Здравствуй, дорогой друг. Сегодня мы с тобой изучим тему «Основные закономерности наследования и законы Менделя». В данной теме раскроем следующие понятия: гибридологический метод, чистые линии, моногибридное и дигибридное скрещивание, аллельные гены, гомозиготные и гетерозиготные организмы, доминантные и рецессивные признаки, расщепление, закон чистоты гамет.
Каковы цели нашего урока?
- изучить основные закономерности наследования;
- научиться применять законы Менделя при решении генетических задач;
- что такое наследственность?
Первую последовательную и непротиворечивую теорию эволюции в начале XIX века разработал Жан Батист Ламарк. В ее основе лежали два допущения: о наследовании приобретенных признаков и о внутренне присущем всему живому «стремлении к совершенству». Первая гипотеза объясняла, почему организмы так хорошо приспособлены к условиям обитания. В течение жизни они используют свои органы по-разному: одни чаще, другие реже. Органы, которые все время «тренируются», крепнут и растут, а «остающиеся без работы» - уменьшаются и слабеют. Небольшие изменения, возникающие вследствие такой избирательной тренировки, передаются по наследству. Например, если животное питается листьями, растущими высоко на деревьях, ему приходится часто вытягивать шею. Шея тренируется, крепнет и постепенно удлиняется. Потомство такого животного уже от рождения получит чуть более длинную шею. Так, по мнению Ламарка, жирафы приобрели свою знаменитую шею. А если какая-то птица перестает летать и переходит к наземному образу жизни, то, согласно его представлениям, ее крылья, долгое время остающиеся неиспользованными, рано или поздно атрофируются. Так возникли нелетающие птицы с рудиментарными крыльями. Второе предположение Ламарка - внутренняя «тяга к совершенству» - объясняло постепенное усложнение организмов, появление новых органов и тканей.
Что же изменил Дарвин в теории Ламарка? Он отказался от второй посылки своего предшественника - «тяги к совершенству» - и придумал такой механизм эволюционных изменений, которого теория Ламарка не предусматривала, - естественный отбор. Механизм естественного отбора основан на борьбе за существование (которая происходит оттого, что живые существа производят больше потомков, чем может выжить), изменчивости (ее причины Дарвин, не зная генетики, не мог сформулировать и принимал просто как данность) и наследственности, благодаря которой свойства, помогающие данной особи выжить, передаются ее потомству.
Таким образом, наследственность - это способность организмов передавать свои признаки и свойства из поколения в поколение.
Материальной основой наследственности служат структуры ядра - хромосомы. Для каждого организма характерно постоянное число хромосом. Например: у человека 23 пары, у обезьян 24 пары, у дрозофилы 4 пары хромосом). Каждая хромосома в соматических клетках человека и других двуполых организмов представлена дважды.
Две одинаковые по размерам и форме хромосомы, образующие пару называют гомологичными. В одинаковых участках гомологичных хромосом расположены парные или аллельные гены (аллели). При этом различают доминантную аллель (ген А) и рецессивную (ген а). Пример: ген А - красная окраска лепестков, ген а - белая окраска лепестков. Если гомологичные хромосомы несут одинаковые аллельные гены, то такой организм называют гомозиготным (АА, аа), а если разные - гетерозиготным (Аа). Например, АА - гомозиготный организм с желтой окраской семени, аа - с зеленой окраской семени, Аа - гетерозиготный организм, несущий ген А - желтой окраски, ген а - зеленой окраски.
Основоположником генетики является Грегор Мендель. А, почему же именно Менделя считают основоположником генетики? С 1856 года он в монастырском саду начал проводить обширные и тщательно продуманные опыты, связанные со скрещиванием растений. На примере гороха он выявлял закономерности наследования различных признаков в потомстве гибридных растений. Почему именно горох? Каким способом происходит опыление у гороха? Правильно, данное растение способно к самоопылению, т.е. пыльца из пыльников переносится на рыльце пестика одного и того же цветка или между цветками одного растения.
Для проведения опытов над горохом Г.Мендель использовал гибридологический метод. Он заключается в скрещивании организмов, отличающихся по каким-либо признакам и в последующем анализе характера наследования этих признаков у потомства.
Г.Мендель проводил скрещивание растений гороха, при котором родительские формы анализировались по одной паре альтернативных признаков (семена желтые и зеленые, гладкие и морщинистые и т.д.) Такое скрещивание называют моногибридным. Пример: АА - семена желтые, аа - семена зеленые. Если у родительских форм учитывались две пары альтернативных признаков - дигибридное скрещивание. Пример: ААВВ - растения с желтой окраской и гладкими семенами, аавв - с зеленой окраской и морщинистыми семенами.
Прежде чем проводить опыты, Мендель получил чистые линии гороха с альтернативными (противоположными) признаками, т.е. гомозиготные доминантные (АА - желтая окраска семян) и гомозиготные рецессивные (аа - зеленая окраска), которые в дальнейшем скрещивались друг с другом. Спустя семь лет эксперименты были закончены. А еще через пару лет, в 1865 году, на заседаниях общества естествоиспытателей Брюнна Мендель выступил с докладом о проделанной работе. Через год вышла его статья об опытах над растительными гибридами. Именно благодаря ей были заложены основы генетики как самостоятельной научной дисциплины. Благодаря этому, Мендель - основоположник генетики.
Введем несколько терминов необходимых для решения задач:
1. фенотип - совокупность всех признаков организма.
2. генотип - совокупность генов организма.
Изобразим моногибридное скрещивание в виде схемы. Обозначим родительские особи латинской буквой "Р", её можно запомнить по английскому слову "parents"(родители), напротив записываем генотипы родителей АА и аа, подписываем под ними фенотипы АА-желтые семена, аа-зеленые, между ними ставим знак скрещивания в виде крестика - Х, ниже под буквой "Р" пишем гаметы, которые обозначают буквой "G", из каждой аллели получают по одной гамете А и а, их обводят в кружок. Соединяем полученные гаметы и получаем первое поколение потомков (гибридов) - F1 подписываем под буквой "G" и выписываем генотип Аа - гетерозигота, т.к. присутствует доминантный ген А (жёлтая окраска семян), то организм получается с желтыми семенами.
В результате скрещивания мы видим, что все потомки в первом поколении одинаковы (единообразны) по фенотипу (проявился доминантный признак - желтая окраска семян) и генотипу (гетерозиготны). Давайте попробуем сформулировать первый закон Менделя - закон единообразия гибридов первого поколения (F1). Проверим, правильно ли вы его сформулировали:
При скрещивании гомозиготных особей, анализируемых по одной паре альтернативных признаков, наблюдается единообразие гибридов первого поколения как по фенотипу, так и по генотипу.
Попробуйте применить первый закон Менделя, решив генетическую задачу:
- Ген черной масти у крупнорогатого скота доминирует над геном красной масти. Какое потомство F1 получится от скрещивания чистопородного черного быка с красными коровами?
Для решения данной задачи необходимо записать
Дано: А-ген черной масти, а - ген красной масти; отчерчиваем и записываем то, что нужно
Найти: F1.
Записываем Решение.
1. Красные коровы несут рецессивный признак, следовательно, они гомозиготны по рецессивному гену и их генотип - аа.
2. Бык несет доминантный признак черной масти и является чистопородным, т.е. гомозиготным. Следовательно, его генотип - АА.
3. Гомозиготные особи образуют один тип гамет, у черного быка доминантный ген А, а у красной коровы только рецессивный ген а.
4. В результате слияния гамет образуется единообразное поколение F1 с генотипом Аа и фенотипом черной масти.
Теперь разберемся со вторым законом Менделя, законом расщепления. Для этого вернёмся к гороху. Скрещиваем гибридов (потомков) первого поколения (Аа - желтые семена) между собой. Из каждой аллельной пары образовалось два типа гамет: у первой особи - А и а, у второй - А и а. В результате их слияния образуются следующие аллели: АА (жёлтая окраска), 2Аа (желтая окраска), аа (зеленая окраска семян). По фенотипу произошло расщепление в соотношении 3:1 (3 особи с желтыми семенами и 1 особь с зелеными) и по генотипу 1:2:1 (1АА, 2Аа, 1аа). Попробуй сформулировать второй закон Менделя.
Проверим:
При скрещивании гибридов первого поколения наблюдается расщепление в соотношении 3:1 по фенотипу и 1:2:1 по генотипу.
Решим задачу, применив данный закон:
- У пшеницы ген карликового роста доминантен над геном нормального роста. Определите, какое будет потомство при скрещивании гомозиготной карликовой пшеницы с нормальной пшеницей и какое будет потомство при скрещивании двух гетерозиготных карликовых растений пшеницы.
Запишем дано, найти и решение. Что нам дано? Что необходимо найти?
Проверяем, дано: А-ген карликового роста, а - ген нормального роста. Нам необходимо найти потомков первого (F1) и второго поколения (F2). Итак, решение. При скрещивании карликовой АА и нормальной пшеницы аа карликовая пшеница дает гаметы с геном А, нормальная пшеница дает гаметы с геном а. Потомство F1 получится карликовым Аа, так как потомки гетерозиготные. При скрещивании двух гетерозиготных организмов карликовой пшеницы Аа образуются от родительских форм два типа гамет, А и а. Сочетание этих гамет дает три генотипа: ¼ с генотипом АА, 2/4 с генотипом Аа, ¼ с генотипом аа. Снова получаем соотношение по росту 3:1.
Анализирующее скрещивание. Что это такое и для чего оно нужно?
В некоторых случаях необходимо установить генотип особи с доминантным признаком, т.к. при полном доминировании гомозигота (АА) и гетерозигота (Аа) фенотипически неотличимы. Для этого применяется анализирующее скрещивание, при котором данный организм с неизвестным генотипом скрещивается с гомозиготным рецессивным (аа) по данной аллели.
Если в результате такого скрещивания получено единообразие гибридов первого поколения, то анализируемый организм является гомозиготным, а если в F1 произошло расщепление 1:1, то организм является гетерозиготным.
Неполное доминирование
В приведенных примерах доминантный ген полностью подавляет рецессивный, однако он не всегда может полностью подавлять действие рецессивного гена, такое доминирование называют неполным. Гибриды первого поколения не производят признаки родителей - промежуточный характер наследования.
Например, при скрещивании гомозиготных растений ночной красавицы с красными (АА) и белыми (аа) цветками первое поколение получается с розовыми цветками (Аа).
При скрещивании гетерозигот первого поколения получили расщепление 1:2:1, т.е. 1АА - красные цветки, 2Аа - розовые, аа - белые.
Третий закон Менделя
Изучив наследование одной пары аллелей, Мендель решил проследить наследование двух признаков у гороха. Он использовал гомозиготные растения, отличающиеся по двум парам альтернативных признаков: семена желтые гладкие и зеленые морщинистые.
При таком скрещивании он получил растения, у которых были желтые и гладкие семена, что подтверждает первый закон Менделя, который проявляется не только при моногибридном скрещивании, но и при дигибридном.
Полученные гибриды первого поколения будут давать четыре типа гамет в равном соотношении (АВ, Аb, aB, ab), т.к. в процессе мейоза из каждой пары генов в гамету попадает только один, который свободно комбинируется с генами другой пары.
При скрещивании гибридов первого поколения возможно 16 вариантов их сочетаний. Для удобства записи лучше пользоваться решеткой Пеннета, в которой по горизонтали записывают женские гаметы, а по вертикали - мужские.
В результате скрещивания в зиготах получаются разные комбинации генов. По фенотипу потомство делится на 4 группы:
- 9 частей желтые гладкие (А_B_)
- 3 части желтые морщинистые (A_bb)
- 3 части зеленых гладких (aaB_)
- 1 часть зеленые морщинистые (aabb).
Если учесть расщепление по одной паре признаков, то получится (9+3) особи с желтыми (гладкими) и (3+1) особь с зелеными (морщинистыми) семенами. Их соотношение равно 12:4, или 3:1. Следовательно, при дигибридном скрещивании каждая пара признаков в потомстве дает расщепление независимо от другой пары, как и при моногибридном скрещивании. При этом происходит случайное комбинирование генов, приводящее к новым их сочетаниям, которых не было у родительских форм.
Отсюда следует третий закон Менделя (закон независимого комбинирования признаков):
При скрещивании гомозиготных особей, анализируемых по двум или нескольким парам альтернативных признаков, во втором поколении наблюдается независимое комбинирование генов разных аллельных пар и соответствующих им признаков.
Множественный аллелизм
Рассмотрим взаимодействие генов в соматических клетках. Как известно в соматических клетках одного организма содержится только два аллеля одного гена. Однако ген может находиться более, чем в двух состояниях. Разнообразие аллелей одного гена получило название множественный аллелизм. Разные аллели одного гена обуславливают развитие одного признака. Например, группу крови человека определяют три аллельных гена (А, В, 0).
- 00 - I группа крови,
- АА и А0 - II группа крови,
- ВВ и В0 - III группа крови
- АВ - IV группа крови
Если у матери IV группа крови (АВ), а у отца - I группа (00), то с какой группой крови могут родиться дети в этом браке? В результате скрещивания образуется три типа гамет: у матери - А и В, у отца - 0. Следовательно, дети могут иметь либо II, либо III группу крови.
Ген может проявлять множественное действие - контролировать развитие нескольких признаков.
Таким образом, законы Менделя являются практически универсальными, т.к. согласно им происходит наследование признаков у всех организмов, размножающихся половым путем.