§ 48. Основы генетики и селекции. Повторение

Определения и обозначения

Ген — участок ДНК, определяющий наследственный признак или участвующий в его формировании. Информация гена может задавать строение белка, а белки влияют на работу клеток и проявление признаков. Поэтому ген связывает наследственную информацию с особенностями организма.

Аллели — варианты одного гена, расположенные в одинаковых участках гомологичных хромосом. Доминантный аллель обычно проявляется у гетерозиготы, а рецессивный в таких условиях скрыт. Различение аллелей помогает предсказать признаки потомства.

Генотип — совокупность генов организма; в задачах аллели обозначают буквами, например A и a. Генотип AA или aa называют гомозиготным, потому что в нём два одинаковых аллеля, а Aa — гетерозиготным. Такая запись показывает, какие варианты гена организм может передать потомству.

Фенотип — совокупность наблюдаемых признаков организма, сформированных при взаимодействии генотипа и среды. Например, генотип задаёт наследственные возможности, а условия выращивания могут повлиять на размер растения. Фенотип нужен, чтобы описывать проявление наследственной информации, а не только её запись буквами.

Как это устроено

При образовании половых клеток — гамет — гомологичные хромосомы расходятся в разные клетки. Поэтому каждая гамета получает только один аллель каждого гена, а не оба аллеля родительской пары. При оплодотворении аллели снова объединяются; именно их расхождение и случайное сочетание объясняют закон расщепления.

Если скрестить организмы, различающиеся по одному признаку, результат зависит от передаваемых аллелей. Например, при скрещивании AA и aa первый родитель образует гаметы A, второй — a, поэтому все гибриды первого поколения F₁ имеют генотип Aa. При полном доминировании у них одинаковый доминантный фенотип — это единообразие гибридов. Когда гибриды Aa скрещиваются между собой, возможны AA, Aa, Aa и aa: во втором поколении F₂ генотипы соотносятся как 1:2:1, а фенотипы — как 3:1.

Аллели разных генов могут расходиться в гаметы независимо, если соответствующие гены находятся в разных парах хромосом. Тогда сочетание одного аллеля не определяет, какой аллель другого гена попадёт в ту же гамету. Если гены расположены в одной хромосоме, они сцеплены и обычно передаются вместе. Кроссинговер — обмен участками между гомологичными хромосомами во время мейоза — иногда разделяет их и создаёт новые сочетания.

Наследственная изменчивость появляется, когда возникают новые сочетания аллелей или мутации — изменения наследственного материала. Она может передаваться потомкам и создаёт разнообразие, на котором действуют эволюция и селекция. Модификационная изменчивость возникает под влиянием условий среды, например питания или освещённости, и обычно не меняет генотип. Поэтому приобретённое организмом изменение, как правило, не наследуется.

Селекция — создание и улучшение пород животных, сортов растений и штаммов микроорганизмов. Селекционеры используют гибридизацию, то есть скрещивание организмов для получения потомства с новыми сочетаниями признаков, а затем проводят искусственный отбор особей с нужными свойствами. Проверка потомства помогает выяснить, передаются ли эти свойства наследственно и подходят ли выбранные родители для дальнейшего размножения. Так полезные признаки закрепляют в следующих поколениях.

Основные понятия и закономерности генетики и селекции

Пользуйтесь таблицей как кратким алгоритмом: сначала определите генотипы и расположение генов, затем выберите подходящую закономерность. В задачах отдельно записывайте генотипическое и фенотипическое расщепления. Для вопросов о селекции проследите путь от наследственной изменчивости к отбору и проверке результата.

Разбор задач

1. Жёлтые и зелёные семена

У гороха жёлтая окраска доминирует над зелёной. Нужно скрестить гомозиготное жёлтосеменное растение с зелёносеменным и определить потомство. Обозначим доминантный аллель жёлтой окраски буквой A, а рецессивный аллель зелёной — a. Так как оба родителя гомозиготны, их генотипы известны однозначно.

1. Записываем родителей: AA × aa. Первое растение может передать только A, второе — только a.
2. Записываем гаметы: у первого родителя все гаметы A, у второго — все a. При оплодотворении каждый потомок получает по одному аллелю от каждого родителя.
3. Составляем генотип потомства: все сочетания — Aa. Гетерозиготы проявляют доминантный аллель, поэтому все семена жёлтые.

Ответ: генотипы потомства — 100% Aa, фенотипы — 100% жёлтые семена. Единообразие получается потому, что родители передают только по одному типу аллеля. Вывод относится к заданным условиям полного доминирования.

2. Вероятность зелёных семян

Скрещиваются два жёлтосеменных гетерозиготных растения. Требуется найти вероятность зелёного потомка, поэтому важно не принять жёлтый фенотип родителей за доказательство генотипа AA: по условию оба имеют генотип Aa. Зелёная окраска проявится только у потомка с двумя рецессивными аллелями. Рассмотрим возможные сочетания гамет.

1. Записываем скрещивание Aa × Aa. Каждый родитель образует гаметы A и a с равной вероятностью.
2. Составляем решётку Пеннета: сочетания гамет дают AA, Aa, Aa и aa. Все четыре варианта равновероятны при случайном оплодотворении.
3. Отделяем генотипы от фенотипов. Генотипическое расщепление — 1 AA : 2 Aa : 1 aa; жёлтых по фенотипу три варианта из четырёх, зелёный — один.

Ответ: вероятность зелёносеменного потомка равна ¼, или 25%. Здесь учитывается вероятность для каждого потомка, а не гарантия, что в любой группе из четырёх растений обязательно будет одно зелёное. В реальном потомстве доли могут немного отличаться из-за случайности.

3. Два рецессивных признака

Дигетерозиготные растения скрещиваются по двум условно независимым генам, отвечающим за окраску и форму семян. Обозначим их аллели A и a, B и b; родители имеют генотипы AaBb × AaBb. Нужно найти вероятность потомка с двумя рецессивными признаками, то есть с генотипом aabb. Независимость генов позволяет рассматривать передачу каждого гена отдельно.

1. Определяем гаметы каждого родителя: AB, Ab, aB и ab. При независимом наследовании каждый тип возникает с вероятностью ¼.
2. Чтобы получить aabb, потомок должен получить гамету ab от каждого родителя. Вероятность этого сочетания равна ¼ × ¼.
3. Проверяем ответ через раздельное рассмотрение признаков: вероятность aa равна ¼, вероятность bb равна ¼, поэтому вероятность одновременного появления обоих признаков составляет 1/16. Это согласуется с фенотипическим расщеплением 9:3:3:1, где доля двух рецессивных признаков — 1 часть из 16.

Ответ: вероятность потомка с генотипом aabb равна 1/16, или 6,25%. Такой расчёт применим при независимом наследовании и равной вероятности гамет. Если гены тесно сцеплены, наборы гамет и вероятность результата могут быть другими.

Типичные ошибки

Доминантный аллель не обязательно чаще встречается в популяции. Путают доминирование с распространённостью, потому что слово «доминантный» звучит как «преобладающий». На деле оно описывает проявление аллеля у гетерозиготы. Проверьте себя: отдельно спрашивайте, какой признак проявляется, и как часто аллель встречается.

Нельзя смешивать генотипическое и фенотипическое расщепления: при Aa × Aa соотношение генотипов 1:2:1, а фенотипов при полном доминировании — 3:1. Ошибка возникает, если каждый генотип механически считают отдельным признаком. Проверьте, не объединены ли в одном фенотипе AA и Aa. Одинаковый внешний признак не всегда означает одинаковый генотип.

Закон независимого наследования нельзя применять к любым генам. Его часто переносят на все задачи, не учитывая, что гены одной хромосомы могут быть сцеплены и передаваться вместе. До подсчёта гамет проверьте, указано ли, что гены независимы или расположены в разных парах хромосом. Для сцепленных генов учитывают возможность кроссинговера.

Изменение, вызванное условиями среды, обычно не становится наследственным. Его ошибочно считают наследуемым, потому что оно заметно меняет внешний вид организма. Проверка проста: выясните, изменился ли генотип и передаётся ли особенность потомкам. Модификационные изменения обычно не меняют наследственный материал, поэтому сами по себе не наследуются.

Связь с другими темами

Для понимания генетики нужны знания о строении клетки, хромосом и ДНК: гены расположены в ДНК, а аллели занимают соответствующие участки гомологичных хромосом. Также важно знать мейоз — деление, при котором образуются гаметы и расходятся хромосомы. Закономерности наследования помогают изучать эволюцию, популяционную генетику и генетику человека. В селекции их применяют, чтобы подбирать родительские пары и оценивать наследственные особенности потомства.

Что запомнить

• Аллели одного гена занимают соответствующие участки гомологичных хромосом.
• Гамета несёт один аллель каждого гена.
• Доминантный аллель проявляется у гетерозиготы, рецессивный — обычно только в гомозиготе.
• При независимом наследовании дигибридное скрещивание даёт во втором поколении фенотипическое расщепление 9:3:3:1.
• Сцепление генов может нарушаться при кроссинговере.
• Селекция использует наследственную изменчивость и искусственный отбор.