"Биология. Биологические системы и процессы (углублённый уровень)", Теремов А.В., Петросова Р.А.
Экспериментальный мутагенез — способ целенаправленно получать наследственные изменения, воздействуя на клетки физическими, химическими или биологическими мутагенами. Он помогает изучать мутации и создавать разнообразие признаков для селекции, но требует точного подбора воздействия: чрезмерная доза может погубить клетки. Особый результат — полиплоидия, увеличение числа полных наборов хромосом. Её вызывают, например, колхицином, нарушающим работу веретена деления; полученные растения проверяют на плоидность, жизнеспособность и плодовитость.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Мутагенез — процесс возникновения наследственных изменений самопроизвольно или под действием мутагенов. Наследственное изменение может передаваться потомству, если затрагивает клетки, участвующие в размножении. Понятие помогает отличать изменения генетического материала от временных реакций организма на условия среды.
Экспериментальный мутагенез — целенаправленное получение наследственных изменений с помощью специально подобранных воздействий. Исследователь задаёт вид воздействия, его дозу и длительность, а затем изучает потомство обработанных клеток или организмов. Такой подход нужен для исследования мутаций и создания материала для отбора в селекции.
Мутагены — физические, химические или биологические факторы, повышающие частоту мутаций. Они могут влиять на ДНК, хромосомы или процессы, необходимые для их копирования и распределения. Термин нужен, чтобы обозначить причину увеличения числа мутаций, а не саму мутацию.
Полиплоидия — состояние клетки или организма с увеличенным числом полных наборов хромосом. Например, переход от двух наборов к четырём означает изменение 2n на 4n, а не увеличение числа отдельных хромосом. Организм с несколькими полными наборами называют полиплоидом; это понятие особенно важно при описании результатов селекции растений.
Экспериментальный мутагенез используют, потому что самопроизвольные мутации редки и возникают без заранее заданного исследователем воздействия. Обработка увеличивает вероятность наследственных изменений, поэтому среди полученного потомства легче обнаружить новые варианты признаков. Сравнение обработанных организмов с контрольной группой помогает выяснить, какие изменения связаны именно с воздействием, и изучить закономерности мутационного процесса.
Физические, химические и биологические мутагены различаются природой и мишенями. Ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение могут повреждать молекулы ДНК и хромосомы, вызывая генные или хромосомные мутации. Химические вещества, например алкилирующие соединения и аналоги оснований, вмешиваются в строение ДНК, её копирование или восстановление; результатом также могут стать генные мутации и нарушения структуры хромосом. Биологические факторы, например некоторые вирусы и мобильные генетические элементы, способны менять работу генов или участки ДНК.
Дозу и длительность воздействия подбирают, поскольку мутаген действует не избирательно только на полезные признаки. Слишком слабая обработка мало повышает частоту мутаций, и нужные варианты трудно обнаружить среди естественной изменчивости. Слишком сильная обработка вызывает многочисленные повреждения, нарушает деление и работу клеток, поэтому организм может погибнуть или утратить способность размножаться. Оптимальное воздействие должно давать материал для отбора, сохраняя достаточное число жизнеспособных потомков.
При обычном делении хромосомы распределяются между дочерними клетками с помощью веретена деления — системы микротрубочек, которая перемещает их к противоположным полюсам клетки. Если работа веретена нарушена, хромосомы могут не разойтись, и после деления клетка сохранит удвоенный набор. Так из клетки с двумя наборами может возникнуть клетка с четырьмя; если она даст начало растению, организм может стать тетраплоидным. Результат зависит от того, на какой стадии деления произошло воздействие и способна ли клетка продолжить развитие.
Для получения полиплоидов используют колхицин, оризалин и другие антимитотические вещества, то есть соединения, мешающие нормальному делению клетки. Их действие связано прежде всего с микротрубочками веретена, поэтому колхицин не следует считать обычным мутагеном, повреждающим ДНК как основную мишень. После обработки проверяют число наборов хромосом, жизнеспособность и способность растений к размножению: внешнее сходство или крупные листья сами по себе не подтверждают полиплоидию. Проверка нужна и потому, что обработка может повредить клетки, дать нестабильный результат или привести к снижению плодовитости.
Сопоставляйте в таблице не только названия воздействий, но и их мишени и возможные результаты. Это помогает увидеть, что антимитотические вещества применяют прежде всего для изменения числа наборов хромосом, тогда как другие мутагены создают разнообразные повреждения генетического материала. Одна и та же обработка не гарантирует полезного признака: результат оценивают и отбирают.
| Критерий | Физические мутагены | Химические мутагены | Антимитотические вещества |
|---|---|---|---|
| Примеры воздействий | Ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение | Алкилирующие соединения, аналоги оснований, некоторые окислители | Колхицин, оризалин и другие вещества, нарушающие работу веретена деления |
| Основная мишень | Молекулы ДНК и хромосомы | Основания ДНК, процессы репликации и репарации | Микротрубочки веретена деления |
| Возможный результат | Генные и хромосомные мутации | Генные мутации и нарушения структуры хромосом | Увеличение числа полных наборов хромосом |
| Практическая цель | Получение новых наследственных признаков | Создание генетического разнообразия для отбора | Получение полиплоидных форм с изменёнными размерами, устойчивостью или плодовитостью |
| Основное ограничение | Повреждение клеток при избыточной дозе | Токсичность и сложность точного дозирования | Нарушение деления, снижение жизнеспособности и возможное бесплодие |
Нужно различить число наборов и число хромосом. Диплоидная клетка имеет два набора, а после удвоения становится тетраплоидной и содержит четыре. Значит, общее число хромосом тоже удваивается: 14 × 2 = 28.
Ответ: в клетках тетраплоидного растения будет 28 хромосом.
Частота показывает, какая доля всех изученных растений имеет выявленный признак. Делим число таких растений на общее число обработанных и переводим долю в проценты. Контрольная группа состоит из необработанных растений: её результаты позволяют оценить, могли ли похожие изменения возникнуть самопроизвольно.
Ответ: частота выявленных мутантов среди обработанных растений — 2%. Контроль показывает фоновую частоту появления подобных изменений без обработки.
При образовании гамет число наборов у каждого родителя уменьшается вдвое. Диплоид образует гаметы с одним набором, а тетраплоид — с двумя; после их слияния гибрид получает три набора и становится триплоидом. При мейозе три набора сложно распределить поровну, поэтому могут образоваться гаметы с неправильным числом хромосом.
Ответ: гибрид будет иметь 21 хромосому и может быть бесплодным из-за нарушения образования сбалансированных гамет.
Ошибка — считать любой приобретённый признак мутацией. Так думают, потому что признак появился после изменения условий, но среда может вызвать временную, ненаследуемую реакцию. Проверка: выяснить, сохраняется ли признак у потомства при подходящих условиях; без наследуемости называть его мутацией нельзя.
Ошибка — полагать, что мутагены вызывают только полезные изменения. Их применяют ради нужных для исследования или селекции вариантов, но воздействие не выбирает полезные гены и может дать вредные или летальные мутации. Проверка: помнить, что пользу нового признака оценивают отдельно, а большое число потомков приходится отбирать.
Ошибка — называть колхицин обычным мутагеном. Это происходит из-за того, что после обработки меняется генетическая характеристика клетки, однако основная мишень колхицина — микротрубочки веретена деления, а результатом может стать удвоение наборов. Проверка: спросить себя, меняется ли последовательность ДНК непосредственно или нарушается распределение хромосом при делении.
Ошибка — путать полиплоидию с увеличением числа отдельных хромосом. При полиплоидии изменяется число полных наборов, а не просто количество одной или нескольких хромосом. Проверка: сравнить наборы целиком, например 2n и 4n, а не делать вывод по одной хромосоме.
Чтобы понять мутагенез и полиплоидию, нужно знать строение хромосом, клеточный цикл, митоз, мейоз, мутации и закономерности наследования. Эти знания применяют в селекции растений: отобранные изменения могут помочь получить новые сорта, увеличить размеры органов или усилить нужные хозяйственные признаки. Изучение мутагенов также связано с биотехнологией, генетическим мониторингом и оценкой воздействия радиации и химических веществ на организмы.
Чем экспериментальный мутагенез отличается от естественного возникновения мутаций?
Мутации могут возникать самопроизвольно или под действием факторов среды. При экспериментальном мутагенезе воздействие специально выбирают и контролируют, чтобы увеличить частоту изменений для исследования или селекции. Заранее получить только нужные мутации нельзя.
Почему после обработки мутагеном погибает часть клеток или организмов?
Мутаген может повреждать ДНК и другие клеточные структуры, нарушая работу генов и деление клетки. При слишком большой дозе повреждений становится так много, что клетка не может восстановиться или нормально функционировать. Поэтому подбирают дозу и длительность обработки.
Как определить, что растение действительно стало полиплоидным?
Число хромосом проверяют в клетках, например подсчитывая их в делящихся клетках под микроскопом; применяют и другие лабораторные методы оценки плоидности. Внешние признаки, такие как крупные листья, могут подсказать, но сами по себе не доказывают полиплоидию. Также оценивают жизнеспособность и способность растения размножаться.
Почему полиплоиды часто имеют более крупные органы?
У полиплоидов в клетках больше наборов хромосом, а клетки нередко становятся крупнее. Это может приводить к увеличению размеров некоторых органов. Однако такой результат не обязателен: он зависит от вида и конкретных особенностей организма.
Почему триплоидные растения нередко бывают бесплодными?
У триплоидов три набора хромосом, поэтому при мейозе хромосомы не всегда могут равномерно распределиться между половыми клетками. В результате часто образуются гаметы с несбалансированным набором хромосом, которые не участвуют в успешном оплодотворении. Поэтому плодовитость триплоидов может быть низкой.
§68. Экспериментальный мутагенез. Получение полиплоидов
