11.2.2. Искусственный мутагенез

Определения и обозначения

Искусственный мутагенез — получение наследственных изменений под действием мутагенов, применяемых человеком. Иными словами, человек создаёт условия, при которых мутации возникают чаще обычного. Это понятие помогает отличать целенаправленное воздействие от изменений, появившихся без него. Искусственный мутагенез используют, в частности, чтобы расширить разнообразие организмов для селекции.

Мутаген — физический, химический или биологический фактор, повышающий вероятность возникновения мутаций. Он может повреждать ДНК либо влиять на её копирование. Термин нужен, чтобы объединить разные причины мутаций по их действию, а не по внешнему виду. Само наличие мутагена ещё не означает, что изменение обязательно произойдёт в каждой клетке.

Индуцированная мутация — мутация, возникшая под действием мутагена, в отличие от спонтанной. Спонтанные изменения могут появляться без намеренного воздействия человека, например из-за ошибок при копировании ДНК. Это различие описывает причину возникновения мутации, но не говорит о том, полезна она или вредна. Понятие помогает установить, с каким воздействием связано повышение числа изменений.

Частота мутаций — доля мутаций среди исследуемых генов, клеток или организмов. Её сопоставляют с частотой спонтанных изменений, например сравнивая опытную группу с контрольной. Такое сравнение позволяет оценить, связано ли увеличение числа мутаций с воздействием. При этом нужно учитывать, какие именно объекты и за какой период исследовали.

Как это устроено

При спонтанном мутагенезе изменения возникают без специально организованного воздействия человека. При искусственном мутагенезе человек намеренно создаёт условия, повышающие вероятность таких изменений. Однако управлять можно фактором и условиями воздействия, а не точным итогом в каждой клетке. Поэтому искусственный мутагенез увеличивает число возможных вариантов, но не позволяет заказать конкретную мутацию.

Физические мутагены, например ионизирующее и ультрафиолетовое излучение, могут повреждать молекулы ДНК. Если клетка восстанавливает повреждение неточно или копирует изменённый участок, в генетическом материале может закрепиться изменение. Повреждения возникают потому, что энергия излучения воздействует на молекулы, а ультрафиолет может нарушать правильное чтение ДНК. Итог зависит от вида и силы воздействия, а также от способности клетки исправлять повреждения.

Химические мутагены воздействуют на ДНК по-разному: некоторые изменяют её основания, другие могут встраиваться в молекулу или мешать её удвоению. Тогда при копировании клетка способна включить неверное основание или иначе прочитать последовательность. Различия в устройстве и свойствах веществ объясняют, почему они вызывают неодинаковые повреждения. Поэтому для оценки эффекта важно знать не только, что применялось химическое вещество, но и какое именно.

Воздействие мутагена повышает вероятность мутаций, однако сами изменения возникают случайно. Мутаген не «знает», какой признак нужен организму или селекционеру, и не направляет изменения к полезному результату. Последствия зависят от того, какой участок генетического материала изменился и как это сказалось на организме. Поэтому мутация может быть вредной, нейтральной или, реже, полезной в конкретных условиях.

В селекции сначала воздействуют на организмы мутагеном, чтобы получить больше наследственных вариантов. Затем исследуют потомство и отбирают растения или животных с признаками, которые могут быть полезны. Недостаточно увидеть новый признак у одного организма: нужно выяснить, связан ли он с изменением генетического материала и передаётся ли потомству. Если признак не наследуется или не подходит для целей селекции, такой вариант не становится основой дальнейшей работы.

Мутагены и их применение

В таблице сопоставлены группы мутагенов, примеры и возможные последствия их воздействия на генетический материал. Формулировки описывают возможные эффекты, а не обязательный результат каждого воздействия. Используйте последний столбец, чтобы помнить об ограничениях: ни один мутаген не гарантирует появления заданного признака.

Разбор задач

Задача 1. В популяции растений после воздействия мутагена обнаружили больше наследственных изменений, чем в контрольной популяции. Нужно объяснить, что показывает сравнение. Для вывода важно сопоставлять группы, различающиеся именно воздействием мутагена. Тогда разницу в частоте изменений можно связать с опытом, а не просто констатировать, что изменения существуют.

1. Определите опытную группу: растения, подвергнутые воздействию мутагена.
2. Сравните число наследственных изменений с контрольной группой, где такого воздействия не было.
3. Убедитесь, что сравнение сделано для сопоставимого числа растений и по одинаковым правилам.

Ответ. В опытной группе частота наследственных изменений выше, чем в контрольной, что согласуется с повышающим действием мутагена. По одному сравнению нельзя заключить, что он вызвал какой-то конкретный признак: изменения возникают случайно. Для оценки результата важно также проверить, действительно ли найденные различия наследуются.

Задача 2. После обработки семян получили растения с разными новыми признаками. Нужно выяснить, какие изменения можно считать результатом искусственного мутагенеза и что проверить перед отбором. Новый внешний вид сам по себе не доказывает, что изменился генетический материал. Некоторые различия могут быть вызваны условиями выращивания и не передаваться потомству.

1. Выясните, сохраняется ли признак при выращивании растений в одинаковых условиях.
2. Проверьте, передаётся ли он потомкам обработанного растения.
3. Оставьте для дальнейшего отбора варианты с устойчивым наследуемым признаком.

Ответ. К результатам мутагенеза можно отнести наследуемые изменения, связанные с генетическим материалом и появившиеся после воздействия. Перед отбором нужно проверить передачу признака потомству, а также оценить его полезность. Временное изменение, исчезающее в следующем поколении, не подходит как наследственный вариант для селекции.

Задача 3. В селекционном опыте мутаген повысил разнообразие признаков, но большинство новых вариантов оказалось непригодным. Следует объяснить, почему это произошло и как действовать дальше. Повышение разнообразия означает появление большего числа вариантов, а не увеличение доли полезных изменений. Следующий этап работы — поиск подходящих наследуемых признаков.

1. Учтите, что мутаген повышает вероятность мутаций, но не направляет их к цели селекции.
2. Оцените новые варианты: часть может быть вредной, часть — нейтральной, а подходящие признаки могут встретиться редко.
3. Проверьте наследуемость перспективных признаков и отберите организмы, у которых они сохраняются у потомства.

Ответ. Большинство вариантов непригодно, потому что мутации возникают случайно и не подбираются под запрос селекционера. Нужно продолжать оценку потомства и отбирать редкие полезные изменения, которые передаются следующим поколениям. Сам факт повышения частоты мутаций не гарантирует быстрого получения нужного результата.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что мутаген вызывает именно нужное селекционеру изменение. Так думают, потому что воздействие применяют с определённой целью, но цель ставит человек, а не сам мутаген. Фактор лишь повышает вероятность мутаций; конкретный результат не предопределён. Проверяйте себя вопросом: известно ли заранее, какой именно участок ДНК изменится? Если нет, необходим отбор.

Ошибка — считать любую перемену признака мутацией. Внешний признак может измениться из-за условий среды, а такое изменение не обязательно затрагивает генетический материал. Путаница возникает, когда наблюдение за организмом принимают за доказательство наследственной причины. Проверьте, сохраняется ли отличие у потомства при сопоставимых условиях, прежде чем называть его наследуемой мутацией.

Ошибка — полагать, что все индуцированные мутации вредны или, наоборот, полезны. Последствия зависят от характера изменения и условий, в которых живёт организм. Заблуждение появляется, когда отдельные примеры принимают за правило для всех мутаций. Для самопроверки разделяйте факт возникновения мутации и оценку её влияния: изменение может оказаться вредным, нейтральным или полезным.

Ошибка — путать увеличение частоты мутаций с гарантированным появлением большого числа полезных вариантов. Мутагены создают больше возможностей для изменений, но не направляют их к желаемому признаку, поэтому полезные варианты редки. Вероятно, эту ошибку вызывает смешение количества изменений с их качеством. Проверяйте вывод так: частоту мутаций оценивают отдельно, а пригодность и наследуемость каждого варианта устанавливают отбором.

Связь с другими темами

Для понимания искусственного мутагенеза нужно знать, что такое ген, ДНК, генотип и наследственная изменчивость: мутация связана с изменением генетического материала. Тема продолжает разговор о видах мутаций и причинах их возникновения, включая спонтанные и индуцированные изменения. В селекции искусственный мутагенез используют, чтобы получить наследственное разнообразие. Затем отбирают организмы с подходящими признаками и проверяют их передачу потомству.

Что запомнить

• Искусственный мутагенез повышает частоту мутаций.
• Мутаген не задаёт заранее, какой признак изменится.
• Мутагены бывают физическими, химическими и биологическими.
• Индуцированные мутации могут иметь разные последствия для организма.
• Для селекции важно выявить и отобрать наследуемые полезные изменения.
• Сам факт воздействия мутагена не гарантирует появления полезного варианта.