I закон Менделя. Закон единообразия гибридов первого поколения
При скрещивании гомозиготных особей, отличающихся по одной паре альтернативных (взаимоисключающих) признаков, все потомство в первом поколении единообразно как по фенотипу, так и по генотипу.
Скрещивали растения гороха с желтыми (доминантный признак) и зелеными (рецессивный признак) семенами. Образование гамет сопровождается мейозом. Каждое растение образует один сорт гамет. Из каждой гомологичной пары хромосом в гаметы отходят по одной хромосоме с одним из аллельных генов (А или а). После оплодотворения парность гомологичных хромосом восстанавливается, образуются гибриды. Все растения будут иметь семена только желтого цвета (фенотип), гетерозиготны по генотипу Аа. Это происходит при полном доминировании.
Гибрид Аа имеет один ген А от одного родителя, а второй ген — а — от другого родителя (рис. 73).
Гаплоидные гаметы (G), в отличие от диплоидных организмов, обводят кружочком.
В результате скрещивания получаются гибриды первого поколения, обозначаемые F1.
Для записи скрещиваний применяют специальную таблицу, предложенную английским генетиком Пеннетом и называемую решеткой Пеннета.
По горизонтали выписывают гаметы отцовской особи, по вертикали — материнской. В местах пересечений записывают геноти-
Рис. 73. Наследование при моногибридном скрещивании.
I — скрещивание двух сортов гороха с желтыми и зелеными семенами (Р); II
— цитологические основы I и II законов Менделя.
F1 — гетерозиготы (Аа), F2 — расщепление по генотипу 1 АА : 2 Аа : 1 аа.
пы потомков. В таблице число клеток зависит от числа типов гамет, образуемых скрещиваемыми особями.
II закон Менделя. Закон расщепления гибридов первого поколения
При скрещивании гибридов первого поколения между собой во втором поколении появляются особи как с доминантными, так и с рецессивными признаками и происходит расщепление по фенотипу в соотношении 3:1 (три доминантных фенотипа и один рецессивный) и 1:2:1 по генотипу (см. рис. 73). Такое расщепление возможно при полном доминировании.
Гипотеза «чистоты» гамет
Закон расщепления можно объяснить гипотезой «чистоты» гамет.
Явление несмешивания аллелей альтернативных признаков в гаметах гетерозиготного организма (гибрида) Мендель назвал ги- потезой «чистоты» гамет. За каждый признак отвечают два аллельных гена (Аа). При образовании гибридов аллельные гены не смешиваются, а остаются в неизмененном виде.
Гибриды Аа в результате мейоза образуют два типа гамет. В каждую гамету идет одна из пары гомологичных хромосом с ал- лельным геном А или аллельным геном а. Гаметы чисты от другого аллельного гена. При оплодотворении восстанавливается гомологичность хромосом и аллельность генов, проявляется рецессивный признак (зеленый цвет горошин), ген которого в гибридном организме не проявлял своего действия. Признаки развиваются в результате взаимодействия генов.
Неполное доминирование
При неполном доминировании гетерозиготные особи имеют собственный фенотип, и признак носит промежуточный характер.
При скрещивании растений ночной красавицы с красными и белыми цветками в первом поколении появляются особи с розовой окраской. При скрещивании гибридов первого поколения (розовые цветки) расщепление в потомстве по генотипу и фенотипу совпадает (рис. 74).
Рис. 74. Наследование при неполном доминировании у растения ночной красавицы.
Свойством неполного доминирования обладает ген, вызывающий серповидноклеточную анемию у человека.
Анализирующее скрещивание
Рецессивный признак (зеленый горох) проявляется только в гомозиготном состоянии. Гомозиготные (желтый горох) и гетерозиготные (желтый горох) особи с доминантными признаками по фенотипу не отличаются друг от друга, но имеют разные генотипы. Их генотипы можно установить, скрестив с особями с известным генотипом. Такой особью может быть зеленый горох, имеющий гомозиготный рецессивный признак. Это скрещивание называют анализирующимися. Если в результате скрещивания все потомство будет единообразным, то исследуемая особь гомозиготна.
Если произойдет расщепление, то особь гетерозиготна. Потомство гетерозиготной особи дает расщепление в соотноше- нии 1:1.
III закон Менделя. Закон независимого комбинирования признаков (рис. 75). Организмы отличаются друг от друга по нескольким признакам.
Скрещивание особей, отличающихся по двум признакам, называют дигибридным, а по многим — полигибридным.
При скрещивании гомозиготных особей, отличающихся по двум парам альтернативных признаков, во втором поколении происходит независимое комбинирование признаков.
В результате дигибридного скрещивания все первое поколение единообразно. Во втором поколении происходит расщепление по фенотипу в соотношении 9:3:3:1.
Например, если скрестить горох с желтыми семенами и гладкой поверхностью (доминантный признак) с горохом с зелеными семенами и морщинистой поверхностью (рецессивный признак), то все первое поколение будет единообразным (желтые и гладкие семена).
При скрещивании гибридов между собой во втором поколении появились особи с признаками, которых не было у исходных форм (желтые морщинистые и зеленые гладкие семена). Эти признаки наследуются независимо друг от друга.
Дигетерозиготная особь образовывала 4 типа гамет
Для удобства подсчета особей, получившихся во втором поколении после скрещивания гибридов, пользуются решеткой Пеннета.
Рис. 75. Независимое распределение признаков при дигибридном скрещивании. А, В, а, b — доминантные и рецессивные аллели, контролирующие развитие двух признаков. G — половые клетки родителей; F1 — гибриды первого поколения; F2 — гибриды второго поколения.
В результате мейоза в каждую гамету отойдет по одному из аллельных генов из гомологичной пары хромосом.
Образуется 4 типа гамет. Расщепление после скрещивания в соотношении 9:3:3:1 (9 особей с двумя доминантными признаками, 1 особь с двумя рецессивными признаками, 3 особи с одним доминантным, а другим рецессивным признаками, 3 особи с доминантным и рецессивным признаками).
Появление особей с доминантными и рецессивными признаками возможно потому, что гены, отвечающие за цвет и форму горошин, находятся в различных негомологичных хромосомах.
Каждая пара аллельных генов распределяется независимо от другой пары, и поэтому гены могут комбинироваться независимо.
Гетерозиготная особь по «n» парам признаков образует 2n типов гамет.
Вопросы для самоконтроля
1. Как формулируется I закон Менделя?
2. Горох с какими семенами скрещивал Мендель?
3. Растения с какими семенами получились в результате скрещивания?
4. Как формулируется II закон Менделя?
5. Растения с какими признаками получились в результате скрещивания гибридов первого поколения?
6. В каком числовом соотношении происходит расщепление?
7. Как можно объяснить закон расщепления?
8. Как объяснить гипотезу «чистоты» гамет?
9. Как объяснить неполное доминирование признаков? 10.Какое расщепление по фенотипу и генотипу происходит
после скрещивания гибридов первого поколения?
11.Когда производят анализирующее скрещивание?
12. Как производят анализирующее скрещивание?
13.Какое скрещивание называют дигибридным?
14. В каких хромосомах находятся гены, отвечающие за цвет и форму горошин?
15. Как формулируется III закон Менделя?
16. Какое расщепление по фенотипу происходит в первом поколении?
17. Какое расщепление происходит по фенотипу во втором поколении?
18.Что используют для удобства подсчета особей, получившихся после скрещивания гибридов?
19.Как можно объяснить появление особей с признаками, которых не было раньше?
Ключевые слова темы «Законы Менделя»
аллельность анемия
взаимодействие
гаметы
ген
генотип
гетерозигота
гибрид
гипотеза «чистоты» гамет
гомозигота
гомологичность
горох
горошина
действие
дигибрид
доминирование
единообразие
закон
мейоз
образование окраска
оплодотворение
особь
парность
поверхность
подсчет
поколение
полигибрид
потомство
появление
признак
растение
расщепление
решетка Пеннета
родители
свойство
семена
скрещивание
слияние
соотношение
сорт
удобство
фенотип
форма
характер
цвет
цветы
Множественный аллелизм
К числу аллельных генов могут относиться не два, а большее число генов. Это множественные аллели. Они возникают вслед- ствие мутации (замены или утраты нуклеотида в молекуле ДНК). Примером множественных аллелей могут быть гены, отвечающие за группы крови у человека: IA, IB, I0. Гены IA и IB доминантны по отношению к гену I0. В генотипе всегда присутствуют только два гена из серии аллелей. Гены I0I0 определяют I группу крови, гены IAIA, IAIO — II группу, IBIB, IBI0 — III группу, IAIB- IV группу.
Взаимодействие генов
Между геном и признаком существует сложная связь. Один ген может отвечать за развитие одного признака.
Гены отвечают за синтез белков, которые катализируют определенные биохимические реакции, в результате чего проявляются определенные признаки.
Один ген может отвечать за развитие нескольких признаков, проявляя плейотропное действие. Выраженность плейотропного действия гена зависит от биохимической реакции, которую ката- лизирует фермент, синтезируемый под контролем данного гена.
За развитие одного признака могут отвечать несколько генов — это полимерное действие гена.
Проявление признаков — результат взаимодействия различных биохимических реакций. Эти взаимодействия могут быть связаны с аллельными и неаллельными генами.
Взаимодействие аллельных генов.
Взаимодействие генов, находящихся в одной аллельной паре, происходит по типу:
• полного доминирования;
• неполного доминирования;
• кодоминирования;
• сверхдоминирования.
При полном доминировании действие одного (доминантного) гена полностью подавляет действие другого (рецессивного). При скрещивании в первом поколении проявляется доминантный признак (например желтый цвет горошин).
При неполном доминировании происходит ослабление действия доминантного аллеля в присутствии рецессивного. Гете- розиготные особи, полученные в результате скрещивания, имеют собственный генотип. Например, при скрещивании растений ночной красавицы с красными и белыми цветками появляются розовые.
При кодоминировании проявляется действие обоих генов при одновременном их присутствии. В результате проявляется новый признак.
Например, IV группа крови (IAIB) у человека формируется при взаимодействии генов IA и IB. По отдельности ген IA определяет II группу крови, а IB — III группу крови.
При сверхдоминировании у доминантного аллеля в гетерозиготном состоянии отмечается более сильное проявление признака, чем в гомозиготном.
Взаимодействие неаллельных генов
На один признак организма очень часто могут влиять несколько пар неаллельных генов.
Взаимодействие неаллельных генов происходит по типу:
• комплементарности;
• эпистаза;
• полимерии.
Комплементарное действие проявляется при одновременном присутствии в генотипе организмов двух доминантных неаллельных генов. Каждый из доминантных генов может проявляться самостоятельно, если другой находится в рецессивном состоянии, но их совместное присутствие в доминантном состоянии в зиготе обусловливает новое состояние признака.
Пример. Скрещивали два сорта душистого горошка с белыми цветками. Все гибриды первого поколения имели красные цветки. Окрас- ка цветков зависит от двух взаимодействующих генов А и В.
Белки (ферменты), синтезированные на основе генов А и В, катализируют биохимические реакции, которые приводят к прояв- лению признака (красная окраска цветков).
Эпистаз — взаимодействие, при котором один из доминантных или рецессивных неаллельных генов подавляет действие другого неаллельного гена. Ген, подавляющий действие другого, называют эпистатическим геном, или супрессором. Подавляемый ген называют гипостатическим. Эпистаз бывает доминантным и рецессивным.
Доминантный эпистаз. Примером доминантного эпистаза может быть наследование окраски оперения у кур. Доминантный ген С отвечает за окраску оперения. Доминантный неаллельный ген I подавляет развитие окраски оперения. В результате этого куры, имеющие ген С в генотипе, в присутствии гена I имеют белое оперение: IICC; IiCC; IiCc; Iicc. Куры с генотипом iicc также будут белыми, потому что эти гены находятся в рецессивном состоянии. Оперение кур с генотипом iiCC, iiCc будет окрашено. Белая окраска оперения обусловлена присутствием рецессивного аллеля гена i или наличием гена подавителя окраски I. В основе взаимодействия генов лежат биохимические связи между белками-ферментами, которые кодируются эпистатическими генами.
Рецессивный эпистаз. Рецессивным эпистазом объясняется бомбейский феномен — необычное наследование антигенов системы групп крови АВ0. Известны 4 группы крови.
В семье женщины с I группой крови (I0I0) от мужчины со II группой крови (IAIA) родился ребенок с IV группой крови (IAIB), что невозможно. Оказалось, что женщина унаследовала от матери ген IB, от отца ген I0. Проявил действие только ген I0, поэтому
считалось, что женщина имеет I группу крови. Ген IB был подавлен рецессивным геном х, который находился в гомозиготном состоянии — хх.
У ребенка этой женщины подавленный ген IB проявил свое действие. Ребенок имел IV группу крови IAIB.
Полимерное действие генов связано с тем, что несколько неал- лельных генов могут отвечать за один и тот же признак, усиливая его проявление. Признаки, зависящие от полимерных генов, относят к количественным. Гены, отвечающие за развитие количественных признаков, дают суммарный эффект. Например, за пигментацию кожи у человека отвечают полимерные неаллельные гены S1 и S2. В присутствии доминантных аллелей этих генов синтезируется много пигмента, в присутствии рецессивных — мало. Интенсивность окраски кожи зависит от количества пигмента, что определяется количеством доминантных генов.
От брака между мулатами S1s1S2s2 рождаются дети с пигментацией кожи от светлой до темной, но вероятность рождения ребенка с белым и черным цветом кожи равна 1/16.
Многие признаки наследуются по принципу полимерии.
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое множественные аллели?
2. Какие гены отвечают за группы крови у человека?
3. Какие группы крови есть у человека?
4. Какие связи существуют между геном и признаком?
5. Как взаимодействуют аллельные гены?
6. Как взаимодействуют неаллельные гены?
7. Как можно объяснить комплементарное действие гена?
8. Как можно объяснить эпистаз?
9. Как можно объяснить полимерное действие гена?
Ключевые слова темы «Множественные аллели и взаимодействие генов»
аллелизм аллель антигены брак
взаимодействие
генотип
гибрид
горох
горошек
группа крови
действие
дети
доминирование
женщина
замена
кодоминантность
кодоминирование
кожа
куры
мать
молекула
мулат
мутация
наличие
наследование
нуклеотиды
окраска
оперение
основа
отношение
пигмент
пигментация
плейотропия
подавитель
поколение
полимерия
признак
пример
присутствие
проявление
развитие
реакции
ребенок
результат
сверхдоминирование связь
синтез белка система
скрещивание
состояние
степень
утрата
феномен
ферменты
цвет
цветы
человек
эпистаз