Действия генов на ранних стадиях онтогенеза. Дигибридное скрещивание

Размещено на http://www.allbest.ru//

Дигибридное скрещевание. Схемы. Анализ исследования признаков

дигибридное скрещивание ген

Генетика - одна из отраслей биологической науки. Предметом её исследования являются закономерности наследственности и изменчивости живых организмов в процессе их жизнедеятельности. Наследственность - это свойство всех живых организмов, проявляющиеся в способности передавать свои признаки и свойства из поколения в поколение. Элементарной единицей наследственности является ген - это участок молекулы ДНК, в котором закодирована информация о структуре одного белка. Организмы различаются по многим генам и, как следствие, по многим признакам. Чтобы одновременно проанализировать наследование нескольких признаков, необходимо изучить наследование каждой пары признаков в отдельности, не обращая внимания на другие пары, а затем сопоставить и объединить все наблюдения.

Методы исследования наследственности очень разнообразны. Среди современных методов генетического анализа можно назвать: цитогенетический - изучение хромосом: подсчёт их числа, описание структуры, поведения при делении клетки, а также связь между изменением структуры хромосом с изменчивостью признаков, и гибридологический -- анализ наследования признаков при скрещиваниях. Скрещивание организмов, отличающихся друг от друга одним или несколькими признаками, называются гибридизацией, а потомков от скрещивания - гибридами.

Дигибридное скрещивание -- скрещивание организмов, различающихся по двум парам альтернативных признаков, например, окраске цветков (белая или окрашенная) и форме семян (гладкая или морщинистая).

3-й закон Г. Менделя: Если в дигибридном скрещивании разные пары аллельных генов (аллели -- различные формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых локусах гомологичных хромосом и определяющие альтернативные варианты развития одного и того же признака) находятся в разных парах гомологичных хромосом, то пары признаков наследуются независимо друг от друга (закон независимого наследования признаков).

Великий чешский ученый Грегор Мендель начал изучать наследование двух признаков, за которые отвечают две пары аллельных генов. Рассмотрим опыт Менделя: он изучал независимое наследование признаков у гороха. Одно из скрещиваемых растений имело гладкие желтые семена, другое -- морщинистые зеленые (рис. 1).

В первом поколении все гибридные растения имели гладкие желтые семена (F1). Во втором поколении (F2) произошло расщепление: 315 семян было гладких желтых, 108 -- гладких зеленых, 101 -- морщинистых желтых, 32 -- морщинистых зеленых . Таким образом, в F2 обнаружено четыре фенотипа в соотношении, близком к 9 желтым гладким семенам (А--В--), 3 желтым морщинистым (А--bb), 3 зеленым гладким (ааВ--) и 1 зеленому морщинистому (ааbb), где знак «--» обозначает, что возможно присутствие как аллеля А, так и а; как В, так и b. В кратком виде расщепление в F2 можно записать так: 9 А--В--; 3 А--bb; 3 ааВ--; 1 aabb.

Третий закон применим только к случаям независимого наследования, когда изучаемые гены расположены в разных парах гомологичных хромосом.

Результаты дигибридного скрещивания зависят от того, как располагаются гены, определяющие признаки, в одной хромосоме или в разных.

Проанализируем пример: Чёрная окраска шерсти и висячее ухо у собак доминируют над коричневой окраской и стоячим ухом. Скрещивались чистопородные чёрные собаки с висячими ушами с собаками, имеющими коричневую окраску шерсти и стоячие уши.

Запишем объект исследования и обозначение генов.

При скрещивании чистопородных чёрных собак с висячими ушами (ААВВ) с собаками, имеющими коричневую окраску шерсти и стоячие уши (аавв) получили единообразных потомком, имеющих генотип АаВв.

Гибриды смешиваются между собой. Узнаем варианты, построив решетку Пеннета. (Решетка Пеннета - это таблица исследования наследственности. В дигибридном скрещивании при независимом наследовании образуются четыре типа гамет, и количество типов зигот, образующихся при случайном слиянии этих гамет, равно 4x4, т. е. 16 - столько клеток в решетке Пеннета).

Анализ опыта по закону Г.Менделя:

1) Какая часть щенков F2 фенотипически должна быть похожа на гибрид F1?

9/16 часть (56,75%) щенков F2 фенотипически должна быть похожа на гибрид F1.

2) Какая часть гибридов F2 должна быть полностью гомозиготна?

4/16 часть (25%) гибридов F2 должна быть полностью гомозиготна.

3) Какая часть щенков F2 должна быть с генотипом, подобным генотипу гибридов F1?

1/4 часть (25%) щенков F2 должна быть с генотипом, подобным генотипу гибридов F1.

2.Влияние материнских генов на развитие зиготы. Действия генов на ранних стадиях онтогенеза

Гены -- это структуры, которые обеспечивают сохранение видов из поколения в поколение путем передачи информации от материнской клетки к дочерней. В каждом полимере ДНК содержится несколько основных единиц генетической информации. Наименьшая единица информации в ДНК -- кодон -- состоит из последовательности трех нуклеотидных остатков. Кодон контролирует включение данной аминокислоты в определенный белок. Преемственность генов в развитии может быть продемонстрирована на примере эмбриогенеза плодовой мушки дрозофилы. Ее эмбриональное развитие регулируется иерархической системой из трех классов генов: генов с материнским эффектом, генов сегментации и гомеозисных генов. Гены с материнским эффектом активны в организме самки. Их продукты запасаются в яйце и уже после оплодотворения определяют пространственные оси эмбриона: продольную (передне-заднюю) и дорсально-вентральную оси. К этому классу генов относятся bicoid и nanos. Продукты генов с материнским эффектом, как правило, являются ДНК - связывающими белками, которые в качестве факторов транскрипции активируют или блокируют экспрессию генов зародыша, в том числе генов сегментации.

Продукты генов сегментации - также транскрипционные факторы, они контролируют образование сегментов, из которых состоит насекомое. Их подразделяют на несколько групп: gap-гены, pair-rule гены и гены сегментарной полярности, образующих согласованную систему, благодаря активности которой эмбрион подразделяется на все более мелкие сегменты. Сегментационные гены последовательно активируются в процессе индивидуального развития.

Материнский эффект характерен для генов, которые влияют на ход раннего эмбриогенеза и определяют признаки, закладывающиеся на ранних стадиях развития.

У животных в цитоплазме яйцеклетки до оплодотворения накапливается большое количество рибонуклеиновых кислот все трёх типов: иРНК, рРНК, тРНК. Они соединяются со специфическими белками-гистонами и образуют неактивные гранулы - инфорсомы. Через несколько минут после оплодотворения часть молекул иРНК инфорсом освобождается от белка, поступает на рибосомы цитоплазмы яйцеклетки и начинает синтез определённых белков, необходимых для начального развития зиготы.

В зиготе (оплодотворенной яйцеклетке) содержится записанная в структуре ДНК генетическая информация о развитии будущего организма. Начальный период развития зиготы проходит под контролем генов материнского организма, в частности иРНК яйцеклетки, обеспечивает синтез белков до стадии поздней бластулы. С начала стадии гаструляции и в дальнейших процессах онтогенеза синтез белка осуществляется под контролем ядерных генов обоих родительских форм. Доказано, что разные участки цитоплазмы яйцеклетки по-разному влияют на морфогенез особи, поскольку в них сосредоточены комплексы биологически активных макромолекул, в том числе связанные с белками долгоживущие иРНК.

Онтогенез - непрерывный процесс количественных и качественных изменений, происходящих в организме в течение всей жизни при постоянном взаимодействии генотипа и условий среды. Термин «онтогенез» ввел в биологию зоолог Е.Геккель. В процессе онтогенеза происходит реализация генетической информации в определенных условиях среды.

Онтогенез животных включает два основных взаимосвязанных процесса - рост и развитие. Под ростом понимают процесс увеличения размеров организма, его массы, происходящий за счет накопления в нем активных веществ. В основе роста лежит увеличение числа и размеров клеток и неклеточных образований. Под развитием понимают качественные изменения - процессы усложнения структуры организма, специализацию, дифференциацию и интеграцию его органов и тканей.

Онтогенез растений и животных состоит из качественно различных периодов: эмбриогенез, юность, зрелость и старость. Онтогенез многоклеточных организмов сопровождается рядом общих основных процессов:

1. рост - увеличение числа клеток и/или их объема (растяжение);

2. гистогенез - образование и дифференцировка тканей;

3. органогенез - образование органов и систем органов;

4. морфогенез - формирование внутренних и внешних морфологических признаков;

5. физиолого-биохимические преобразования.

Все это происходит на основе биохимической, физиологической, генетической и морфологической дифференцировки клеток, тканей и органов. В ходе онтогенеза возникает ряд особенностей, обеспечивающих приспособление организма к окружающей среде.

Дифференцировка клеток - процесс, при котором во время дробления оплодотворенного яйца клетки постепенно начинают отличаться одна от другой, что приводит в конечном итоге к формированию зародыша со многими специализированными тканями. Клетки разных тканей одного и того же организма отличаются друг от друга формой, размерами и строением. Выяснение механизмов дифференцировки клеток - одна из главных задач современной биологии. В настоящее время доказано, что каждая соматическая клетка имеет такой же набор хромосом, как и исходная оплодотворенная яйцеклетка. Доказательством являются опыты Дж. Гёрдона по пересадке ядер из соматических клеток в энуклеированные яйцеклетки у лягушки. Небольшой процент таких ядер обеспечивал развитие головастиков и нормальных лягушек.

Одним из примеров дифференциальной активности генов в период онтогенеза может служить процесс формирования пуфов в политенных хромосомах дрозофилы. Было установлено, что на определенных стадиях развития отдельные диски деспирализируются и принимают форму вздутий, получивших название пуфов. При помощи использования радиоактивных изотопов было установлено, что в пуфах происходит интенсивный синтез молекул и-РНК. Разные стадии развития личинок сопровождаются активностью определенных пуфов. Это говорит о том, что на разных этапах развития вступают в действие разные гены.

Каждый организм в период индивидуального развития представляет собой целостную систему, но при этом существует морфологическая и функциональная дискретность онтогенеза, которые обусловлены дискретной генетической детерминацией. Реализация генотипа в онтогенезе изменчива и происходит приспособительно к конкретным условиям среды. Таким образом, генотип способен обеспечивать в определенных пределах изменчивость онтогенеза в зависимости от изменяющихся условий внешней среды. Степень возможной изменчивости в ходе реализации генотипа называется нормой реакции и выражается совокупностью возможных фенотипов при различных условиях среды. Это определяет так называемую онтогенетическую адаптацию, обеспечивающую выживание и репродукцию организмов иногда даже при значительных изменениях внешней среды.

Изучение морфологической и функциональной дискретности онтогенеза, а также генетической обусловленности нормы реакции обеспечит разработку эффективных методов управления индивидуальным развитием. Уже получены многочисленные данные по влиянию различных факторов на продуктивность растений и животных. Для многих видов растений хорошо известны условия выращивания, обеспечивающие наибольшую продуктивность. Установлены особенности влияния освещения и температуры на яйценоскость у домашней птицы. Известно значение витаминов и гормонов для онтогенеза животных, что можно использовать для регулирования их индивидуального развития. Познание цитогенетических основ онтогенетической дифференцировки и нормы реакции открывает неограниченные возможности для управления индивидуальным развитием.

3. Значение наследственной устойчивости сельскохозяйственных животных к болезням и возможности селекции на повышение резистентности

С переводом животноводства на промышленные технологии производства возросла необходимость профилактики инфекций и инвазий, создания типов, линий и пород животных, устойчивых к стрессам и незаразным болезням, способных к длительной эксплуатации в условиях комплексов с сохранением высокой продуктивности и плодовитости.

Устойчивость к болезням наследуется чаще всего как полигенный признак. Для проявления такого признака необходимо накопление в генотипе животных определенного количества аллелей с аддитивным (суммарным) эффектом, усиливающим сопротивляемость организма к болезнетворным факторам (вирусам, бактериям и др.). Восприимчивость к болезни проявляется только при наличии соответствующих факторов (вирусов, бактерий) и отсутствии генов, определяющих резистентность организма.

Резистентность - это устойчивость организма к действию физических, химических и биологических агентов, вызывающих патологическое состояние. Естественная резистентность, отражающая врождённый иммунитет, является прежде всего следствием видовой невосприимчивости животных, которая формируется в процессе эволюции вида. В практике животноводства выявлена породная и индивидуальная устойчивость как домашних популяций, так и групп животных в отношении различных инфекций. Поэтому животные ими не заболевают даже в очаге массовой инфекции или переносятся заболевания в более лёгкой форме.

Видовые, породные и индивидуальные свойства естественной резистентности у животных обусловлены наследственностью, которая отражает генетические особенности организмов. Повышения уровня естественной резистентности у сельскохозяйственных животных может быть следствием целенаправленных отбора и подбора, обеспечивающих распространение и закрепление в популяции желательных генотипов путём селекции. Способность животных проявлять повышенную резистентность к болезням и устойчивость к неблагоприятным факторам среды становится важным селекционным признаком.

Организация промышленных животноводческих ферм всегда сопровождается концентрацией большого поголовья скота на достаточно ограниченной территории. Следовательно, создаётся благоприятная ситуация для быстрого распространения инфекционно-инвазионного начала. Кроме того, на промышленных фермах животные подвергаются воздействию стресс-факторов. Для формирования иммунологического гомеостаза и иммунной реактивности необходимо, чтобы у животных был такой тип нервной деятельности и поведения, который обеспечивал бы необходимую защиту от инфекционного воздействия, влияния неблагоприятных условий среды и воздействия стресс-факторов. Селекционная работа по созданию желательного типа нервной деятельности и поведения у животных способствует закреплению в семействе, линии и породе естественной резистентности и иммунной защищённости организма. Генетически обусловленная резистентность к болезням и устойчивость к неблагоприятным условиям среды и технологии производства продукции должны стать основными элементами при оценке и бонитировке животных и найти отражение в селекционно-племенных планах работы со стадом и породой.

Разработка методов оценки генетически обусловленной резистентности и устойчивости животных - важный раздел современных зоотехнии, ветеринарии и генетики. Существует несколько основных подходов к изучению генетической обусловленности устойчивости и восприимчивости животных к болезням.

Близнецовый метод дает возможность определить соотносительную роль наследственности и среды в этиологии болезни. Для этого определяют конкордантность и дискордантность. Конкордантность - это присутствие или отсутствие болезни у обоих близнецов, а дискордантность - явление, при котором данный признак имеется лишь у одного близнеца. Близнецовый метод позволяет получить доказательство генетической детерминации устойчивости к болезни, но не говорит о типе наследования резистентности.

Межпородные или межлинейные различия по устойчивости к болезням свидетельствуют о роли генетических факторов в детерминации этого признака. Если в результате селекции повышается резистентность к заболеванию, то это говорит о генетической обусловленности резистентности в восприимчивости.

При использовании популяционно-статистического метода вычисляют такие генетические параметры, как коэффициент наследуемости и генетической корреляции, а также коэффицент повторяемости, частоту генов и т.д. Так, коэффицент наследуемости пренатальной смертности телят равен 0,04, что свидетельствует о невысоком генетическом разнообразии животных в популяции по этому признаку.

Большое значение имеет клинико-генеалогический метод, с помощью которого не только изучают наследственные болезни, их генетическую природу, сцепление генов, картирование хромосом, взаимодействие генов и т.д., но и выявляют семейства и линии, наследственно резистентные и устойчивые к болезням. Этот метод используют при разработке селекционных программ для повышения резистентности животных.

Поскольку установлены молекулярные основы болезней и механизмы их генетической детерминации, то необходимо вести целенаправленную работу по искоренению наследственной патологии. Уже сейчас профилактика некоторых болезней и аномалий основана на использовании биохимических, цитологических и прямых генетических маркеров. Изучение связи генетических маркеров с предрасположенностью к болезням - еще один путь доказательства наследственной детерминации устойчивости-восприимчивости к болезням.

4. Решение задач

№83 У морских свинок черная окраска шерсти (ген В) доминирует над белой (ген в), а короткая шерсть (ген К) над длинной (ген к) Гомозиготные черные длинношерстные животные были спарены с гомозиготными короткошерстными белыми. Определить фенотип потомства в F1 и F2 (F2 получено спариванием животных F1 между собой).

Решение:

В-ген черной окраски

в-ген белой окраски

К-ген короткой шерсти

к-ген длинной шерсти

ВВкк + ввкк

гаметы: Вк вк

генотипы и фенотипы: Ввкк-черный с длинной шерстью - первое поколение.

теперь скрещиваем самку из первого поколения с самцом:

ВВкк + ввКК

Вк вК

вк

потомство: ВвКк, ввКк. вероятность 1 к 1 или 50/50.

№104 В свободно размножающейся популяции доля особей «АА» ровна 0. Какая часть должна быть гетерозиготная «Аа»? Для вычисления использовать формулу Харди-Вайнберга.

Решение:

р- относительная частота А, q- относительная частота а.

р+q=1 - закон Харди Вайнберга.

Возводим в квадрат, гетерозиготных особей 2рq 

q2AA : 2q(1 - q)Аа : (1 - q)2aa = 1

(1-q)2=0.81

1-q=0.9

q=0.1

р=0.9

2рq=2*0,9*0,1=0,18.

5.Терминалогия.

Генетика - (от греч. "генезис" - происхождение) - наука о закономерностях наследственности и изменчивости организмов.

Наследственность - это свойство всех живых организмов, проявляющиеся в способности передавать свои признаки и свойства из поколения в поколение.

Цитогенетический метод - изучение хромосом: подсчёт их числа, описание структуры, поведения при делении клетки, а также связь между изменением структуры хромосом с изменчивостью признаков, и гибридологический метод -- анализ наследования признаков при скрещиваниях.

Гибриды - потомство от скрещивания.

Ген -- структурная и функциональная единица наследственности живых организмов; участок ДНК, задающий последовательность определённого белка либо функциональной РНК.

Решетка Пеннета - это таблица, с помощью которой можно записать исследования наследственности.

Кодон - Наименьшая единица информации в ДНК, состоит из последовательности трех нуклеотидных остатков. Кодон контролирует включение данной аминокислоты в определенный белок.

Онтогенез - непрерывный процесс количественных и качественных изменений, происходящих в организме в течение всей жизни при постоянном взаимодействии генотипа и условий среды.

Дифференцировка клеток - процесс, при котором во время дробления оплодотворенного яйца клетки постепенно начинают отличаться одна от другой, что приводит в конечном итоге к формированию зародыша со многими специализированными тканями.

Доминирование -- форма взаимоотношений между аллелями одного гена, при которой один из них (доминантный) подавляет проявление другого (рецессивного). Доминантный признак проявляется у гетерозигот и доминантных гомозигот.

Доминантный ген -- аллель, определяющий развитие признака не только в гомозиготном, но и в гетерозиготном состоянии; такой признак будет называться доминантным.

Рецессивный ген -- аллель, определяющий развитие признака только в гомозиготном состоянии; такой признак будет называться рецессивным.

Гомозигота -- диплоидный организм, несущий идентичные аллели гена в гомологичных хромосомах.

Генотип -- совокупность генов организма.

Фенотип -- совокупность всех внешних и внутренних признаков организма, сформировавшегося на базе генотипа во время индивидуального развития.

Геном -- совокупность генов, свойственных для гаплоидного набора хромосом данного биологического вида. Геном, в отличие от генотипа, является характеристикой вида, а не особи, поскольку описывает набор генов, свойственных данному виду, а не их аллели, обусловливающие индивидуальные отличия отдельных организмов. Степень сходства геномов разных видов отражает их эволюционное родство.

Резистентность - это устойчивость организма к действию физических, химических и биологических агентов, вызывающих патологическое состояние.

Альтернативные признаки - взаимоисключающие, контрастные признаки (окраска семян гороха желтая и зеленая).

Аллельные гены - гены, расположенные в одних и тех же локусах гомологичных хромосом. Контролируют развитие альтернативных признаков (доминантных и рецессивных - желтая и зеленая окраска семян гороха).

Зигота (от греч. "зиготе" - спаренная) - клетка, образующаяся при слияниидвух гамет (половых клеток) - женской (яйцеклетки) и мужской (сперматозоида). Содержит диплоидный (двойной) набор хромосом.

Модификационная изменчивость - изменчивость фенотипа. Реакция конкретного генотипа на разные условия среды обитания.

Вариационный ряд - ряд модификационной изменчивости признака, слагающийся из отдельных значений видоизменений, расположенных в порядке увеличения или уменьшения количественного выражения признака (размеры листьев, число цветков в колосе, изменение окраски шерсти).

Дигибридное скрещивание - скрещивание форм, отличающихся друг от друга по двум парам альтернативных признаков.

Генетическая символика:

АА ? Доминантная гомозигота (даёт один тип гамет (А))

аа ? Рецессивная гомозигота (один тип гамет (а))

Аа ? Гетерозигота (два типа гамет (А; а))

Р ? Родители

G ? Гаметы

F ? Потомство, число внизу или сразу после буквы указывает на порядковый номер поколения

F1 ? Гибриды первого поколения

F2 ? Гибриды второго поколения

+ ? Материнский организм

Литература

Учебно-методические материалы по дисциплине «Генетика и биометрия»/ по направлению подготовки 110400.62 - Зоотехния / Пермский институт ФСИН России/ 2010

Меркурьева Е.К., Абрамова З.В и др. Генетика. -М.: Агропромиздат,1991.

Красота В.Ф. и другие. Биотехнология в животноводстве.- М.:Колос, 1994.

Глазко В.И., Доманский Н.Н., Созинов А.А. Современные направления использования ДНК-технологий./Цитология и генетика. 1998,Т.32, №5

Калашникова Л.А. Проблемы и перспективы использования генетически модифицированных животных./ Аграрная Россия, 2000,- №5.

Патрушев Л.И. Экспрессия генов.-М.: Наука, 2000.

12. Сингер М., Берг П. Гены и геномы: В 2-х томах. Пер. с англ.- М.: Мир, 1999.

Сельскохозяйственная биотехнология: векторные системы молекулярного клонирования (пер. с англ Г.И. Эйснер).- М.: Агропромиздат, 1991.

Калашникова Л.А. и др. ДНК-технологии оценки сельскохозяйственных животных. ВНИИплем, 1999.

Эрнст Л.К., Жигачев А.И. Профилактика генетических аномалий у крупного рогатого скота. - М.: РАСХН, 1995.

В.И. Иванов, Н.В. Барышникова, Дж. С. Билева. Генетика / Под ред. В.И. Иванова. -- М.: Академкнига, 2007.

Размещено на Allbest.ru