовують з давніх-давен. Саме ця форма розмноження, як і статевий апоміксис, забезпечує міцне закріплення гетерозису, котрі стабільно успадковується в нових поколіннях. Добрані елітні особини вегетативних апоміктів, якщо вони характеризуються сплеском високого гетерозису, використовуються селекціонерами як родоначальники нових сортів. До таких видів рослин відносяться картопля (Solanum tuberosum), топінамбур або земляна груша (Helianthus tuberosus), часник (Allium sativum), суниці садові (Fragariagrandiflora), ягідні та плодові види рослин.
Усі види рослин, що розмножуються шляхом однієї з зазначених форм апоміксису, утворюють яйцеклітини з нередукованими соматичними числами хромосом, здатними започатковувати нормальний ембріональний розвиток без запліднення або ж формують такі вегетативні утворення, якими започатковуються організми нових поколінь. Тому всі організми апоміктичного походження є матроклінними. Вони без будь-яких змін успадковують всі ознаки материнських організмів. Якщо ж внаслідок дії процесів мутагенезу або інших чинників серед рослин-апоміктів виникають особини зі сплеском гетерозису, то цей стан гібридної сили надійно закріплюється апоміксисом і стійко успадковується в поколіннях.
До самозапильних рослин, які вирощуються людиною, відносяться пшениця, ячмінь, овес, рис, горох, сочевиця, квасоля, льон, бавовник, тютюн, картопля, помідори та багато інших сільськогосподарських культур.
Особливістю самозапильних рослин є те, що будь-яка рецесивна мутація, що виникла в них швидко переходить у гомозиготний стан і підпадає під дію природного добору. Зрозуміло, що всі корисні у відповідних умовах зовнішнього середовища мутаційні зміни тієї чи іншої ознаки будуть закріплені в популяції, а решта — еліміновані. Тому в генофондах популяцій самозапильних рослин практично відсутні летальні та напівлетальні гени. При цьому популяції таких рослин у переважній більшості являють собою суміші чистих ліній.
Вважається, що особливістю самозапильних рослин є відсутність у них гетерозису, обумовленого гетерозиготністю. Для чистих ліній такий висновок є логічним. Проте закономірності періодичної зміни інбридингу кросбридингом і навпаки свідчать про те, що в їхніх популяціях завжди присутні гібридні, високо гетерозиготні особини. Звичайно, в процесі періодичної зміни інбридингу кросбридингом можуть виникати і такі генні комбінації, котрі обумовлюють сплеск гетерозису. Отже, в популяціях самозапильних рослин можуть виникати й гетерозисні особини. Крім того, наявність високого гібридного стану, закріпленого механізмами алоплоїдії, гетерогеномності або гетерогенності, завжди забезпечує у популяціях певну кількість особин з різними ознаками. Тому штучний добір за цими ознаками в самозапильних рослин буде високоефективним.
Масовий добір. Ця форма добору серед самозапильних рослин застосовувалась здавна, причому людина обмежувалась відбором насіння, але поступово з розвитком селекційної роботи, набули поширення методи масового добору. Ці методи вдосконалювались. Селекціонери здійснювали добір за характером фенотипового прояву ознак. При цьому до уваги брали цілий комплекс господарськицінних ознак, завдяки чому порівняно швидко поліпшувались місцеві сорти різних видів сільськогосподарських рослин.
Проте зазначені методи досить швидко вичерпали свої потенціальні можливості. Створені методами масового добору нові сорти за якісними показниками майже не відрізнялись від місцевих. У самозапильних рослин вони виявились неоднорідними, оскільки були представлені сумішшю багатьох гомозиготних ліній.
Зауважимо, що в популяціях самозапильних рослин у міжлінійній конкуренції не перемагають особини, які характеризуються крупним насінням або великими плодами, високим вмістом білків, жирів та вуглеводів у плодах тощо. Перемогу тут одержують низькопродуктивні лінії, які не втратили пристосувань, котрі забезпечують високу життєздатність особин у відповідних умовах існування. Тому такі лінії розмножувались швидше, а створені шляхом масового добору перші селекційні сорти невдовзі вироджувались.
Індивідуальний добір. У самозапильних рослин ця форма добору дозволяє сорт-популяцію розчленувати на чисті лінії. Висіваючи їх у селекційних розсадниках, селекціонери здійснюють порівняльну оцінку виділених ліній. Найбільш цінні в господарському відношенні лінії використовуються як нові сорти.
Сорти, створені методами індивідуального добору, суттєво відрізняються від сортів, створених методами масового добору. Оскільки родоначальниками таких сортів є чисті лінії, вони характеризуються досить високою однорідністю особин. Отже, зникає проблема виродження сорту.
Роботи з індивідуального добору розпочинають посівом насіння в розсаднику вихідного матеріалу. В процесі вирощування за рослинами ведуть ретельні спостереження з тим, щоб виділити елітні рослини за певними господарсько-цінними ознаками. Наприклад, для злакових самозапильних рослин такими ознаками є плодючість, розміри насіння, стійкість до вилягання, грибкових та інших видів захворювань, кислих або засолених ґрунтів, перезволоження чи, навпаки, засухи тощо.
Насіння з кожної відібраної рослини насипають в окремий пронумерований пакетик і для одержання наступного покоління висівають це насіння на окремій ділянці або рядку в селекційному розсаднику. Насіння від кращих за продуктивністю нащадків залишають для подальшого випробування, а решту — вибраковують. У селекційному розсаднику другого року насіння кожної сім'ї висівають в дво-чотириразовій повторності. Гірші сім'ї вибраковують, а насіння від високопродуктивних сімей передають у попереднє станційне випробовування. З попереднього станційного випробовування насіння по-справжньому видатних сімей передають у конкурсне сортовипробовування, а решту номерів (після повторного вибракування гірших) ще раз висівають у попередньому випробовуванні. І тільки після цього кращі з них будуть передані в конкурсне випробовування.
У конкурсному випробовуванні кращими вважаються ті номери, які за врожайністю та іншими господарсько-цінними ознаками перевершують районовані в даній місцевості сорти. Цим кращим номерам присвоюють сортові назви і передають у Державну мережу сортовипробовування.
Отже, індивідуальний добір у межах місцевих сортів-популяцій у самозапильних рослин дозволяє виділити вже існуючу чисту лінію і перевести її в ранг сорту без внесення селекціонером будь-яких змін в генотип. Таким чином, добір за описаною схемою не створює, а лише виявляє існуючі в популяціях чисті лінії, успіх такого добору повністю залежить від якості вихідного матеріалу, залученого до селекційного процесу.
Методи синтетичної селекції. Виділення чистих ліній та використання їх у виробництві як нових сортів досить швидко вичерпало свої можливості. З'ясувалось, що домогтися покращання комплексів господарсько-цінних ознак у чистих лініях можна шляхом аутбридингу, тобто неспорідненого схрещування елітних особин, які належать до різних сортів чи популяцій виду. В генотипах гібридних нащадків другого, третього або більш віддалених поколінь утворюються сприятливі комбінації генів, привнесених вихідними батьками в період схрещування. Добір серед гібридних нащадків елітних відщепенців дає можливість одержувати матеріал для створення високопродуктивних сортів.
Аналіз заходів та методів створення нових сортів дозволив виявити загальні закономірності, яким підпорядковане формотворення в сукупностях селекційного матеріалу. Було встановлено, що в процесі довготривалого добору в сукупностях селекційного матеріалу формуються організми, добре пристосовані до місцевих умов зовнішнього середовища. Отже, в кожній еколого-географічній зоні формуються відповідні екотипи рослин. Наприклад, сорти пшениці, районовані на Південній Україні є досить посухостійкі, тимчасом як на Поліссі високі врожаї дають лише вологолюбні сорти цієї культури.
Звичайно, для успішної селекційної роботи селекціонер повинен враховувати виявлені закономірності. Тому в синтетичній селекції особливого значення набуває робота з добору пар для схрещувань. Такий добір має забезпечити поєднання в гібридних генотипах господарсько-цінних ознак, якими характеризувались батьківські форми, що належали до різних екотипів. При цьому материнською формою в таких схрещуваннях служить кращий сорт, екологічно пристосований до відповідних умов існування.
Наочним прикладом такого підходу є практика одеських селекціонерів. Так, за даними академіка Ф.Г.Кириченка в Українському селекційно-генетичному інституті кращі засухостійкі та зимостійкі сорти пшениці південно-степового екотипу, такі, як Одеська 3, Одеська 16, Одеська 26, використовуються як вихідні материнські форми. Ділянки цих материнських форм обсіюють сумішшю насіння кращих сортів лісо-степової екологічної групи. Вони виконують функцію сортів-запилювачів кастрованих квіток у кращих рослин материнського сорту. Отже, на міцній екологічній основі створюються гібриди, в другому та подальших поколіннях яких здійснюється добір нових добре пристосованих форм з вдалим поєднанням материнських та батьківських ознак.
Відомі шведські генетики О.Окерман і Дж.Мак-Кей ще в середині XX ст. всі відомі на той час системи схрещування розділили на дві головні групи. Системи однієї з цих груп вони віднесли до "комбінаційної", а другої — до "трансгресивної" селекції. Завдання комбінаційної селекції — сполучати в окремих рослин з певною комбінацією ознак вихідних батьків, насіння кожного з яких висівають окремим рядком.
Завданням же трансгресивної селекції є добір серед гібридних поколінь організмів з такими генотипами, які за певною ознакою переважають обох батьків.
Метод педигрі (від англ. pedigree — родовід, генеалогія). Це один з методів комбінаційної селекції, котрий виник на початку XX ст. при застосуванні законів Менделя в процесі вивчення закономірностей успадкування ознак у сільськогосподарських культур. У загальних рисах він був описаний Х.К.Хейсом та Ф.Р.Іммером (1942).
Суть цього методу полягає в тому, що серед гібридних рослин F2 добирають елітні рослини, в яких фенотипово проявились перспективні комбінації ознак вихідних батьківських організмів. Насіння від кожної добраної рослини висівають на окремих ділянках або рядками (сім'ями) для одержання F3. У третьому поколінні майже 80% сімей вибраковують, а з кращих добирають елітні рослини, насіння з яких знову висівають на окремих ділянках. Але якщо серед нащадків F3 з'являються сім'ї, в яких проявляється висока однорідність особин, то насіння з цих особин збирають разом і випробовують як окрему селекційну лінію. Описаний процес добору та вибраковування повторюють в F4, F5 і дальших поколіннях, доки не буде досягнутий високий рівень однорідності селекційних ліній. При цьому залежно від ступеня уражуваності відповідної культури хворобами, шкідниками тощо в окремих поколіннях добір здійснюють на штучно створених провокаційних фонах. Виведені кращі селекційні лінії після конкурсного передають у Державне сортовипробування.
Зі схеми комбінаційної селекції, за якою працювали селекціонери Швеції в другому десятиріччі XX ст., видно, що селекційна робота за описаним методом є досить трудомістким процесом. Тому цей метод згодом модифікувався багатьма дослідниками.
Популяційні, або масові, методи селекції. Суть їх полягає в тому, що врожай з відібраних у F? елітних рослин об'єднують в одну групу, а врожай з кращих елітних особин цього покоління — в другу. Насіння з цих двох груп висівають на окремих ділянках. У кожному наступному поколінні аж до F6 популяція з елітних чи неелітних особин F2 служить основою для одержання відповідної популяції наступного року. При цьому такі штучно створені популяції в разі необхідності вирощують на провокаційних фонах з метою добору на стійкість до тих чи інших несприятливих факторів середовища. Чисельність особин у популяціях швидко збільшується. Тому зростає ймовірність утворення генних комбінацій з господарсько-цінними властивостями в 5-6-ти поколіннях. Разом з цим переважна більшість генів у генотипах гібридних нащадків переходить в гомозиготний стан.
Поєднання індивідуального та масового добору з систематичним вибраковуванням гірших особин у 2-8-му поколіннях дає змогу з порівняно невеликими затратами праці виділяти високопродуктивні лінії, в яких стійко успадковуються господарсько-цінні ознаки. Описаний метод селекції ще називають методом накопичення. Як порівняно не трудомісткий, він набув широкого розповсюдження (в багатьох модифікаціях і нині є одним з провідних методів синтетичної селекції).
Метод ступінчастої гібридизації був розроблений російськими селекціонерами Г.К.Мейстером, О.П.Шехурдіним та відомим українським ученим М.Ф.Кащенком в 30-х pp. XX ст. Суть методу полягає в тому, щодо схрещувань залучають географічне віддалені форми певної культури самозапильних рослин, які відрізняються між собою різними господарсько-цінними ознаками. Шляхом активного добору створюють сорт або селекційну лінію в яких поєднуються господарськи цінні ознаки батьківських форм. Далі цей сорт знову використовують як одну з батьківських форм у схрещуванні з географічне віддаленою формою з такими бажаними ознаками, яких немає в створеного сорту. Одержаний таким чином новий сорт знову схрещують з сортом, що несе ознаки, які відсутні в нового сорту, і так далі.
Методом ступінчастої гібридизації в 1937 р. О.П.Шехурдін створив сорт пшениці Скловидний 1. За якістю зерна цей сорт не поступався твердій пшениці, був придатний для виробництва високоякісних кондитерських, макаронних та круп'яних виробів. Сорт Скловидний 1 став цінним вихідним матеріалом при створенні цілого ряду видатних сортів м'якої пшениці.
Метод віддаленої гібридизації базується на схрещуванні філогенетичне віддалених форм, які можуть характеризуватись різними числами хромосом. Г.Д.Карпеченко, зважаючи на різні число та гомологію хромосом гамет партнерів, називав такі схрещування інконгруентними (невідповідними).
Такі схрещування здійснюються дуже важко, що пояснюється послабленою фертильністю гібридних особин, складним розщепленням нащадків тощо. Наприклад, від схрещування 42-хромосомних м'яких пшениць з 28-хромосомними твердими пшеницями утво-рюються 35-хромосомні гібриди. В мейотичних клітинах цих гібридів утворюється 14 бівалентів і 7 унівалентів, що спричиняється до їхньої низької плодючості. Але зворотні схрещування з їх 42-хромосомними батьківськими формами дозволяють одержати покоління гібридів, у мейотичних клітинах яких утворюється 21 бівалент. Деякі з цих гібридів успадковують по одній чи більше хромосом твердої пшениці. В гомозиготному стані ці хромосоми (або навіть їхні фрагменти) стійко успадковують окремі ознаки та властивості твердої пшениці.
Саме цим методом Г.К.Мейстер та О.П.Шехурдін створили сорти ярих пшениць Сарроза, Саррубра та Блавсер, які за якістю зерна перевершують тверду пшеницю, а за врожайністю наближаються до м'якої пшениці. Іншим вражаючим прикладом ефективності методу віддаленої гібридизації є результати схрещувань пшениці з пирієм, проведені російським ботаніком та селекціонером М.В.Цициним. Він схрестив 42-хромосомну пшеницю Tritiсшт vulgare з 42-хромосомним пирієм Agropyrum glaucum і одержаний гібрид знову схрестив з Т.vulgare. Серед гібридних нащадків від зворотних схрещувань у другому-третьому поколіннях Цицин відібрав таких елітних відщепенців, в яких, крім цінних ознак вихідних батьківських форм пшениці, проявились цінні ознаки пирію, насамперед стійкість до полягання (за рахунок міцного стебла) та холодостійкість.
Прояв у гібридних нащадків пшеничного типу ознак пирію обумовлений тим, що в нащадків, одержаних від гібридизації та зворотних схрещувань, деякі хромосоми або фрагменти хромосом пирію ввійшли до складу каріотипу пшениці. В гомозиготному стані вони стійко успадковуються в поколіннях, забезпечуючи високу фенотипову ефективність.
Виведені М.В.Цициним на основі віддалених пшенично-пирійних схрещувань сорти озимої та ярої пшениці характеризуються комплексом господарсько-цінних ознак, їхня врожайність сягає 70 ц/га, а соматичне число хромосом, як і в звичайних м'яких пшениць, дорівнює 42.
Методи мутагенезу в селекції самозапильних рослин. На даний час накопичено багато даних на користь того, що як спонтанні, так і індуковані мутації можна ефективно використовувати в селекції.
Видатні українські вчені А.О.Сапегін та Л.М.Делоне першими в 1917 р. організували дослідження в галузі радіаційної селекції рослин. І вже в 1933 р. А.О.Сапегін, від'їжджаючи з Селекційно-генетичного інституту (Одеса) до нового місця роботи, передав своїм колегам понад 3000 мутантів пшениці, виділених ним у 1928-1933 pp.
Селекціонери вважають, що нині, коли інтенсивно використовуються іонізуючі опромінення та хімічні мутагени, новий сорт будь-якої сільськогосподарської культури легше одержати шляхом індукування необхідних мутацій, аніж старими методами. Наприклад, у 1951 р. В.Гофман і (незалежно від нього) В.Рудорф повідомили, що за допомогою рентгенівських променів протягом декількох років із звичайної вихідної форми ячменю були відновлені майже всі відомі у світовій колекції форми цієї культури при чому були одержані й досить рідкісні ендемічні форми ячменю.
Оскільки генотип кожного виду вищих організмів складається з багатьох тисяч неалельних генів, а кожний ген з притаманною йому частотою може мутувати в різні алельні стани, підпорядковуючись закону ймовірностей, то фенотиповий прояв кожної мутації виступає як подія випадкова, котра не має нічого спільного з потребами організму в напрямках і темпах його розвитку та розмноження. Проте серед сотень і навіть тисяч мутантних форм трапляються окремі особини, для яких існуючі умови зовнішнього середовища виявляються досить сприятливими. Такі мутанти й відбираються селекціонером. Часто після розмноження та сортовипробування вони переводяться в ранг сорту.
Наприклад, в 60-х р. XX ст. науковий співробітник УкрНДІ землеробства В.І.Головченко серед рослин гіркого люпину виявив безалкалоїдну мутантну особину, розмноження і вивчення якої дозволило перевести дану форму в ранг сорту, який дістав назву Київський мутант. Цей сорт характеризується високою врожайністю та високими кормовими якостями.
Проте виділені мутанти не завжди, здатні виконати роль родоначальників сортів. Частіше їх використовують як ефективні батьківські форми в селекції самозапильних рослин.
Наприклад, сорт озимої пшениці Киянка, який вирощується в деяких районах України, був створений у відділі експериментального мутагенезу Інституту молекулярної біології і генетики НАН України під керівництвом проф. П.К.Шкварникова шляхом індукування іонізуючими променями мутацій та виділення мутантної селекційної лінії. Останню залучили до схрещування з іншим сортом пшениці. Виділена серед гібридних нащадків селекційна лінія, в якій поєднувались ознаки обох батьківських форм, і виявилась родоначальником сорту Киянка.
У 1956 р. американський вчений В.Сіре повідомив, що йому вдалось транслокувати фрагмент хромосоми егілопса, в якому локалізується ген стійкості до листкової іржі, в одну з хромосом пшениці. Для цього пшеницю Triticum aestivum він схрестив з Aegilops umbellulata. З гібридних нащадків F2, які вирощували на фоні, збагаченому спорами іржі, Сіре відібрав лише ті особини, які виявились стійкими до іржі і в яких після розщеплення проявився комплекс культурних господарськицінних ознак. Вивчення мейозу в цих особин показало, що в профазі 1, крім 21 бівалента, міститься додаткова хромосома у вигляді уніва-лента. В процесі редукційного поділу вона відходила в одну з двох дочірніх клітин, що свідчило про локалізацію в такій хромосомі гена стійкості до іржі. Насіння з рослин, що несуть цю додаткову хромосому егілопса, Сіре опромінював іонізуючими променями, розмножував, відбирав лише стійких до іржі нащадків і їхнє насіння піддавав повторному опромінюванню. Так методами повторних опромінювань і повторних доборів Сіре транслокував фрагмент хромосоми з геном стійкості до іржі в хромосому пшениці сорту Чайніз спрінг, перетворивши його в стійку до іржі форму.
Методи експериментального мутагенезу в селекції почали розроблятись на початку 1930-х років, однак у колишньому СРСР дослідження в цьому напрямку було майже повністю припинено, вже в 1936 р. у зв'язку з розгорнутою Т.Д.Лисенком кампанією, у ході якої адміністрітивно впроваджувались практичні рекомендації, котрі складались на основі висунутої ним антинаукової концепції успадкування, мінливості та видоутворення.
Ці методи почали повільно відроджуватись лише на початку 60-х pp., однак уже в 1974 р. у тодішніх союзних республіках успішно пройшли державне сортовипробування 25 нових сортів та гібридів сільськогосподарських культур, створених методами експериментального мутагенезу, а в 1978 р. в державне сортовипробовування було передано 100 таких сортів.
Отже, методи експериментального мутагенезу виявились дуже ефективними в селекції сільськогосподарських культур, а тому вони закономірно знаходять тут все більше застосування.
В природі перехреснозапильних рослин існує значно більше, аніж самозапильних. Із сільськогосподарських культур до них належать жито, кукурудза, сорго, гречка, соняшник, ріпак, рицина, коноплі, цибуля, морква, редька, капуста, турнепс, буряк, гарбуз, диня, кавун тощо.
У рослинному світі перехресне запилення забезпечується завдяки чисельним пристосуванням, котрі виникли в рослин у процесі еволюційного розвитку. До них, зокрема, належать: дводомність, різностатевість квіток, гетеростилія, самонесумісність, чоловіча стерильність, селективність запліднення, пристосування для запилення вітром та для перенесення пилку комахами тощо.
В селекції перехреснозапильних рослин застосовують як масовий так і індивідуальний добір, проте перший має тут значні переваги.
Методи масового добору. Суть їх полягає в тому, що з ділянки, на якій було посіяно вихідний матеріал, за візуальною оцінкою відбирають найкращі (елітні) рослини, в яких фенотипово проявився комплекс господарсько-цінних ознак. Під час обмолоту таких рослин оцінюються їхня продуктивність та якість насіння. Гірші екземпляри вибраковуються. Після цього відібране насіння змішують і висівають на окремій ізольованій ділянці, щоб уникнути можливості занесення на неї пилку з інших посівів однотипних рослин.
Наступного року повторюють добір елітних рослин за тими ж самими ознаками, і одержане насіння знову змішують і висівають таким же чином. Повторюють це протягом кількох років.
Систематичне проведення добору необхідне тому, що популяції перехреснозапильних рослин є високогетерозиготними, і розщеплення нащадків за різними ознаками в кожному новому поколінні спричиняється до зміни реакції нащадків на умови зовнішнього середовища. Наприклад, сорт конюшини Меркур, виведений методом масового добору на Свальофській селекційній станції у Швеції, характеризується високою стійкістю до ґрунтових нематод. Однак, коли цей сорт з Південної Швеції почали вирощувати в її північній провінції Естергетланд, де грунтові нематоди зустрічаються досить рідко, то через кілька років він втратив стійкість до нематод. Пояснюється це тим, що за відсутності в грунті цього шкідника добір перестав діяти на мінливість ознаки стійкості до нього, оскільки всі нестійкі до нематоди нові комбінації генів у генотипах багатьох рослин-нащадків у нових умовах виживали і розмножувалися однаково з особинами, які несли ген стійкості до названого шкідника. В результаті з кожним новим поколінням даного сорту кількість стійких до нематоди особин зменшувалась.
У зв'язку з цим у селекційній роботі з перехреснозапильними рослинами досить важко, по-перше, надати новому сортові бажаних ознак, а по-друге, забезпечити високу стабільність успадкування цих ознак, подолати зазначені труднощі можна шляхом масового добору за наведеною вище методикою при обов'язковій ізоляції посівів даного сорту від посівів інших сортів відповідної культури, щоб уникнути занесення пилку з рослин інших сортів.
Методи сімейно-групового добору. В самозапильних рослин гени, які обумовлюють фенотиповий прояв добраних ознак, переводяться в гомозиготний стан завдяки тому, що запилення відбувається в межах однієї особини. Цим і забезпечується стійке успадкування добраних ознак в наступних поколіннях. У перехреснозапильних рослин простим добором елітних особин з певними ознаками не вдається досягти стійкого успадкування цих ознак нащадками, оскільки в мейозі та в процесі запліднення гетерозиготних особин, як правило, відбувається перекомбінація генного матеріалу, через що втрачається характер формування раніше добраної ознаки. Тому на відміну від індивідуального добору, який застосовується в селекції самозапильних рослин, для перехреснозапильних рослин ефективнішим є сімейно-груповий добір.
Суть методів сімейного добору полягає в тому, що в розсаднику вихідного матеріалу насіння висівають на однаковій відстані одне від одного. З вирощених рослин добирають елітні особини, які характеризуються комплексом господарсько-цінних ознак, запланованих селекціонером. Наступного року насіння з кожної добраної рослини висівають окремими рядками (сім'ями) на ізольованій ділянці, виключається занесення пилку з однотипних рослин інших сортів. Порівнюючи розвиток рослин у кожній сім'ї, селекціонер вибраковує всі рослини з гірших сімей і одночасно з кращих сімей вибирає (елітні) особини, що мають такі самі бажані ознаки, як і в попередньому році. Насіння з добраних рослин знову висівають окремими сім'ями в селекційному розсаднику другого року, подбавши про те, щоб сюди не міг бути занесений сторонній пилок. І такі дії повторюють протягом декількох років.
Описаний метод сімейного добору шляхом вибраковування в кожному поколінні гірших та виділення для подальшої роботи кращих рослин все ж не дає очікуваного високого ефекту. Обумовлено це тим, що починаючи з розсадника вихідного матеріалу і в усіх подальших поколіннях в запиленні майбутніх елітних рослин беруть участь і гірші особини.
Зважаючи на це, метод сімейно-групового добору був модифікований і отримав назву методу половинок.
Добір сімейно-індивідуальним методом, або методом половинок. Цей метод нагадує сімейний. Різниця полягає в тому, що половину насіння з кожної елітної особини, відібраної з розсадника вихідного матеріалу, висівають окремо сім'єю, а половину зберігають. Вирощені сім'ї оцінюють за характером фенотипового прояву господарсько-цінних ознак, після чого всіх їх відбраковують. Проте в наступному році в селекційному розсаднику першого року висівають відкладену половину насіння вихідних елітних рослин, котрі виявились найкращими в посіві попереднього року.
Отже, цикл добору в кожному поколінні триває два роки.
З посіву третього року насіння з кожної елітної сім'ї збирають окремо. Іноді, залежно від технологічної схеми добору, в кожній елітній сім'ї збирають не все насіння, а знову вибирають лише насіння з найкращої рослини і об'єднують його в окремі зразки (сім'ї). Після цього насіння зібране, для посіву четвертого року, знову ділять на половинки. Одні половинки висівають, а другі — зберігають.
Схема сімейного добору методом половинок. Після оцінки сімей, кожна з яких утворилась з половини насіння елітної рослини, до подальший роботи залучають решту насіння з кращих рослин:
— посів половини насіння з кожного зразка від елітної рослини, добраної в селекційному розсаднику вихідного матеріалу або в озсаднику елітних сімей того чи іншого року добору;
— посів у селекційному розсаднику окремою ділянкою другої половинки насіння з елітної рослини, яка ввійшла до групи найвище оцінених сімей
Рослини, що виросли, порівнюють між собою, вибраковують гірші і відбирають елітні особини, після чого насіння з них повністю виводять із селекційного процесу.
На п'ятий рік половинки насіння з кращих (елітних) сімей висівають у селекційному розсаднику другого року добору. Вирощене насіння знову ділять на половинки і готують для подальших циклів добору, який продовжують за такою ж схемою.
На перший погляд може здатися, що метод половинок удвічі довший, ніж звичайний метод сімейного добору, оскільки кожний цикл добору займає два роки. Але попереднє вивчення господарсько-цінних ознак рослин, вирощених з половинок насіння відібраного елітного матеріалу дає змогу висівати для остаточного добору в селекційному розсаднику насіння кращих з кращих елітних особин. А це виключає можливість участі в розмноженні та привнесенні в генотипи нащадків негативних генів від селекційне непридатних рослин. Тому, за однакові проміжки часу, селекція методом половинок завжди давала набагато кращі результати, ніж селекція методом сімейно-групового добору.
Як тільки успадкування ознак стає константним, частину насіння від добраного матеріалу передають у конкурсне сортовипробовування. Після цього номери-переможці одержують сортову назву, і їх передають в державне сортовипробовування.
Модифікація методу половинок у селекції соняшника, її здійснив видатний кубанський селекціонер В.С.Пустовойт. На основі цього методу він розробив високоефективну систему селекції й насінництва соняшника. Застосовуючи її у своїй роботі, В.С.Пустовойт вивів 20 високоолійних, стійких до вовчка сортів соняшника.
Суть методу Пустовойта полягає в тому, що, відібравши з вихідного матеріалу елітні рослини соняшника, насіння від кожної окремої сім'ї ділять на три рівновеликі частини, тобто розтягують цикл добору на три роки. Роботи виконуються в такій послідовності:
1-й рік. Посів та добір кращих рослин у розсаднику вихідного матеріалу. З 10-15 тис. вихідних рослин у вибірку потрапляє 1000-1200 елітних особин. Добір здійснюють за такими ознаками як олійність сім'янок, продуктивність рослин, їхні морфологічні особливості, стійкість до вовчка тощо. Насінню з кожної відібраної рослини присвоюють номер як окремій сім'ї і ділять його на три рівновеликі частини;
2-й рік. По одній частині насіння кожної сім'ї висівають у розсаднику першого року вивчення, де вибраковують 80-85% сімей;
3-й рік. У розсаднику другого року вивчення висівають другу частину насіння, однак лише тих 15-20% сімей, які дістали високу оцінку в першому році вивчення. Протягом другого року матеріал, що вивчається піддають ретельній оцінці, після якої у вибірку потрапляє насіння лише від 10-50 рослин з 1000-1200 елітних особин, відібраних у перший рік у розсаднику вихідного матеріалу;
4-й рік. Останню третину насіння з 10-50 найвище оцінених сімей комплектують у групи для взаємного направленого переопилення, здатного вдосконалювати генотипи нащадків за комплексом гос-подарськицінних ознак. Насіння від цих рослин висівають окремими рядками в розсаднику направленого переопилення. До настання цвітіння в кожному рядку (сім'ї) проводять 4-5 жорстких вибраковувань особин, які за тими чи іншими ознаками відхиляються від заданого селекційного ідеалу. Завдяки таким заходам у розсаднику направленого переопилення елітні материнські рослини запилюються пилком лише від елітних батьківських особин. У межах сім'ї насіння з кожної рослини розміщують в окремі пакети. В лабораторних умовах визначають лузжистість, олійність та інші ознаки насіння кожної рослини і вибраковують гірші. Після лабораторного вибраковування насіння з кожної рослини ділять навпіл. Половину насіння рослин направляють у конкурсне сортовипробовування, а другу — використовують для нового циклу добору.
Зазначимо, що протягом кожного трирічного циклу добору, олійність насіння зростала на 1,5-2%. У всіх створених Пустовойтом 20 сортів соняшнику олійність насіння зросла на 20-22%, і порівняно з вихідним матеріалом становила 50-52%.
В середині XX ст. важливого значення в селекції рослин набула поліплоїдія. Численні дослідження з проблем експериментальної поліплоїдії показали, що подвоєння наборів хромосом супроводжується збільшенням розмірів вегетативних та репродуктивних органів рослин. Внаслідок, суттєво підвищується продуктивність сільськогосподарських культур. Такі види культурних рослин, як м'яка та тверда пшениця, овес, арахіс, тютюн, картопля, цукрова тростина, сливи, яблуні, груші, малина, суниці тощо представлені спонтанними поліплоїдами, котрі мають досить високу життєздатністю та продуктивність.
Проте результати численних досліджень показали, що більшість експериментальне створених поліплоїдів не набуває господарського значення. Однак, селекційна цінність відповідного матеріалу суттєво поліпшувалася від простого подвоєння числа хромосом. Це не могло не привернути до себе увагу селекціонерів.
Існує кілька методів переведення диплоїдних рослин на тетраплоїдний рівень. Зокрема, досить ефективними виявились, такі методи: опромінення іонізуючими променями мейотичних клітин у пуп'янках рослин; температурних шоків; колхіциновий; генетичний, який спричиняється до порушення редукції числа хромосом в мейозі. Наприклад, у кукурудзи мутантний ген el (elongate) в гомозиготному стані пригнічує редукційний поділ у період мікроспорогенезу. Тому в таких рослин формуються пилкові зерна з нередукованим соматичним числом хромосом. Але найефективнішим є колхіциновий метод. Його суть полягає в тому, щоб доставити в точки росту до клітин, які перебувають у стані мейотичного поділу, слабші розчини колхіцину, в концентрації, достатній для того, щоб лише паралізувати функцію веретена поділу, не вбивали клітину. В такому разі хромосоми, кожна з яких розділилась на дві дочірні, не розходяться до полюсів, а залишаються в спільному, тепер уже тетраплоїдному ядрі. Розмножуючись, ці клітини можуть започатковувати утворення тетраплоїдних тканин, на яких формуються тетраплоїдні квітки й утворюються гамети з подвоєним числом хромосом.
Методи автополіплоїдії в селекції. Зважаючи на цитогенетичні особливості автополіплоїдів та алоплоїдів (про них можна прочитати в розділі XI), експериментальна автополіплоїдія набуває дедалі більшого практичного значення, особливо для рослин, в яких господарськи цінною є вегетативна маса. Наприклад, у тетраплоїдної форми конюшини, створених і випробуваних незалежно в Швеції та Україні, врожайність сухої маси (сіна) на 20-80% вище, ніж у вихідних диплоїдних форм, хоча врожай насіння в автотетраплоїдів суттєво нижчий, ніж у диплоїдів. Однією з причин цього є збільшення розмірів квіток, що унеможливлює переопилення їх бджолами. (Однак за наявності джмелів перезапилення відбувається досить успішно, і врожаї насіння отримують задовільні.). Шляхом прямого подвоєння числа хромосом створені й ефективно використовуються у сільськогосподарській практиці автотетраплоїдні форми жита, редиски, турнепсу, капусти, цукрової тростини, інших видів рослин.
Висока ефективність поліплоїдії проявляється і в автотетраплоїдних форм кукурудзи. Підтвердженням цього є тетраплоїдна форма кукурудзи ТП-6 та її диплоїдний аналог, створені дослідниками кафедри загальної та молекулярної генетики Київського університету імені Тараса Шевченка. Попередні випробовування показали, що врожайність зеленої маси рослин ТП-6 в середньому була на 72% вище, ніж у її диплоїдного аналога (780 ц/га проти 454 ц/га; дані 1977-1979 pp.). Це свідчить про те, що в автотетраплоїдних форм кукурудзи з часом удається стабілізувати закономірності мейозу й ефективно використовувати їх виробництві.
Методи індукованої триплоїди в гетерозиготній селекції рослин. Дослідження, в яких вивчались питання поліплоїдії, показали, що, судячи з фенотипового прояву господарсько-цінних ознак, кожному виду культурних рослин властивий свій рівень плоїдності. Було з'ясовано, що для деяких видів рослин таким рівнем е триплоїдний стан їхніх каріотипів.
Принцип методу одержання триплоїдних форм полягає в тому, що в разі сумісності рослин від схрещування їхніх диплоїдних і тетраплоїдних форм утворюється триплоїдне насіння, яке дає початок трип-лоїдним рослинам.
Класичним прикладом селекційної ефективності триплоїдії є триплоїдні форми цукрових буряків. Як відомо, ця культура піддається жорсткій дії добору на цукристість не тільки в процесі селекції, але і в процесі насінництва. Тому за останні 200 років вирощування буряків вміст цукру в коренеплодах підвищився на 11 ,5% (від 6-7 до 17,5-18,5%). Цього рівня цукристості буряків було досягнуто через 150 років після введення їх у культуру, в 50-х pp. XX ст. Проте подальший добір не давав ефекту. Щоправда, маніпулюючи з поживним субстратом, вдавалося виростити коренеплоди з вмістом цукру 19-20%, але їхня маса не перевишувала 150-200 гр. Якщо ж на фоні надмірного азотного живлення одержували коренеплоди масою 800-1500 гр., то вміст цукру в них знижувався відповідно до 12-9%. Така негативна кореляція між ознаками маси коренеплодів та їхньої цукристості стабільно успадковуються в поколіннях. Отже, в селекції цукрових буряків традиційними методами було досягнуто граничної межі. Тим часом поліплоїдія допомогла подолати цю межу.
Було встановлено, що подвоєння числа хромосом у цукрових буряків дало можливість одержати тетраплоїдні, 36-хромосомні рослини, котрі утворювали більшу, ніж диплоїдні (18-хромосомні) рослини, масу коренеплодів (на 12%) і забезпечували більший збір цукру з одиниці площі посіву (на 14,9%).
Широкомасштабні дослідження, проведені в 1960-х pp. в Україні (В.П.Зосимовичем), а в Росії (О.М.Лутковим) та інших країнах Європи, де вирощують цукрові буряки, показали, що при схрещуванні диплоїдних рослин з тетраплоїдними утворюється життєздатне триплоїдне насіння цієї культури. Посів триплоїдним насінням (за рахунок збільшення маси вирощенних з нього коренеплодів) забезпечує вищий збір цукру з одиниці площі на 14-50% порівняно з вихідними диплоїдними формами. Це досить великий відсоток, еквівалентний сотням тисяч додаткових тон цукру при відносно низькій собівартості триплоїдного насіння.
Схеми селекції триплоїдних сортів та одержання триплоїдного насіння цукрових буряків обирають залежно від генетичних механізмів, які забезпечують найповнішу гібридизацію та високий гетерозис триплоїдних гібридів. До таких механізмів належать, зокрема, самонесумісність, гаметофітні фактори, які забезпечують селективне запліднення; цитоплазматична чоловіча стерильність (ЦЧС).
Наприклад, послідовність робіт по створенню високопродуктивних триплоїдних форм цукрових буряків на основі ЦЧС буде такою:
Аналогічне явище спостерігається і в інших плодово-ягідних культур. Наприклад, кращі сорти яблук, груш, малини представлені лише триплоїдними формами.
Методи автополіплоїдії в селекції зернових. У мейозі автополгплоїдних форм рослин унаслідок утворення хромосомних асоціацій у формі мультивалентів, порушуються можливості нормальної редукції числа хромосом. Внаслідок цього утворюються нащадки з аномальними числами хромосом, знижується їх життєздатність та продуктивність. Проте з'ясувалось, що шляхом інтенсивного добору у сукупностях експериментальне створених автотетраплоїдів за ознаками плодючості та загальної продуктивності рослин можна домогтися стабілізації мейозу і нормалізації розподілу хромосом у процесі редукційного поділу. А це свідчить про те, що шляхом добору виділяються тільки ті особини, в яких кон'югація гомологічних хромосом у мейозі забезпечується лише бівалентами. Саме в такому разі можливий нормальний розподіл хромосом у процесі редукції їхнього числа.
Разом з цим дослідження, проведені на експериментальне створених автотетраплоїдних формах кукурудзи, жита та інших культур, показали, що вільне перезапилення в межах будь-якої сукупності автотетраплоїдів, створених шляхом подвоєння числа хромосом у високогетерозиготних гібридів, обумовлює бівалентну кон'югацію хромосом у мейозі. (Див. схему (рис. XX.3) кон'югації хромосом А-а-геномів, які на диплоїдному рівні утворюють А-а-біваленти, а на автотетраплоїдному — А-А та а-а-біваленти.)
Слід зауважити, що А-а-біваленти утворюються гомологічними А- та а-хромосомами, привнесеними в зиготу різними батьками, тимчасом як А-А- або а-а-біваленти утворюються внаслідок вибіркової кон'югації сестринських хромосом. Останні виникають на стадії подвоєння числа хромосом шляхом припинення анафазного розходження їх і розміщення в одному спільному для всіх хромосом ядрі кожної мітотичної. Отже, виникає тетраплоїдна клітина, в якій кожна хромосома представлена чотирма ААаа-гомо-логами. При цьому АА-хромосоми, як і аа-хромосоми, представлені сестринськими парами, оскільки кожна така пара походить від окремої материнської хромосоми. Тому Аа-хромосоми-гомологи можуть характеризуватись різними рівнями гетерозиготності за алельними генами та хромосомними перебудовами, а всі пари АА- чи аа-сестринських хромосом у нормі є ідентичними. Саме вибіркова кон'югація сестринських хромосом забезпечує нормальний розподіл їх та формування збалансованих А- і а-гамет на диплоїдному та Аа-гамет на тетраплоїдному рівнях.
Методи добору в автотетраплоїдів виявилась ефективними для селекції деяких видів культурних рослин. Наприклад, у 1940-1941 pp. німецький селекціонер Р.Зенгбуш створив ав-тотетраплоїдні форми жита, від яких бере початок популяція Тетра-Петкус. У 1950-х роках завдяки дії добору, селекційні форми цієї популяції почали вивирощувати у виробничих масштабах. Рослини сорту жита Поліське тетра характеризуються високою стійкістю до вилягання та снігової плісняви. В тетраплоїдних зернівках цього сорту міститься 11-12% білків, що на 1-1,5% більше, ніж у диплоїдного жита. Врожайність сорту Поліське тетра за три роки сор-товипробовування становила 40-48,5 ц/га, або на 3-9 ц/га більше, ніж у диплоїдних сортів. Та й зовні розміри тетраплоїдних зернівок суттєво більші за диплоїдні.
Отже, експериментальні дані засвідчили, що в автотетраплоїдного жита запрацювала схема кон'югації та редукції числа хромосом, постульована Ю.П.Мирютою (рис. ХХ.З). Зазначимо, що Мирюта запропонував таку схему для пояснення закономірностей даного процесу в арахісу. Це дозволило йому зробити висновок, що арахіс автотетраплоїд. Таким чином під впливом природного добору в спонтанно виниклих автотетраплоїдів арахісу внаслідок вибірковості кон'югації сестринських хромосом у мейозі стабілізувалися закономірності останнього. На думку Мирюти, це явище обумовлено тим, що висока функціональна гетерозиготність у каріотипах внутрішньовидових диплоїдних гібридів з подвоєнням числа хромосом переростає в гетерогеномність. Цей висновок знайшов експериментальне підтвердження.
Методи алополіплоїдії в селекції рослин. Численні дослідження показали, що алоплоїдія відіграє значну роль у формуванні нових видів. Це підтверджується роботами В.О.Рибіна з ресинтезу сливи. Він схрестив терен (Prunus spinosaL) з аличею (P.divaricataL). В одержаного гібрида подвоїлося число хромосом. З'ясувалося, що одержаний амфідиплоїд за всіма ознаками є звичайною сливою (P.domestica L).
Аналогічних прикладів можна наводити багато. Всі вони свідчать про можливість використання алоп-лоїдії як одного з високоефективних методів селекції. Наприклад, М.В.Цицин ще в 1930 р. одержав перші гібриди від схрещування пшениці з пирієм, а також гібриди від інших міжродових схрещувань. З них він створив 12 нових 42- та 56-хромосомних сортів пшениці, з яких шість було районовано.
Суть методів Цицина та його співробітників полягає в тому, що добрані елітні рослини пшениці схрещують з елітними рослинами жита, пирію тощо. Гібриди розмножують, перезапилюють між собою чи з вихідними батьківськими формами. Серед гібридних нащадків здійснюють жорсткий добір за господарсько-цінними ознаками. (Зрозуміло, що кожний напрямок селекційного процесу проводять за певними заздалегідь розробленими схемами, які обговорювались вище.)
У 70-80-х pp. XX ст. увагу дослідників привернули експериментальне створені пшенично-житні гібриди, які одержали назву Triticale. Використовуючи для подвоєння числа хромосом колхіциновий метод, в Україні перші цінні для селекції форми цього амфідиплоїда в 1960-х pp. створив А.Ф.Шулиндін. Подальше розмноження та жорсткий добір дозволили виділити, високопродуктивні, зимостійкі форми, які характеризувались високою якістю зерна.
Від схрещувань різних тритикале між собою або від зворотних схрещувань з пшеницею чи житом у наступних поколіннях вищеплюються особини, які мають високу плодючість та продуктивність, підвищений вміст білків та кращі інші господарсько-цінні ознаки. До 1977 р. Шулиндін створив кілька кормових та зернових сортів тритикале. Один з них — кормовий сорт Амфідиплоїд 1 вже вирощується у багатьох районах України.
СЕЛЕКЦІЯ ГЕТЕРОЗИСНИХ ГІБРИДІВ
Як відомо, серед числених міжлінійних комбінацій схрещувань у кукурудзи трапляються такі комбінації, що характеризуються спалахом гетерозису. Саме такі лінії залучаються до насінницьких схем по вирощуванню насіння першого гібридного покоління.
Щоб одержати високогетерозисне гібридне насіння кукурудзи, пов'язані з цим роботи виконують у такій послідовності:
Цим роботам передує створення та вивчення комбінаційної здатності інбредних ліній, на що витрачається багато часу (до 10 років і більше). Раніше відзначалось, що інбредні лінії мають загальну та специфічну комбінаційну здатність. Нагадаємо, що загальна комбінаційна здатність — це середній рівень гібридної сили, яка проявляється серед гібридних нащадків певної лінії від комбінаційних схрещувань з особинами високогетерозиготного сорту-аналізатора; а специфічна комбінаційна здатність — це комбінаційна ефективність гамет інбредної лінії-аналізатора з гаметами добраних партнерів, яка може бути більшою чи меншою від загальної комбінаційної ефективності відповідної лінії.
Крім того, слід мати на увазі, що інбредна лінія, коли її використовують як материнську форму на плантації гібридизації, характеризується досить низькою врожайністю гібридного насіння. Подолати цей недолік можна шляхом створення подвійних або потрійних гібридів.
І в подвійного і в потрійного гібрида функцію материнської форми при повторній гібридизації виконує простий високогетерозисний гібрид. Тому за умови правильної агротехніки з кожного гектара одержують 40-60 ц гібридного насіння замість 5-7 ц, які дають на інбредні рослини материнської лінії.
Ще однією важливою, але трудомісткою процедурою при вирощуванні гібридного насіння є видалення вручну волотей в рослин материнської форми задовго до дозрівання пилку. Уникнути цього можна, якщо перевести лінії та прості гібриди, котрі в схемах гібридизації виконують функцію материнської форми, на генетичну основу ЦЧС.
Крім того, методами насичуючих схрещувань можна комбінувати генотипи ядер одних ліній з генотипами цитоплазми інших ліній. Завдяки цьому, в разі потреби лінії, які характеризуються високою комбінаційною здатністю, переводити на стерильну основу, що відкриває широкі можливості для вдосконалення технології виробництва гібридного насіння кукурудзи, сорго, цибулі тощо.
Отже, використання генетичних механізмів ЦЧС та подвійної гібридизації дозволяє знизити собівартість гібридного насіння, що робить його доступним для виробників сільського господарства.
Разом з цим у разі успішної селекції гібридів на гетерозис підвищується врожайність гібридів першого покоління (на 70-90%, а іноді й удвоє) порівняно з вихідними сортами.
Технологія вирощування гібридного насіння для потреб сільськогосподарського виробництва ефективно використовується в насінництві кукурудзи, сорго, цибулі. Активно вивчається питання, пов'язані з розробкою ефективної технології виробництва високогетерозисного гібридного насіння триплоїдних цукрових буряків на основі ЦЧС у промислових масштабах.
СЕЛЕКЦІЯ РОСЛИН, ЗДАТНИХ ДО ВЕГЕТАТИВНОГО РОЗМНОЖЕННЯ
У світі рослин є багато видів, здатних до нестатевих форм розмноження — апоміксису, партеногенезу та вегетативного розмноження. Для всіх нащадків, котрі з'являються при нестатевих формах розмноження, в нормі, характерна повна ідентичність їхніх генотипів з генотипами материнських особин. Тим часом існує чимало видів рослин здатних не тільки до статевого, а й до вегетативного розмноження, і оскільки серед них є також сільськогосподарські культури (наприклад, картопля, часник, плодово-ягідні) або культивовані лікарські рослини (наприклад, м'ята), доцільно ознайомитися з особливостями селекційної роботи з ними. Незалежно від того, яким чином розмножуються такі рослини —бульбами (як картопля), відсадками (як смородина), кореневими паростками (як малина, м'ята), вусиками (суниця) або живцями (яблуня, груша) тощо, — вони стабільно успадковують ознаки, і всі нащадки, одержані від таких форм розмноження, є макроклітинними.
Сорти, що створюються методами вегетативного розмноження селекційного матеріалу, являють собою клони, які походять від однієї окремої рослини. Отже, всі представники клону в нормі є матроклінними щодо вихідної материнської рослини і генотипово однаковими між собою. Звичайно, при вегетативному розмноженні особин, які належать до окремого клону, процеси спонтанного мутагену продовжують відбуватися з властивою їм частотою. Однак ці процеси досить уповільнені, а мутації, що виникли, часто не можуть проявитись, бо вони залишаються прихованими за своїми домінантними алелями. Але в історичному плані кожна елітна рослина здатна започаткувати клон у ранзі нового сорту, бо вона виявляється високогетерозиготною саме через накопичення мутантних генів попередніми вегетативними поколіннями. Особини кожного кленового сорту характеризуються однаковою архітектурою гетерозиготності, тому фенотипово вони дуже однорідні.
Для стислості викладення умовимося процеси селекції рослин, що вегетативне розмножуються, називати кленовою селекцією. Остання може здійснюватися двома шляхами. Один з них — статеве розмноження кожної елітної особини з метою використання накопичених у складі її генотипу мутацій для утворення нових генних комбінацій в генотипах нащадків. Серед них добираються суперелітні особини, з кращими комбінаціями ознак, і цими особинами започатковуються нові клони. Після випробовування кращі з них переводять у ранг сортів. Другим методом кленової селекції є добір мутантів, які посилюють прояв господарсько-цінних ознак в існуючих сортах-клонах.
СТВОРЕННЯ ТА ДОБІР КЛОНІВ ВІД СТАТЕВОГО РОЗМНОЖЕННЯ РОСЛИН
Селекція рослин, які характеризуються вегетативним розмноженням, проводиться в кількох формах. Розглянемо деякі з них.
Одержання нащадків від вільного запилення рослин певного клону пилком з оточуючих однотипових рослин інших клонів. Одержане таким чином насіння повторно висівають в оточенні неспоріднених однотипових сортів-клонів. І так кілька разів. При цьому кожного разу, в повторних посівах насіння від вільного запилення, індивідуально вивчають та добирають рослини з високою життєздатністю та продуктивністю.
Виділені елітні рослини переводять на вегетативне розмноження. Кожний клон, тобто потомство від окремої рослини, включають у конкурсне сортовипробування. Переможцям присвоюють сортову назву і передають їх у державну мережу сортовипробовування.
Описаним способом було створено чимало сортів плодових, декоративних та інших видів рослин, зокрема видатний сорт картоплі Сіянець Бербанка (США).
Одержання і використання гібридів першого покоління від штучних міжсортових схрещувань. У даному випадку використовують таке явище, як накопичення в генотипах рослин, розмножуваних вегетативно протягом багатьох поколінь, що сприяє накопиченню в їхніх генотипах чималої кількості рецесивних (у тому числі летальних та напівлетальних) мутацій, прихованих за свбїми домінантними алелями. Внаслідок цього, генотипи рослин від попередників, які довгий Час розмножувались лише вегетативне, характеризуються досить складною гетерозиготністю. Тому нащадки першого гібридного покоління від міжсортових схрещувань характеризуються великою різноманітністю ознак; що сприяє посиленню дії добору.
Серед гібридів першого покоління з великою різноманітністю ознак часто з'являються особини, які набули господарсько-цінних ознак. При цьому при утворенні міжсортових гібридів у процесі перехресного запилення відбувається взаємне доповнення гібридних нащадків господарсько-цінними ознаками. Виникають комбінації гамет, які обумовлюють сплеск гетерозису.
Селекціонери виявляють такі рослини і переводять їх на вегетативну форму розмноження. Клони рослин-нащадків піддають конкурсному сортовипробуванню. Після цього кращі за врожайністю клони передають у державне сортовипробовування, і ті з них, що переможуть, — будуть переведені в розряд сортів-клонів.
Використання гібридів наступних поколінь у клоновій селекції рослин. У культурних рослин багато які господарсько-цінні ознаки обумовлюються функцією рецесивних генів. А це означає, що в гетерозиготному стані рецесивні гени не можуть фенотипово проявитись. Отже, лише споріднене схрещування або самозапилення дає можливість рецесивним генам перейти в гомозиготний стан і проявитись фенотипово. Наприклад, видатний сорт картоплі Рання роза являє собою клон нащадків від елітної рослини, виділеної з сукупності нащадків від самозапилення особин гібридного сорту Чилійський гранат.
Проте в сортів-клонів, родоначальниками яких є елітні рослини, що утворились від спорідненого статевого розмноження, існує небезпека прояву депресії в мінливих умовах вирощування. Наприклад, усі культурні сорти картоплі в XIX ст. були створені на вузькій генетичній основі. Тому схрещування між сортами давало ефект спорідненого розмноження, внаслідок чого суттєво знижувалась стійкість рослин до хвороб. У 1842 р. епідемія картопляної гнилі охопила всі посіви картоплі в Європі та Північній Америці. Це загрожувало знищенням картоплі як сільськогосподарської культури. Проте залучення до гібридизації різновидів та сортів картоплі з країн Центральної та Південної Америки, яке здійснили американські та англійські селекціонери, виправило становище. Воно повністю стабілізувалось, коли під час експедицій, організованих М.І.Вавиловим у Центральну та Південну Америку, було виявлено багато різноманітних культурних і диких форм картоплі. Ці форми були залучені до селекції, завдяки чому суттєво підвищувалась ефективність селекційної роботи з цією культурою.
Віддалена гібридизація в клоновій селекції рослин. Віддалені гібриди бувають неплодючими. Іноді, завдяки гомології хромосом, вони утворюють незначну кількість переважно кволого насіння. Проте такі гібриди здатні утворювати нормальні вегетивні покоління нащадків, а отже можуть ефективно використовуватись у селекційній роботі.
Наприклад, Л.Бербанк схрестив каліфорнійський чорний горіх з персидським грецьким горіхом. Розмноживши одержані гібриди вегетативно, він виділив елітну рослину, якою був започаткований сорт-клон горіха, названого Парадокс. Плодючість його виявилась досить низькою, але приріст маси деревини був у вісім разів більшим, ніж у вихідних батьківських форм. При цьому деревина виявилась дуже щільною і твердою, тобто підвищилась її цінність як сировини для столярних робіт.
Від схрещування віргінської суниці (Fragariavirginana) з чілійською суницею (F.chiloensis) був створений практично новий вид великоплідної садової суниці.
Наприкінці 20-х — на початку 30-х pp. XX ст. видатний російський селекціонер І.В.Мічурін одержав ряд гібридів між вишнею та черемхою, які він назвав церападусами. На жаль, ці роботи після смерті Мічургна не були продовжені.
Шляхом віддаленої гібридизації та переведенням виділених елітних гібридних особин на вегетативне розмноження було створено ряд сортів картоплі, ожини, малини та інших культур.
ДОБІР КЛОНІВ ВІД ВЕГЕТАТИВНОГО РОЗМНОЖЕННЯ РОСЛИН
Розрізняють два методи селекції, які здійснюють шляхом вегетативного розмноження селекційного матеріалу, а саме: добір серед численної різноманітності фенотипового прояву ознак у межах популяцій та добір спонтанно виниклих чи експериментальне індукованих мутантів.
Метод безпосереднього добору серед форм спонтанної мінливості в популяціях. Зрозуміло, що це досить примітивна форма добору. Тому цей метод селекції набуває значення в разі введення з дикої природи в культуру нового для сільськогосподарського виробництва виду рослин. Він використовується також у селекційній роботі, якщо не повністю використані потенціальні можливості продуктивності тієї чи іншої культури.
Наприклад, в 30-х pp. XX ст., щоб забезпечити незалежність промисловості колишнього СРСР від поставок каучуку з-за кордону, було прийнято рішення ввести в культуру виявлений у відрогах Тянь-Шаню кок-сагиз (Taraxacum kok-saghyz Robin). З'ясувалось, що в посівах кок-сагизу насінням на ділянках з рівним агротехнічним фоном проявилась велика мінливість ознак. Наприклад, вміст каучуку в сирих коренях коливався в межах 1,5-3,5%, а маса коренів — у межах 0,5-5,0 г. У перших посівах насінням врожайність коренів кок-сагизу не перевищувала 8-15 ц/га, а вже наприкінці 1940-х pp. вона становила до 50-100 ц/га. Проте, коли з посівів були виділені елітні рослини з найвищим вмістом каучуку в поєднанні з найбільшими розмірами коренеплодів і переведені на вегетативне розмноження, то врожайність клонів у дослідженнях досягла 150 ц/га.
На початку 1950-х pp. від вирощування кок-сагизу відмовились. Однак набутий досвід його впровадження в культуру заслуговує на увагу селекціонерів.
Другим прикладом безпосереднього добору серед спонтанної мінливості форм є покращення сортів плодово-ягідних культур. В Україні мабуть, біля кожної хати можна побачити плодовий садочок. Є й великі сади. В садах нерідко зустрічаються окремі яблуні, груші, сливи, абрикоси, виноградні лози тощо, плоди яких мають унікальний смак, а самі дерева дбайливо доглядають за високу плодючість, зимостійкість, стійкість до шкідників та хвороб. Шляхом обстеження плодових насаджень у садах спеціалісти можуть створити багатющий каталог селекційного матеріалу плодово-ягідних насаджень України, що створений з широким використанням цього матеріалу в селекційній роботі.
Методи добору спонтанних або індукованих мутантів. В живих соматичних клітинах, як і в клітинах репродуктивних тканин процеси спонтанної мутації генів відбуваються з певною закономірністю, яка постійно зберігається в живих системах. Тому мінливість ознак у рослин, які вегетативно розмножуються протягом багатьох поколінь, може здійснюватись лише за рахунок соматичних мутацій. Бо в процесі вегетативного розмноження успадковуються лише соматичні мутації, а в процесі статевого розмноження — лише мутації генів, локалізованих у репродуктивних клітинах.
Фенотиповий прояв соматичних мутацій при вегетативному розмноженні рослин має дві особливості. Одна з них полягає в тому, що кожна мутація будь-якого гена може відбутись у соматичній клітині, що локалізована в якійсь точці організму. Але організм складається з мільярдів клітин, кожна з яких може започаткувати бруньку, здатну бути родоначальницею нового вегетативно утвореного організму. З цієї причини не кожна соматична мутація передається новому вегетативному поколінню. Проте мутантна клітина, яка започатковує новий вегетативно утворений організм, забезпечує відтворення мутантного гена в генотипі кожної клітини цього організму.
В окремих випадках мутація гена відбувається в одній із дочірніх клітин вже започаткованого процесу формування бруньки немутантною клітиною. Якщо мутація не вплинула негативно на життєздатність відповідної клітини, то розмножується, утворюючи в складі тканин клон мутантних клітин. Унаслідок цього формується пагін з химерних тканин. Про явище химерності див. у розділі XVIII). Виявивши химеру, селекціонер може "розхимерити" мутантну тканину й оцінити селекційну придатність мутації.
Другою особливістю фенотипового прояву соматичних мутацій є стан генотипу, в якому відбувається мутація генів.
Позначимо символом А ген, який обумовлює забарвлення пелюсток на квітках м'яти холодної, і символом а — білі пелюстки. З наведених формул видно, що мутація домінантного А-гена в гомозиготному АА-генотипі утворить гетерозиготний Аа-стан, в якому мутантний а-ген фенотипово не проявиться. Інша ситуація виникає в Аа-гетерозигот. Тут мутація домінантного А-гена до рецесивного стану утворить рецесивний аа-генотип. Якщо мутантна соматична аа-клітина започаткує утворення нового організму, цей організм буде білоквітковим. У даному разі мутантний ген реалізував фенотиповий прояв. Що стосується рецесивних аа-гомозигот, то мутація однієї з них може перевести його в новий алельний стан, який відносно партнера може виявитись або рецесивним (і фенотипово не проявитись), або домінантним. У такому разі, якщо відповідна клітина започаткує новий організм, мутантний ген реалізує свій фенотиповий прояв.
Описаний характер фенотипового прояву соматичних мутацій А-гена такий самий для В-, С- і всіх інших генів.
Наочним прикладом використання соматичних мутацій у клоновій селекції є виведення І.В.Мічуріним сорту яблуні, названої Антонівка півторафунтова. В 1888 р. він помітив на яблуні сорту Антонівка незвичайний пагін з листками та плодами збільшених розмірів і прищепив живець з цього пагона на індивідуальну підщепу. Вирощена яблуня дала надто великі 600 г плоди зі зміненими (порівняно з плодами вихідного сорту) смаковими якостями. Будучи вегетативно розмноженою, вона як новий сорт-клон широко розповсюдилась на дачних ділянках у тогочасній Росії.
Проте переважна більшість мутацій негативно впливає на формування господарсько-цінних ознак. Тому накопичення в генотипах сортів-клонів рецесивних мутацій може принести зниження продуктивності рослин. Наочним прикладом цього є сорт апельсина Вашінгтон-Навель, завезений у США з Австралії на рубежі XIX-XX ст. У рослин цього сорту через 20-25 років після інтродукції почала знижуватись продуктивність і погіршуватись якість плодів.
Вивчення цього явища показало, що до цього спричинилися соматичні мутації, які характеризувались фенотиповим проявом. Всі вони, за винятком однієї, котра одержала назву раса Томпсон, негативно впливали на продуктивність насаджень апельсина сорту Вашінгтон-Навель. Мутант раси Томпсон, який за підвищену якість плодів, став родоначальником нового сорту-клона. А високу продуктивність насаджень сорту Вадінгтон-Навель відновлюють шляхом перещеплення дерев немутантними живцями.
Нині за допомогою хімічних мутагенів та іонізуючої радіації широко застосовується індукування соматичних мутацій для потреб селекції. Причому на вибір методів селекції не впливає походження мутації, тобто якщо мутація залучається до селекційного процесу, то немає значення, виникла вона спонтанно чи була індукована.
Клонова селекція рослин шляхом використання соматичних мутацій займає чільне місце серед методів, за допомогою яких виведено багато сотень сортів-клонів плодово-ягідних рослин. Ці методи широко застосовуються для покращення існуючих сортів-клонів, вони незамінні в селекції тих сільськогосподарських культур, які втратили здатність до статевого розмноження (наприклад, часник).