НЕЗАВИСИМОЕ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕНОВ

Установив расщепление генов в моногибридных скрещиваниях, Г. Мендель столкнулся с необходимостью выяснить, каким образом разные пары признаков садового гороха ведут себя по отношению одна к другой, если наблюдение за их передачей от одного поколения к другому вести одновременно. Поэтому следующую часть экспериментов Г. Менделя составляли скрещивания растений садового гороха, различающихся между собой сразу по двум парам альтернативных признаков, т. е. по двум парам разных генов (кон- тролирующих две разных пары признаков) одновременно. Такие скрещивания называют дигибридными. Здесь мы рассмотрим одно из менделеевских дигибридных скрещиваний, в котором в качестве исходных были использованы гомозиготные доминантные растения, дающие семена круглой формы и желтого цвета, и гомози-

готные рецессивные растения, дающие семена шероховатой формы и зеленого цвета (рис. 42).

Рис. 42. Дигибридное скрещивание: 1 — желтые круглые семена; 2 — желтые шероховатые семена; 3 — зеленые круглые семена; 4 — зеленые шероховатые семена

Проведенные эксперименты по наблюдению двух пар различий (круглые и шероховатые семена, желтые и зеленые семена) в диги- бридном скрещивании показали, что гибриды Fl в этих скрещиваниях похожи на гибриды F1, возникающие в моногибридных скрещиваниях. Поскольку круглая форма семян является доминантной по отношению к шероховатой, а желтая окраска семян доминантной по отношению к зеленой, гибриды F1 давали круглые семена, имеющие желтую окраску. Проведя скрещивание гибридов F1 друг с другом или допуская самоопыление, Г. Мендель получил гибриды F2, от которых затем было исследовано 556 семян (бобов). Изучив форму и окраску семян, полученных от гибридных растений F2, он обнаружил, что раздельно как по форме, так и по окраске семян фенотипическое расщепление (отношение количества семян с доминантным признаком к количеству семян с рецессивным признаком) проявляется в отношении 3:1

или 3/4:1/4 ибо из 556 семян для 423 была характерна круглая форма (76,08\%) и для 133 — шероховатая (23,92\%), тогда как из этого количества семян для 416 была присуща желтая окраска (74,82\%), а для 140 — зеленая (25,18\%). Такой характер расщепления по форме и по окраске семян следовало ожидать исходя из результатов моногибридных скрещиваний. Однако в данном случае вопрос заключался в другом: является ли расщепление одной пары альтернативных признаков (круглая и шероховатая форма семян) независимым от расщепления другой пары признаков (желтая и зеленая окраска семян) или эти пары признаков зависимы, тесно связаны между собой? Аналогичный вопрос можно было поставить и по-другому: всегда ли круглая форма семян сочетается с их желтой окраской, а шероховатая форма семян — с зеленой окраской или невозможно появление семян с новыми комбинациями признаков?

Чтобы получить ответ на этот вопрос, Г. Мендель классифицировал все 556 семян по обеим парам признаков одновременно и получил следующие данные: круглые желтые — 315 семян, круглые зеленые — 108 семян, шероховатые желтые — 101 семя, шероховатые зеленые — 32 семя. Как видно, наряду с семенами, похожими на семена, которые давали растения исходных родительских линий (круглые желтые и шероховатые зеленые), гибриды F2 давали также семена, похожие на семена исходных родительских растений только по форме или по окраске. Следовательно, среди растений, дававших круглые семена и количественно составлявших 3/4 исследованных растений (всей группы), в свою очередь 3/4 давали желтые семена и 1/4 — зеленые. Среди растений, дававших шероховатые семена и количественно составлявших 1/4 всех исследованных растений, в свою очередь 3/4 давали желтые семена и 1/4 — зеленые. Анализ этих количественных отношений приводил к дальнейшему заключению: а) 3/4 растений от 3/4 всех растений исследованной группы F2 или 9/16 растений этой группы обладают обоими доминантными признаками (круглая форма и желтая окраска); б) 1/4 растений от 3/4 растений всей группы или 3/16 растений всей группы обладают одним доминантным (круглая форма семян) или одним рецессивным (зеленая окраска семян) признаком, т. е. признаками в новых сочетаниях (рекомбинациях); в) 3/4 растений от 1/4 растений всей группы или 3/16 растений всей группы обладают другим новым сочетанием доминантного и рецессивного признаков (шероховатая форма и желтая окраска семян); г) 1/4 растений от 1/4 растений всей груп-

пы или 1/16 растений всей группы обладают обоими рецессивными признаками (шероховатая форма и зеленая окраска семян).

Возвращаясь к количественным данным по систематизации семян с учетом их формы и окраски (315, 108, 101 и 32), легко заметить, что они очень близки к выведенным выше отношениям. Поэтому, опираясь на эти результаты, Г. Мендель сделал заключение, в соответствии с которым гибриды F2 по двум парам признаков являются организмами четырех типов в отношении 9 /16:3/16:3/16:1/16 или 9:3:3:1. Таким образом, результаты дигибридных скрещиваний садового гороха свидетельствовали о том, что расщепление одной пары признаков (круглая и шероховатая форма семян) совершенно не зависит от расщепления другой пары признаков (желтая и зеленая окраска семян) и что для семян гибридов F2 характерны не только родительские комбинации признаков, но и рекомбинации (новые комбинации), т. е. сочетание двух пар признаков имеет независимый характер. Другими словами, перераспределение двух пар признаков при их передаче от одного поколения организмов к другим является независимым. Однако важно подчеркнуть, что в независимом перераспределении признаков Г. Мендель увидел независимое перераспределение факторов наследственности или, говоря современным языком, независимое распределение генов.

Чтобы понять независимое перераспределение генов, вновь обратимся к символике, обозначив доминантный ген, контролирующий круглую форму семян, символом R, а его аллель, контролирующий шероховатую форму семян, — символом r. Что касается доминантного гена, контролирующего желтую окраску семян, то обозначим его Y, а его аллель, контролирующий зеленую окраску семян, — у. Используя эти символы и зная, что исходные родительские растения были чистолинейными, можно полагать, что растения, дававшие круглые желтые семена, несли гены RR YY, тогда как растения, дававшие семена шероховатой формы и зеленого цвет, несли гены rr уу. Следовательно, растения RR YY продуцировали гаметы RY, а растения ггуу — гаметы гу, объединение которых давало начало гибридным зиготам F1 с генотипом Rr Yy.

Как видно, гибриды F1 являются гетерозиготными растениями по двум парам генов, т. е. растениями Rr Yy. Если иметь в виду лишь форму семян, то гибриды F1 с генотипом Rr будут продуцировать гаметы R и r поровну. Если же иметь в виду одновременно форму и окраску семян, то каждая гамета, продуцируемая гибридом

Е1с генотипом Rr Yy, будет нести не только один генный аллель для формы семян, но и один генный аллель для окраски семян. Так, например, гаметы с аллелем R и с аллелем r наполовину будут одновременно гаметами Y и наполовину одновременно гаметами у. Однако важно заметить, что сочетание аллеля, детерминирующего круглую форму семян, с аллелем, определяющим желтую окраску семян, или с аллелем, определяющим зеленую окраску семян, является делом случая. Поскольку перераспределение генов имеет независимый характер, то среди гамет R, продуцируемых ^-гибридом Rr Yy, половина гамет будет обладать аллелем Yи половина — аллелем у. Учитывая то, что гаметы R сами составляют половину гамет, продуцируемых гибридом F1 гаметы как RY, так и ту будут составлять по 1/4 от общего количества гамет гибрида F, Точно так же другая половина гамет, продуцируемая гибридом F1, т. е. гаметы r, в свою очередь, наполовину будут гаметами rY и наполовину — гаметами Ry, составляя соответственно по 1/4 от общего количества гамет гибрида F1. Другими словами, гибриды F1 продуцируют гаметы четырех типов — RY, Ry, rY и гу, причем в равных количествах. Заметим, что Ry и rY — гаметы рекомбинантного типа.

Гаметы четырех типов, продуцируемые гибридами F1, являются как мужскими, так и женскими, т. е. мужские гаметы будут гаметами четырех типов и женские гаметы будут гаметами четырех типов. Поскольку объединение тех или иных мужских и женских гамет при оплодотворении также дело случая и одинаково вероятно, то скрещивания F1xF1 дадут начало зиготам, несущим все 16 возможных комбинаций генов. Фенотипически организмы F1 различаются между собой, так как 9 из них дают круглые желтые семена, 3 — круглые зеленые, 3 — шероховатые желтые и 1 — шероховатые зеленые. Следовательно, фенотипическое отношение между организ- мами F2 составляет 9:3:3:1. Гибриды F2 различаются одновременно и по генотипу. Организмы, которые дают круглые и желтые семена, по генотипу можно классифицировать на четыре типа:

а) организмы с генотипом RR YY (гомозиготные по обеим парам генов и дающие потомство с таким же фенотипом и генотипом при скрещивании между собой);

б) организмы с генотипом RR Yy (гомозиготные по паре генов, определяющих форму семян, но гетерозиготные по паре генов, опре- деляющих окраску семян, вследствие чего являются чистолинейными в дальнейших скрещиваниях лишь по генной паре RR);

в) организмы с генотипом Rr YY (гетерозиготные по паре генов, определяющих форму семян, но гомозиготные по паре генов, опреде- ляющих окраску семян, вследствие чего являются чистолинейными в дальнейших скрещиваниях лишь по паре генов YY);

г) организмы с генотипом Rr Yy (гетерозиготные по обеим парам генов и при скрещивании между собой будут давать потомство, подобное потомству F2).

Кроме того, организмы с генотипами RR YY, RR Yy, Rr YY и Rr Yy различаются между собой и количественно, составляя отношение 1:2:2:4 (соответственно).

Приведенные выше рассуждения с использованием символов основаны на допущениях. Однако Г. Мендель проверил их экспе- риментально путем скрещиваний между собой всех 315 гибридов F2, которые давали круглые желтые семена. Проанализировав потомство, полученное в этих скрещиваниях, он обнаружил организмы всех типов, которые следовало ожидать на основании допущений, приведенных выше (пп. а, б, в, г).

Для доказательства справедливости своих допущений о независимом распределении двух пар аллельных генов Г. Мендель использовал и дигибридные анализирующие скрещивания растений F1, дающих круглые желтые семена, с гомозиготными рецессивными по двум парам генов исходными родительскими растениями, дающими шероховатые зеленые семена. Вспомним, что гибриды F1 имеют генотип Rr Yy и продуцируют в равных количествах гаметы RY, rY, Ry и ry, тогда как исходные родительские гомозиготные рецессивные растения имеют генотип rr yy и продуцируют гаметы только одного типа — гу. Следовательно, в результате этих скрещиваний можно было ожидать появление организмов, которые будут давать круглые желтые семена (генотип Rr Yy), шероховатые желтые семена (генотип rr Yy), круглые зеленые семена (генотип Rr yy) и шероховатые зеленые семена (генотип rr yy), причем в отношении 1:1:1:1 (в равных количествах). Как показали анализирующие дигибридные скрещивания, возникавшие гибриды по своим свойствам соответствовали ожидаемым.

Независимый характер перераспределения генов был установлен Г. Менделем и в скрещиваниях растений, различающихся между собой по трем парам признаков (тригибридные скрещивания). Рассмотрим один из менделевских экспериментов, в котором скрещивали растения садового гороха, дающие желтые круглые семена и имеющие

красные цветки, с растениями, дающими шероховатые зеленые семена и имеющими белые цветки. Если использовать символы R и r, Y и у для обозначения пар генов, детерминирующих форму и окраску семян, а символы С и с — для обозначения пары генов, детерминирующих окраску цветков, то тогда генотипы скрещиваемых растений двух линий можно обозначить как RR YYСС и rr уу сс соответственно. Имея в виду также генотипы скрещиваемых организмов, можно было полагать, что последние продуцируют гаметы, несущие гены RYC и гус.

Тригибридные скрещивания дали начало гетерозиготным по всем трем парам генов тригибридам F1 с генотипом Rr Yy Сс и вследствие доминантности фенотипически характеризующимися тем, что их семена будут круглыми желтыми, а цветки — красными. Тригибриды F1 отличались от дигибридов F1 тем, что вследствие независимого перераспределения генов они продуцировали гаметы не четырех, а восьми типов: RYC, RYc, RyC, Rye rYC, rYc, гус и гус, где большинство гамет (кроме RYC и rye) являлись рекомбинантными, т. е. несли новые (рекомбинантные) сочетания генов. Тригибриды F1 отличались от дигибридов F1 также и тем, что случайное объединение между теми или иными их гаметами (восьми типов) при оплодотворении приводило к формированию не 16, а 64 комбинаций гибридов F2. Эти гибриды по фенотипу можно было разделить на 8 групп, состоящих из разного количества растений, для которых характерны следующие свойства:

•  круглые желтые семена, красные цветки — 27 растений;

•  круглые желтые семена, белые цветки — 9 растений;

•  круглые зеленые семена, красные цветки — 9 растений;

•  шероховатые желтые семена, красные цветки — 9 растений;

•  круглые зеленые семена, белые цветки — 3 растения;

•  шероховатые желтые семена, белые цветки — 3 растения;

•  шероховатые зеленые семена, красные цветки — 3 растения;

•  шероховатые зеленые семена, белые цветки — 1 растение. Как мы уже видели, часть фенотипически сходных моногибридов F2 и дигибридов F2 генотипичеки разнообразны. Аналогичная ситуация имела место и в случае части фенотипически сходных тригибридов F2. To, что это действительно было так, экспериментально устанавливалось путем скрещиваний тригибридов F2 между собой и изучения тригибридов F3.

Результаты, которые можно было бы ожидать при изучении тригибридов F2 и F3, приводятся в табл. 10.

Таблица 10. Генотипы и поведение в скрещиваниях организмов, которые можно ожидать в потомстве гибридов F2*

Окончание табл. 10

*Эти гибриды были получены Г. Менделем в тригибридных скрещиваниях растений садового гороха, дающих круглые желтые семена и красные цветки с растениями, дающими шероховатые зеленые семена и белые цветки.

Заканчивая изложение экспериментов Г. Менделя, свидетельствующих о независимом характере перераспределения генов, остановимся кратко на перераспределении генов при других полигибридных скрещиваниях. Количество генных комбинаций в полигибридных скрещиваниях (например, тетрагибридных) возрастает с вовлечением в наблюдения каждой новой пары генов, ибо каждая новая

пара приводит к двойному увеличению типов гамет, продуцируемых гибридами к тройному увеличению количества разных генотипов среди гибридов F2 и увеличению в 4 раза количества возможных комбинаций при оплодотворении гамет, продуцируемых гибридами F3. В табл. 11 показана связь между количеством генов, вовлекаемых в скрещивание, и количеством фенотипических и генотипических групп среди гибридов.

Таблица 11. Генные комбинации в полигибридных скрещиваниях

Одна из важнейших особенностей полигибридных скрещива- ний заключается том, что увеличение количества генов, вовлекаемых в скрещивания, сопровождается снижением частоты появления среди гибридов F2 организмов исходных родительских типов и увеличением количества организмов, несущих рекомбинантные сочетания генов. Например, с вовлечением в скрещивание одного гена (одной пары аллелей) встречается по одному организму, похожему на организмы каждого исходного родительского типа, среди 4 гибридов F2 с вовлечением в скрещивание двух генов (двух пар аллелей) — среди 16 гибридов, с вовлечением в скрещивание трех генов (трех пар аллелей) — среди 64 гибридов и т. д.В тех случаях, когда количество генов (n), вовлекаемых в скрещивания, составляет десятки и даже сотни, общее количество генотипов (3n), в том числе гомозиготных (2n), которое может возникать в потомстве одного гетерозиготного организма, достигает огромных размеров. Благодаря независимому перераспределению генов (свободной рекомбинации генов) половой процесс создает огромное генетическое разнообразие организмов.

Подведем итоги рассмотренных в этом разделе экспериментов Г. Менделя. По данным дигибридных скрещиваний, для передачи генов от одного поколения организмов к другому характерно их независимое расщепление и независимое перераспределение. Наряду с независимым расщеплением в дигибридных скрещиваниях выявляется и другая особенность. Растения F1, возникшие в результате слияния гамет RY и гу при скрещивании исходных линий, дающих круглые желтые и шероховатые зеленые семена, в свою очередь продуцируют не только комбинации родительских гамет RY и гу, но и гаметы нового типа, несущие рекомбинантные фракции генов rY и Ry, притом в равном количестве. Что касается растений F1, возникших после скрещивания линий, дающих шероховатые желтые и круглые зеленые семена в результате слияния их гамет Yr и yR, то они, кроме этих гамет, тоже дадут гаметы, несущие рекомбинантные гены YR и Yr, и тоже в равном количестве. Следовательно, образование гибридами F1 одинакового количества родительских и рекомбинантных гамет является неотъемлемой особенностью независимого расщепления и перераспределения двух пар генов.

Исследуя скрещивания, в которых исходные растения несли по три пары разных генов, Г. Мендель тоже обнаружил это явление, т. е. тригибриды F1, имея генотип RrYyCc, продуцировали гаметы восьми разных типов (RYC, RYc, RyC, Rye, rYC, rYc, ryC, гус), но в равных количествах.

Итак, генные пары двух скрещиваемых организмов расщепляются (сегрегируют) независимо одна от другой и перераспределяются, подвергаясь свободной рекомбинации между собой, причем гибридные организмы в процессе их гаметогенеза дают начало комбинациям родительских гамет и рекомбинациям гамет в равных количествах. Данное правило, установленное Г. Менделем, в настоящее время называют вторым законом наследственности (вторым законом Г. Менделя), законом независимого перераспределения генных аллелей или законом рекомбинации генов.