Основы генетики и селекции. Основные закономерности наследственности законы Менделя

ОСНОВЫ ГЕНЕТИКИ И СЕЛЕКЦИИ

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ ЗАКОНЫ МЕНДЕЛЯ

 

Генетика — наука, изучающая закономерности двух основных свойств живых организмов — наследственности и изменчивости (о наследственности и изменчивости см. в главе «Дарвинизм»).

 

Основоположником генетики является чешский ученый Грегор Мендель ( 1822 — 1884), проводивший в г. Брно опыты  по скрещиванию различных форм гороха. Наблюдая за полученными гибридами, он установил ряд законов наследования, положивших начало генетике, и разработал метод гибридологического анализа, ставший основным ее методом.

 

Метод гибридологического анализа  предусматривает скрещивание особей с контрастными (альтернативными) признаками (например, цветки у одной особи  гороха красные, у другой — белые  и т. д.); анализ проявления у гибридов только исследуемых признаков, без учета остальных; выращивание и анализ потомства каждой особи отдельно от других; ведение количественного учета гибридов, различающихся по исследуемым признакам. При гибридологическом анализе пользуются следующими общепринятыми символами. Родительские организмы, взятые для скрещивания, обозначают буквой Р (от лат. «парента» — родители); женский пол — знаком  — «зеркало Венеры», при записи схемы скрещивания его ставят первым; мужской — «щит и копье Марса», его пишут вторым; скрещивание обозначают знаком умножения « X »; гибридное потомство обозначают латинской буквой F (от лат. «филие» — дети) с цифрой, соответствующей порядковому номеру поколения: F1, F2 и т. д.

 

В своих опытах Мендель использовал различные типы скрещиваний.

 

Моногибридное скрещивание. Оно наиболее простое, так как родители отличаются друг от друга по одному признаку (например, по окраске цветков гороха — красной  и белой) (64).

 

При анализе гибридов F1, Мендель  установил, что все особи имеют одинаковые признаки. При этом проявляется только признак одного родителя — красные цветки, признак другого (белые цветки) отсутствует. Признак, проявляющийся в F1, он назвал доминантным (преобладающим); признак отсутствовавший — рецессивным (отступающим). Эта закономерность в генетике получила название закона доминирования или закона единообразия гибридов первого поколения (первый закон Менделя).

 

 

 

 

 

Проводя самоопыление гибридов F1, Мендель  установил, что в F2 появляются особи  как с доминантным признаком (красные цветки), так и с рецессивным (белые цветки) в отношении 3:1. Это явление получило название закона расщепления гибридов второго поколения или второго закона Менделя.

 

Для объяснения наблюдаемых закономерностей  Мендель выдвинул гипотезу чистоты гамет, предположив следующее:

 

Любой признак формируется под  влиянием материального фактора (позднее  названного геном). Фактор, определяющий доминантный признак, он обозначил  заглавной буквой А, а рецессивный  — а. Каждая особь содержит два фактора, определяющих развитие признака, из которых один она получает от матери, другой — от отца. При образовании гамет происходит редукция факторов, и в каждую гамету попадает только один.

 

Согласно этой гипотезе, ход моногибридного скрещивания записывают так:

 

 

 

 

 

Из данной схемы видно, что при  любых сочетаниях гамет все гибриды  имеют одинаковые генотип и фенотип  и что гипотеза чистоты гамет  правильно объясняет законы единообразия гибридов первого поколения и  доминирования.

 

При образовании гамет у  гибридов F1, 1/2 будет нести фактор А, а 1/2 — а. При самоопылении и равновероятном сочетании гамет при оплодотворении в F2 ожидается следующее: при самоопылении однородное, нерасщепляющееся потомство. Они в гомологичных хромосомах содержат одинаковые аллельные гены (АА или аа) и образуют один сорт гамет.

 

Гетерозиготы — особи, дающие расщепление. Они содержат разные аллели (Аа) и  образуют два сорта гамет: с геном  А и геном а.

Промежуточное наследование.

 

 Иногда у гибридов F1 не наблюдается  полного доминирования.

 

 

 

 

 

 

В F2 расщепление по генотипу будет: 1 АА : 2Аа : 1аа, а по фенотипу: 3 краен. : 1 бел., таким, каким оно было в  опыте, что говорит о достоверности  гипотезы.

 

С открытием мейоза (40 лет спустя после работ Менделя) гипотеза чистоты  гамет получила цитологическое подтверждение. Например, высшие растения имеют диплоидный набор хромосом; после мейоза в каждую гамету попадает только одна из гомологичных хромосом, а следовательно, только один из аллельных генов. Аллельными генами называют гены, расположенные в идентичных участках гомологичных хромосом. Дальнейший процесс наследования можно проследить на схеме.

 

Гипотеза чистоты гамет ввела  ряд генетических понятий.

 

Гомозиготы — особи, дающие их признаки носят промежуточный характер (65). Такое наследование называют промежуточным наследованием или неполным доминированием.

 

При неполном доминировании F2 расщепление  по фенотипу и генотипу выражается одинаковым отношением 1:2:1.

Анализирующее скрещивание.

 

 При полном доминировании  среди особей с доминантными признаками невозможно отличать гомозиготы от гетерозигот, а в этом часто возникает необходимость (например, чтобы определить, чистопородна или гибридна данная особь). С этой целью проводят анализирующее скрещивание, при котором исследуемая особь с доминантными признаками скрещивается с рецессивной гомозиготой. Если потомство от такого скрещивания окажется однородным, значит, особь гомозиготна (ее генотип АА). Если же в потомстве будет 50% особей с доминантными признаками, а 50% — с рецессивными, значит, особь гетерозиготна.

 

 

Дигибридное скрещивание.

 

Чтобы определить, как будут наследоваться  два (и более) признака одного родителя, Мендель проводил дигибридное скрещивание, в котором гомозиготные родители отличались друг от друга по двум признакам: окраске семян (желтая и зеленая) и форме семян (гладкая и морщинистая) (66). Появление F1 особей с желтыми гладкими семенами свидетельствует о доминировании этих признаков и проявлении закона единообразия у гибридов F1. После их самоопыления в F2 появились особи четырех фенотипов. Два — сходные с родительскими (желтые гладкие и зеленые морщинистые), а два — новые, сочетающие признаки матери и отца (желтые морщинистые и зеленые гладкие). Из этого видно, что при дигибридном скрещивании наблюдается независимое наследование признаков. Количественный анализ этих гибридов показывает, что дигибридное расщепление представляет собой два моногибридных расщепления, идущих независимо друг от друга. Оно выражается отношением 9:3:3:1, или (3:1)2. Такой характер наследования получил название закона независимого наследования (распределения) признаков, или третьего закона Менделя. Согласно этому закону, расщепление по каждому признаку идет независимо от другого признака.

 

 

 

 

 

 

Независимое наследование признаков  при дигибридном скрещивании обусловлено независимым поведением хромосом в мейозе при образовании гамет гибридами F1 (АаВв). Оно выражается в том, что в анафазе I с одинаковой вероятностью к одному полюсу могут отойти либо обе материнские хромосомы, а к другому — обе отцовские, либо вместе с материнской хромосомой с геном А отойдет отцовская с геном в, а вместе с отцовской хромосомой с геном а — материнская с геном В.

 

 

 

 

 

 

 Следовательно, гибриды из F1, (АаВв) с одинаковой вероятностью  могут образовывать 4 типа гамет: АВ, ав, Ав и аВ.

 

Независимое наследование характерно только для тех признаков, гены которых  находятся в разных хромосомах. Оно  имеет огромное значение для эволюции, так как является источником комбинативной  изменчивости и многообразия живых  организмов.

Селекция - наука о создании новых  и улучшении существующих пород  домашних животных, сортов культурных растений и штаммов микроорганизмов. Порода (сорт) - это искусственно созданная  человеком популяция, которая характеризуется  пригодными для человека наследственными особенностями, высокой продуктивностью и своими морфологическими и физиологическими признаками.

 

 

Селекция - это процесс выведения новых и улучшения уже существующих форм растений, животных или микроорганизмов. Селекция не создает новых видов, она лишь изменяет уже существующие (дикие) формы организмов, в соответствии с хозяйственными или иными потребностями человека.

История селекции очень длительная. Человек давно  начал одомашнивать животных и окультуривать  растения, чтобы сделать свою жизнь более надежной и комфортной. По данным археологических раскопок, растениеводство и животноводство имело место уже в эпоху неолита (новый каменный век). Вначале были одомашнены собаки (их предковые формы до сих пор вызывают споры), которые помогали на охоте и охраняли жилище. Самыми первыми домашними сельскохозяйственными животными стали овцы, козы, коровы, свиньи, ослы. Их предков человек одомашнил более 10 тыс. лет назад. Позднее (за 2 - 3 тыс. лет до н.э.) одомашнили лошадь, буйвола, верблюда, северного оленя, кур. Вначале животноводство было ограниченно лишь районами с теплым тропическим климатом, но со временем распространилось повсеместно. В Европе домашние животные появились в III тысячелетием до н.э. В Южной Америке до прихода европейцев индейцы одомашнили лам, в Северной Америке была одомашнена лишь индейка, скотоводства не было вовсе.

Все названные  вопросы требуют дальнейшего  рассмотрения и изучения, что является целью данной работы, в задачи которой  входит систематизация, накопление и  закрепление знаний об основах селекции, селекции растений и животных.

1. Основы селекции

Селекция - это наука, которая разрабатывает  новые пути и методы получения  сортов растений и их гибридов, пород  животных. Это также и отрасль  сельского хозяйства, занимающаяся выведением новых сортов и пород с нужными для человека свойствами: высокой продуктивностью, определенными качествами продукции, невосприимчивых к болезням, хорошо приспособленных к тем или иным условиям роста. Теоретическая основа селекции - генетика и разрабатываемые ею закономерности наследственности и изменчивости организмов. Эволюционная теория Чарльза Дарвина, законы Грегори Менделя, учения о чистых линиях и мутациях позволили селекционерам разработать методы управления наследственностью растительных и животными организмов. Большую роль в селекционной практике играет гибридологический анализ.

Селекционный  процесс разбивается на три отрасли: селекция в растениеводстве, селекция в животноводстве и селекция микроорганизмов.

Отыскать  определенный ген, извлечь его из клетки, вживить в другую и получить абсолютно новый организм, идеально отвечающий всем требованиям, - о таком можно только мечтать. Найди нужное сочетание генов, и картофель перестанет бояться колорадского жука, пшеница - дождей и заморозков, соя даст невиданные урожаи, в помидорах будет вдвое больше бета-каротина, капуста брокколи начнет тормозить рост раковых клеток, куры осчастливят нас яйцами, богатыми полиненасыщенными жирными кислотами, которые есть только в рыбе. Да мало ли чего еще можно добиться, манипулируя генным кодом!

В принципе, ничего нового в идее получения модифицированных продуктов нет. Сама природа в  процессе эволюции создавала новые  организмы и снабжала созданные  ранее новыми свойствами. Правда, на это уходили тысячелетия. Человек решил ускорить этот процесс и создал науку о выведении новых сортов растений и пород животных - селекцию. Ученые скрещивали организмы с необходимыми свойствами, из полученного потомства отбирали удавшиеся образцы и вновь скрещивали их между собой, добиваясь полной генетической чистоты. Требовались десятилетия, чтобы с помощью такого метода получить морозостойкую пшеницу или породу коров, дающую семикратные надои. Несколько десятков лет по сравнению с тысячелетием - ничто, однако нетерпеливому человечеству и это показалось слишком долгим. Ученые нашли еще более быстрый способ получения организмов с определенным набором генов. Живые клетки подвергали жесткому радиационному воздействию, вызывая случайные мутации, - в надежде, что хоть пара клеток мутирует в нужном направлении. И хотя нежелательных результатов при этом методе селекции было больше, чем при обычном скрещивании, сроки получения желаемого сократились до 10-15 лет.

Методы селекции

Гибридизация - это скрещивание организмов разных пород. Различают гибридизацию двух видов. Близкородственное скрещивание (инбридинг) позволяет перевести рецессивные гены в гомоамготное состояние и вывести чистые линии. Неродственное скрещивание, позволяющее объединить в одном организме признаки разных форм. Последнее скрещивание может бьть внутривидовым (скрещивание особей одного вида) и отдалены и скрещивание особей разных видов и родов. При таких неродственных скрещиваниях в первом поколении гибридов повышается их жизнеспособность и наблюдается мощное развитие (гетерозис).

Отбор - выделение  для размножения ценных форм. В  селекции растений проводят два вида отбора. Массовый отбор - выделение  группы особей, сходных по фенотипу, но дающих расщепление в потомстве. Индивидуальный отбор - выделение единичных  форм и раздельное выращивание потомства каждой особи, который приводит к созданию чистых линий (потомство одной самоопыляемой особи). В селекции животных применяется только индивидуальный отбор, потомство животных чаще всего малочисленно. При отборе животных необходимо учитывать развитие экстерьерных признаков (телосложение, соотношение частей тела), их связь с признаками продуктивности породы (молочность у коров, яйценоскость кур).

Искусственный мутагенез - действие на организм мутагенами, в качестве которых используются некоторые химические вещества, ультрафиолетовые и рентгеновские лучи и др. Эти воздействия нарушают строение молекул ДНК и служат причиной мутаций, ведущих к наследственной изменчивости.