Раздел 3. Основы генетики и селекции

Определения и обозначения

Наследственность — способность организмов сохранять и передавать потомкам особенности строения и развития. Она связана с передачей генетической информации от родительских клеток к дочерним и от родителей к потомству. Благодаря этому у потомков есть общие признаки с родителями.

Изменчивость — способность организмов приобретать различия. Наследственная изменчивость связана с изменениями или новыми сочетаниями генов и может передаваться потомкам. Ненаследственная возникает под влиянием среды и обычно не меняет генотип, поэтому её значение для потомства иное.

Ген — участок ДНК, связанный с определённым признаком или синтезом функционального продукта, например молекулы белка. Разные варианты одного гена называют аллелями. Аллели помогают объяснить, почему один и тот же признак может проявляться по-разному.

Генотип — совокупность генов организма, а фенотип — совокупность его наблюдаемых признаков. Генотип задаёт наследственную основу признаков, но условия среды тоже влияют на их проявление. Поэтому организмы с одинаковым генотипом могут немного различаться по фенотипу.

Как это устроено

ДНК хранит наследственную информацию, а хромосомы упорядочивают её в клетке. Перед делением клетки ДНК удваивается, поэтому при митозе дочерние клетки обычно получают одинаковые наборы хромосом. При образовании гамет происходит мейоз: число хромосом уменьшается вдвое. Так гаметы получают по одному аллелю каждого гена, а при оплодотворении пары аллелей восстанавливаются.

Расщепление признаков при скрещивании объясняется тем, что аллели расходятся по разным гаметам. Например, при полном доминировании у гороха аллель жёлтой окраски A доминирует над зелёной a. У гетерозиготы Aa проявляется жёлтая окраска, но в половине её гамет будет A, а в половине — a. Поэтому при скрещивании Aa × Aa возможны генотипы AA, Aa, Aa и aa: по фенотипу это обычно три жёлтых растения на одно зелёное.

Проявление признака зависит от того, как взаимодействуют аллели, другие гены и среда. При неполном доминировании гетерозигота имеет промежуточный фенотип: если AA — красные цветки, а aa — белые, то Aa — розовые. Сцепленными называют гены, расположенные в одной хромосоме; они часто передаются вместе, потому что оказываются в одной гамете. Однако обмен участками между хромосомами при мейозе может разделить их.

Наследственная изменчивость включает комбинативную и мутационную. Комбинативная возникает, когда при мейозе и оплодотворении уже имеющиеся аллели складываются в новые сочетания. Мутационная связана с изменением ДНК или структуры хромосом, поэтому может создавать новые варианты наследуемых признаков. Модификационная изменчивость вызвана условиями среды: например, питание влияет на массу организма, но такое изменение само по себе не переписывает его гены.

Селекция использует наследственную изменчивость, чтобы получать организмы с нужными человеку свойствами. Селекционер отбирает особей, у которых такие свойства наследуются, а затем скрещивает их, сочетая полезные признаки. Потомство снова проверяют и отбирают подходящие формы. Так создают сорта растений, породы животных и штаммы микроорганизмов; результат зависит от наследуемых различий и точного отбора.

Виды изменчивости и их значение

Чтобы определить вид изменчивости, сначала выясните, изменился ли генотип, а затем — может ли изменение передаваться потомкам. Сравнивайте причину изменения и его наследуемость: внешне сходные различия могут иметь разное происхождение. Для селекции особенно важны комбинативная и мутационная изменчивость, поскольку они дают материал для наследственного отбора.

Разбор задач

Скрещивание гетерозиготы с зелёносемянным горохом

У гороха жёлтая окраска семян доминирует над зелёной. Скрещивают гетерозиготное растение с зелёносемянным и определяют генотипы и ожидаемое соотношение фенотипов потомства. Обозначим A — аллель жёлтой окраски, a — аллель зелёной. Зелёное растение должно иметь генотип aa, потому что рецессивный признак проявляется при наличии двух рецессивных аллелей.

1. Запишем генотипы родителей: Aa и aa. Первый родитель образует гаметы A и a, второй — только гаметы a. Это следует из расхождения аллелей при мейозе.

2. Составим сочетания гамет: A с a даёт Aa, а a с a даёт aa. Каждое сочетание ожидается с одинаковой вероятностью, потому что гаметы первого родителя образуются поровну.

3. Определим фенотипы потомства. Растения Aa будут жёлтыми, а растения aa — зелёными. Следовательно, ожидается по половине растений каждого фенотипа.

Ответ: Aa × aa; генотипы потомства — ½ Aa и ½ aa, фенотипы — 1 жёлтое : 1 зелёное.

Неполное доминирование окраски цветков

У растения красные цветки при генотипе AA, белые — при aa, а гетерозигота Aa имеет розовые цветки. Скрещивают два растения с розовыми цветками. Нужно найти возможные генотипы и соотношение окрасок, учитывая, что промежуточный фенотип не является проявлением только доминантного аллеля.

1. Поскольку розовый цвет соответствует гетерозиготе, генотипы родителей — Aa и Aa. Каждый из них образует гаметы A и a.

2. Сочетания гамет дают AA, Aa, Aa и aa. Значит, генотипическое соотношение — 1 AA : 2 Aa : 1 aa.

3. Переведём генотипы в фенотипы: AA — красные, Aa — розовые, aa — белые. Поэтому окраски распределяются в том же соотношении: одна красная, две розовые и одна белая.

Ответ: возможны генотипы AA, Aa и aa в соотношении 1 : 2 : 1; фенотипы — 1 красный : 2 розовых : 1 белый.

Рецессивный признак у ребёнка

Редкий признак у человека наследуется как рецессивный аутосомный. Здоровые родители имеют ребёнка с этим признаком. Обозначим A — нормальный доминантный аллель, a — рецессивный аллель признака. Ребёнок с рецессивным фенотипом имеет генотип aa, значит, аллель a он получил от каждого родителя.

1. Здоровые родители не могут иметь генотип aa, но каждый передал ребёнку аллель a. Следовательно, оба родителя — носители с генотипом Aa.

2. При скрещивании Aa × Aa возможны AA, Aa, Aa и aa. Только генотип aa соответствует признаку, поэтому вероятность его появления равна 1 из 4.

3. Каждое рождение — отдельное событие: предыдущий исход не меняет вероятность для следующего ребёнка. Поэтому шанс снова получить ребёнка с признаком остаётся равным ¼, или 25%.

Ответ: генотипы родителей — Aa и Aa; вероятность рождения ребёнка с признаком при каждой беременности — ¼.

Типичные ошибки

Ошибка: считать доминантный признак более частым или полезным. Так думают, потому что слово «доминантный» звучит как указание на преимущество, но в генетике оно описывает только проявление аллеля у гетерозиготы. Проверьте себя: доминирование можно определить по генотипу Aa, а частоту аллеля — только по данным о популяции.

Ошибка: путать генотип и фенотип. Их смешивают, потому что генотип влияет на признаки, однако влияние не всегда проявляется одинаково при разных условиях среды. Для проверки запишите отдельно наследственные аллели организма и то, что фактически наблюдается.

Ошибка: считать любое приобретённое за жизнь изменение наследуемым. Например, загар или увеличение мышц могут возникнуть под влиянием среды, но обычно не меняют ДНК половых клеток. Спросите себя, изменился ли генотип: если нет, оснований считать такое изменение наследуемым обычно нет.

Ошибка: считать, что вероятность точно задаёт число потомков с признаком в небольшой семье. Вероятность относится к каждому рождению отдельно, а случайность может дать результат, отличный от ожидаемого соотношения. Проверка простая: вычислите шанс для одного потомка и не переносите его как гарантию на всю семью.

Связь с другими темами

Чтобы изучать генетику, нужно знать строение клетки, роль ядра, хромосом и ДНК, а также различия между митозом и мейозом. Закономерности наследования помогают понять генетику человека и разнообразие популяций, а также объясняют, откуда берётся материал для эволюции. Представления о наследственной изменчивости и отборе применяются при изучении селекции и современных биотехнологий.

Что запомнить

• Гены расположены в хромосомах и содержат наследственную информацию.
• Аллели одного гена могут по-разному проявляться в фенотипе.
• При мейозе аллели расходятся в разные гаметы.
• Фенотип зависит от генотипа и условий среды.
• Комбинативная и мутационная изменчивость создают наследуемые различия.
• Селекция использует наследственную изменчивость и искусственный отбор.