"Биология. Биологические системы и процессы (профильный уровень) ", Теремов А.В., Петросова Р.А.
Экспериментальный мутагенез позволяет повысить частоту наследственных изменений с помощью физических, химических или биологических мутагенов. Заранее выбрать нужный признак нельзя: мутации возникают случайно, поэтому после обработки организмов исследуют и отбирают полезные варианты. Один из способов изменить наследственность растений — получить полиплоиды, то есть организмы с дополнительными полными наборами хромосом. Для этого, например, используют колхицин, нарушающий образование веретена деления.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Экспериментальный мутагенез — получение наследственных изменений под действием специально применяемых мутагенов. Он позволяет создать больше вариантов признаков, чем возникает самопроизвольно, но не задаёт результат заранее. Поэтому после воздействия исследуют потомство и отбирают организмы с полезными свойствами.
Мутагены — физические, химические или биологические факторы, повышающие частоту мутаций, то есть наследственных изменений. К ним относят, например, излучение и некоторые химические вещества. Сила воздействия зависит от дозы, длительности и условий обработки: чрезмерное воздействие может повредить клетки или привести к их гибели.
Полиплоидия — увеличение числа полных наборов хромосом в клетке или организме. Это не то же самое, что изменение числа одной или нескольких отдельных хромосом: при полиплоидии повторяется весь набор. Такое различие помогает понять, почему полиплоидные клетки могут иметь заметно изменённые свойства.
Полиплоиды — организмы, у которых больше двух полных наборов хромосом. Число наборов обозначают буквой n: например, 3n — три набора, а 4n — четыре; диплоидный организм имеет 2n. Обозначение показывает плоидность, то есть кратность набора, а не количество хромосом одного отдельного типа.
Физические мутагены, например ионизирующее излучение, могут повреждать молекулу ДНК или разрывать хромосомы. Химические вещества способны изменять отдельные участки ДНК либо мешать точному копированию её последовательности. Если клетка не исправила повреждение, оно может закрепиться при делении и стать наследственным изменением. Поэтому в потомстве обработанного организма обнаруживаются разные изменения генов и хромосом.
Мутагены не «выбирают» признак, потому что их воздействие не знает, какой результат нужен селекционеру. Повреждение или ошибка копирования возникают в разных участках наследственного материала и дают разные последствия. Большинство изменений может оказаться нейтральным или вредным, а полезные встречаются лишь среди части вариантов. По этой причине после обработки растения выращивают, сравнивают их признаки и оставляют для дальнейшей работы подходящие экземпляры.
При обычном делении хромосомы удваиваются, а затем расходятся в дочерние клетки благодаря веретену деления — системе нитей, которая перемещает их к противоположным полюсам. Если расхождение нарушено, клетка может не разделить удвоенные хромосомы между двумя дочерними клетками. В результате в одном ядре остаётся увеличенное число наборов. Такой сбой способен возникнуть естественно или быть вызван экспериментально.
Для получения полиплоидных клеток применяют колхицин и некоторые другие вещества, нарушающие образование веретена деления. Колхицин мешает его нитям сформироваться, поэтому удвоенные хромосомы не распределяются обычным образом. Если клетка после этого продолжает существовать, в ней может сохраниться удвоенный набор. Однако обработка не гарантирует получения целого жизнеспособного растения: часть клеток погибает, а результат нужно проверять.
Увеличенное число наборов может повлиять на работу клеток и развитие органов, поэтому у некоторых полиплоидных растений меняются размеры листьев, цветков или плодов. Но эффект зависит от вида и конкретного признака: полиплоидность не означает автоматически более крупное или урожайное растение. При нечётной плоидности, например 3n, во время мейоза хромосомы трудно распределить поровну между половыми клетками. Поэтому триплоиды часто образуют мало жизнеспособных гамет и могут быть стерильными.
| Способ или результат | Пример воздействия | Как действует | Возможный результат и применение |
|---|---|---|---|
| Физический мутагенез | Обработка излучением | Повреждаются молекулы ДНК или хромосомы; воздействие может вызвать ошибки при восстановлении. | Возникают разные наследственные варианты, среди которых отбирают полезные для селекции. |
| Химический мутагенез | Обработка химическими мутагенами | Вещества изменяют ДНК или нарушают точность её копирования. | Повышается частота мутаций; полученные растения проверяют и отбирают. |
| Получение полиплоидов | Обработка колхицином | Нарушается образование веретена деления, и хромосомы могут не разойтись. | В клетке может удвоиться число наборов; полиплоидные формы используют в селекции. |
| Отбор и использование полученных форм | Выращивание потомства и сравнение признаков | Выявляют устойчиво проявляющиеся полезные наследственные изменения. | Подходящие варианты используют для дальнейшего размножения и создания сортов. |
Таблица показывает, чем различаются способы воздействия и почему получение изменчивости не заканчивается самой обработкой. Сначала мутаген повышает вероятность изменений, а затем исследуют результат и проводят отбор. При выборе формы оценивают её реальные свойства, а не предполагаемую пользу.
После обработки семян мутагеном часть растений приобрела новые признаки. Нужно объяснить, почему нельзя заранее определить, у каких растений появится нужное селекционеру свойство.
Ответ: нужное свойство нельзя предсказать, потому что мутации возникают случайно. Его обнаруживают после обработки и отбора растений.
После обработки растения колхицином в некоторых клетках обнаружили удвоенное число хромосом. Нужно связать наблюдение с ходом деления клетки, а не считать, что вещество просто добавило хромосомы.
Ответ: колхицин мог нарушить работу веретена, помешать расхождению хромосом и тем самым привести к сохранению удвоенного набора. Такой результат не гарантирован для каждой клетки.
Для получения бессемянных плодов скрестили диплоидное растение (2n) с тетраплоидным (4n). Определите набор хромосом у потомства и объясните, почему оно может быть стерильным.
Ответ: потомство имеет набор 3n. Из-за нарушенного образования жизнеспособных гамет оно может быть стерильным и не давать семян.
Считать, что мутаген вызывает только заранее выбранное изменение, — ошибка: мутаген повышает частоту мутаций, но не направляет их. Так думают, потому что полезный результат часто описывают как цель обработки, хотя это цель селекционера, а не действие вещества. Проверьте себя вопросом: известно ли до опыта, в каком участке наследственного материала произойдёт изменение? Если нет, нужный вариант придётся искать отбором.
Путать полиплоидию с увеличением числа отдельных хромосом — значит смешивать разные изменения кариотипа. Это происходит, когда выражение «хромосом стало больше» понимают без уточнения, прибавился целый набор или отдельные хромосомы. Для проверки сравните наборы: при полиплоидии повторяется весь комплект, например 2n становится 4n. Если изменилось число лишь отдельных хромосом, это не полиплоидия.
Утверждать, что любой полиплоид крупнее и продуктивнее исходной формы, нельзя. Такое ожидание возникает из-за того, что у некоторых полиплоидных растений действительно увеличиваются отдельные органы. Но размер и урожайность зависят от вида и признака; проверьте вывод по реальным наблюдениям, а не только по числу наборов. Полезность формы нужно оценивать отдельно.
Считать обработку колхицином гарантией жизнеспособного растения с удвоенным набором тоже неверно. Колхицин нарушает деление, а сильное воздействие может повредить клетки или привести к их гибели; кроме того, не каждая обработанная клетка становится полиплоидной. Чтобы проверить себя, разделяйте способ воздействия и результат: набор хромосом и жизнеспособность полученной формы необходимо подтвердить.
Для понимания мутагенеза нужны знания о строении хромосом, генах и мутациях: они помогают увидеть, что именно меняется в наследственном материале. Понимание митоза и мейоза объясняет, как хромосомы копируются, расходятся и почему при сбоях может измениться плоидность. В селекции экспериментальный мутагенез и получение полиплоидов расширяют разнообразие форм, из которых отбирают подходящие. Эта тема связывает наследственную изменчивость с дальнейшим изучением селекции и биотехнологии.
Можно ли с помощью мутагена вызвать именно нужную мутацию?
Нет, мутаген повышает вероятность мутаций, но не направляет их к заранее выбранному признаку. Нужные варианты находят среди обработанных организмов и отбирают.
Чем полиплоидия отличается от обычной мутации?
При полиплоидии меняется число полных наборов хромосом, например 2n становится 4n. Мутация может затронуть отдельный ген или хромосому, а увеличение числа отдельных хромосом не является полиплоидией.
Почему колхицин приводит к удвоению числа хромосом?
Колхицин нарушает образование веретена деления — структуры, которая распределяет хромосомы между дочерними клетками. Хромосомы могут не разойтись, и в клетке сохраняется удвоенный набор.
Почему триплоидные растения часто не дают семян?
У триплоида три набора хромосом, поэтому при мейозе хромосомы часто не могут распределиться по гаметам поровну. В результате образуются нежизнеспособные половые клетки, и семена не развиваются.
Всегда ли полиплоидные растения крупнее и полезнее диплоидных?
Нет, увеличение числа наборов не гарантирует ни более крупных органов, ни высокой урожайности. Результат зависит от вида растения и конкретного признака, поэтому новую форму проверяют и оценивают отдельно.
§68. Экспериментальный мутагенез. Получение полиплоидов
