Фенотипическая изменчивость — очень важный процесс, который обеспечивает способность организма к выживанию. Именно благодаря ей он способен адаптироваться к условиям внешней среды.

Впервые модификационная изменчивость организмов была отмечена еще в исследованиях Чарльза Дарвина. Ученый считал, что именно так происходит в дикой природе.

Фенотипическая изменчивость и ее основные характеристики

Ни для кого не секрет, что в процессе эволюции постоянно изменялись, приспособляясь к выживанию в условиях внешней среды. Возникновение новых видов обеспечивалось несколькими факторами — изменением структуры наследственного материала (генотипическая изменчивость), а также появлением новых свойств, которые делали организм жизнеспособным при изменении условий внешней среды.

Фенотипическая изменчивость имеет ряд особенностей:

• Во-первых, при такой форме затрагивается лишь фенотип — комплекс внешних характеристик и свойств живого организма. Генетический материал при этом не изменяется. Например, две популяции животных, которые обитают в разных условиях, имеют некоторые внешние различия, несмотря на идентичный генотип.
• С другой стороны, фенотипическая изменчивость носит групповой характер. Изменения в строении и свойствах возникают у всех организмов данной популяции. Для сравнения стоит сказать, что перемены генотипа одиночны и спонтанны.
• обратима. Если убрать те специфические факторы, которые вызвали реакцию со стороны организма, то со временем отличительные признаки исчезнут.
• Фенотипические изменения не передаются по наследству, в отличие от генетических модификаций.

Фенотипическая изменчивость и норма реакции

Как уже упоминалось, смены фенотипа не являются результатом каких-либо генетических модификаций. В первую очередь это реакция генотипа на воздействие В этом случае изменяется не сам набор генов, но интенсивность их проявления.

Конечно же, такие изменения имеют собственные пределы, которые и называются нормой реакции. Норма реакции - это спектр всех возможных изменений, из которых отбираются только те варианты, которые будут подходящими для обитания в определенных условиях. Этот показатель зависит исключительно от генотипа и имеет собственные верхние и нижние границы.

Фенотипическая изменчивость и ее классификация

Конечно же, типология изменчивости носит весьма относительный характер, так как все процессы и этапы развития организма до конца еще не изучены. Тем не менее, модификации принято разделять на группы, в зависимости от некоторых характеристик.

Если брать во внимание измененные признаки организма, то их можно разделить на:

• Морфологические (изменяется внешний вид организма, например, густота и цвет шерсти).
• Физиологические (наблюдаются изменения в метаболизме и физиологических свойствах организма; например, у человека, поднявшегося в горы, резко увеличивается количество эритроцитов).

По длительности выделяют модификации:

• Ненаследуемые — изменения присутствуют лишь у той особи или популяции, которые подверглись непосредственному влиянию внешней среды.
• Длительные модификации — о них говорят тогда, когда приобретенная адаптация передается отпрыскам и сохраняется еще в течение 1-3 поколений.

Существуют также и некоторые формы фенотипической изменчивости, которые не всегда имеют одинаковой значение:

• Модификации — это изменения, которые приносят организму пользу, обеспечивают адаптацию и нормальную жизнедеятельность в условиях окружающей среды.
• Морфозы — это те изменения фенотипа, которые происходят под влиянием агрессивных, экстремальных факторов внешней среды. Здесь изменчивость выходит далеко за пределы и может привести даже к гибели организма.

1. Фенотип как результат реализации генотипа в определенной среде.
2. Количественная и качественная специфика проявления генов в признаках.
3. Взаимодействие неаллельных генов.

Геном – совокупность генов, характерных для гаплоидного набора хромосом данного вида. При оплодотворении геномы родителей объединяются и образуют клеточный генотип зиготы.

Генотип – совокупность всех генов организма (генетическая конституция). Из генотипа зиготы в процессе онтогенеза возникает много сотен различных клеточных фенотипов. Отдельные клеточные фенотипы формируют фенотип всего организма. Весь процесс жизни от образования зиготы до естественной смерти контролируется генами. Генотип постоянно испытывает воздействие внешней среды, он взаимодействует со средой, что приводит к формированию всех признаков и свойств организма.

Фенотип – все признаки организма, формирующиеся в результате взаимодействия генотипа и среды. (Иогансен – 1803год) свойства любого организма зависят от генотипа и от среды, поэтому формирование организма – результат взаимодействия генетических факторов и факторов внешней среды.

Долгое время считалось, что в зиготе находятся разные хромосомы для разных клеток, однако теперь известно, что в зиготе имеется та же генетическая информация, что и во всех клетках данного организма. В специализированных клетках работают гены, характерные для функций данных клеток, а все остальные – до 95% - заблокированы. Каждая эмбриональная клетка потенциально может стать любой клеткой организма, т.е. специализироваться в любую сторону – полипотентные клетки. Каждая клетка организма способна дифференцироваться только по одному пути. Направление специализации определяется внешней средой (химическим окружением хромосом – цитоплазмой). На самых ранних этапах эмбриогенеза, генотип уже взаимодействует со средой. Взаимодействие удобно просматривать на примере глобиновых генов. До и после рождения эти гены работают неодинаково. В раннем эмбриогенезе включается ген, отвечающий за альфа-цепь гемоглобина (он активен на протяжении всей жизни), а ген, отвечающий за синтез бета-цепи, неактивен. Зато есть ген, отвечающий за синтез гамма-цепи. После рождения ген бета-цепи начинает работать, а гамма - блокируется. Эти изменения связаны с особенностями дыхания. Фетальный гемоглобин легко доносит воздух до зародыша.

Фенотипическое проявление генотипа в зависимости Ио среды изменяется в пределах нормы реакции. От родителей потомки получают специфические типы химических реакций на разные условия среды. Совокупность всех химических реакций определят метаболизм – обмен веществ. Интенсивность обмена веществ варьирует в широких пределах. У каждого человека свои особенности обмена веществ, которые передается от поколения к поколению, и подчиняются законам Менделя. Различия в обмене веществ реализуются в конкретных условиях среды на уровне синтеза белка.

Дифференцированная реакция растений примулы в разных условиях окружающей среды. При обычной температуре 20-25 градусов и нормальном давлении – красные цветы, при повышенной температуре или давлении – белые цветы. Семена обладают теми же свойствами.

Муха – дрозофила имеет ген, формирующий замыкание крыльев на спину. Если мух с мутантным генов выводить при температуре22-25 градусов, крылья загнуты. При более низкой температуре – нормальные крылья и лишь у некоторых – загнуты. Ген обуславливает синтез термочувствительного белка. Поэтому, обсыхая после выхода из куколки, при повышенной температуре происходит деформация крыльев.

Никакие признаки не наследуются . Признаки развиваются на основе взаимодействия генотипа и среды. Наследуется только генотип, т.е. комплекс генов, который определяет норму биологической реакции организма, изменяющую проявление и выраженность признаков в разных условиях среды. Таким образом, организм реагирует на свойства внешней среды. Иногда один и тот же ген в зависимости от генотипа и от условий внешней среды по-разному проявляет признак или меняет полноту выраженности.

Степень проявления фенотипа – экспрессивност ь. Образно ее можно сравнить со степенью тяжести болезни в клинической практике. Экспрессивность подчиняется законам распределения Гаусса (некоторые в малом или среднем количестве). В основе изменчивости экспрессивности лежат и генетические факторы, и факторы внешней среды. Экспрессивность – очень важный показатель фенотипического проявления гена. Количественно ее степень определяют, используя статистический показатель.

Генетический признак может даже не проявляться в некоторых случаях. Если ген есть в генотипе, но он вовсе не проявляется – он пенетрирован. (русский ученый Тимофеев-Рисовский 1927 год). Пенетрантность – количество особей (%), проявляющих в фенотипе данный ген, по отношению к количеству особей, у которых этот признак мог бы проявиться. Пенетрантность свойственна проявлению многих генов. Важен принцип – «все или ничего» - либо проявляется, любо нет.

Наследственный панкреатит – 80%

Вывих бедра – 25%

Пороки развития глаз

Ретинобластома – 80%

Отосклероз – 40%

Колотокома – 10%

Хорея Гентингтона проявляется в непроизвольном подергивании головы. Конечностей, постепенно прогрессирует и приводит к смерти. Может проявиться в раннем постэмбриональном периоде, в зрелом возрасте или не проявиться вообще. И экспрессивность, и пенетрантность поддерживаются естественным отбором, т.е. гены, контролирующие патологические признаки могут иметь разную экспрессивность и пенетрантность: заболевают не все носители гена, а у заболевших степень проявления будет различна. Проявление или неполное проявление признака, а так же его отсутствие зависит от среды и от модифицирующего действия других генов.

1919 год Бриджес ввел термин ген-модификатор . Теоретически любой ген может взаимодействовать с другими генами, а значит, и проявлять модифицирующее действие, но некоторые гены – модификаторы в большей степени. Они часто не имеют собственного признака, но способны усиливать или ослаблять проявление признака, контролируемого другим геном. В формировании признака кроме основных генов проявляют свое действие и модифицирующие гены.

Брахидактилия – может быть резкая или незначительная. Помимо основного гена, есть еще модификатор, который усиливает эффект.

Окраска млекопитающих – белая, черная + модификаторы.

Ген может действовать плейотропно (множественно), т.е. опосредовано влиять на течение разных реакций и развитие многих признаков. Гены могут оказывать влияние на другие признаки на разных стадиях онтогенеза. Если ген включается в позднем онтогенезе, то оказывается незначительное действие. Если на ранних стадиях – изменения более значительны.

Фенилкетанурия. У больных есть мутация, которая выключает фермент – фенилаланин – гидролазу. Поэтому фенилаланин не превращается в тирозин. В результате в крови количество фенилаланина повышается. Если выявить эту патологию рано (до 1 месяца) и перевести ребенка на другое питание, развитие идет нормально, если позднее – понижен размер головного мозга, умственная отсталость, не развиваются нормально, отсутствует пигментация, умственные способности минимальны.

Плейотропность отражает интеграцию генов и признаков.

У человека есть патологический ген, приводящий к синдрому Фанкони (порок развития или отсутствие большого пальца, порок или отсутствие лучевой кости, недоразвитие почки, коричневые пигментные пятна, нехватка кровяных телец).

Есть ген, связанный с Х-хромосомой. Невосприимчивость к инфекциям и нехватка кровяных телец.

Доминантный ген, сцепленный с Х-хромосомой – пилонефрит, лабиринтная тугоухость.

Синдром Марфани – паучьи пальцы, вывих хрусталика глаза, пороки развития сердца.

Полимерия . Если гены располагаются, каждый в своем отдельном локусе, но их взаимодействие проявляется в одном и том же направлении – это полигены. Один ген проявляет признак незначительно. Полигены дополняют друг друга и оказывают мощное действие – возникает полигенная система – т.е. система является результатом действия одинаково направленных генов. Гены подвергаются значительному влиянию главных генов, которых более 50. полигенных систем известно множество.

При сахарном диабете наблюдается умственная отсталость.

Рост, уровень интеллекта - определяются полигенными системами

Комплементарность – явление, при котором 2 неаллельных гена. Находясь в генотипе, одновременно приводят к формированию нового признака. Если присутствует один из пары – проявляется он.

Примером служат группы крови у человека.

Комплементарность может быть доминантная и рецессивная.

Для того чтобы человек имел нормальный слух, необходимо чтобы работали, согласовано многие гены, и доминантные и рецессивные. Если, хотя бы по одному гену он будет гомозиготен по рецессиву – слух будет ослаблен.

Эпистаз – такое взаимодействие генов, когда ген одной аллельной пары маскируется действием другой аллельной пары. Это обусловлено тем, что ферменты катализируют разные процессы клетки, Когда на одном метаболическом пути действуют несколько генов. Действие их должно быть согласовано во времени.

Механизм: если В выключится, он замаскирует действие С

В – эпистатический ген

С – гипостатический ген

Макьюсик :

Соотношение между генотипом и фенотипом такое, как между характером человека и его репутацией: генотип (и характер) – внутренняя суть индивидуума, фенотип (и репутация) – это то, каким он выглядит или представляется окружающим».

В предыдущих главах вкратце рассмотрены основные задачи генетики и фундаментальной селекции растений и различия между растениями-самоопылителями и перекрестниками. Показано, что ген - это основная единица наследственности, определяющая границы и направление развития определенного процесса и, в конце концов, определенного признака. Однако селекция ведется не на ген или гены, а на определенный признак, на фенотип. Поскольку для селекции живых организмов важнейшим является то, что передается по наследству, необходимо выявить связи между телом и признаком, между генотипом и фенотипом, а также между генотипом и факторами окружающей среды.

Признак

В генетике, а тем более в селекции организмов понятие признак, или особенность, употребляют для того, чтобы показать объективные различия между особями, вернее между сортами. Так, отличительными являются признаки окраски цветка (красная или белая), высоты стебля (высокий или низкий), устойчивости к болезням (устойчив или неустойчив), урожайности (высокоурожаен или низкоурожаен) и т.д.

Таким образом, проявление признака, или особенности, есть определенная характерная черта фенотипа. Любая особь, любой генотип обладают огромным числом признаков, границы которых, однако, не всегда легко установить. Поэтому генетик воспринимает признаки несколько иначе, чем селекционер, селекционер - иначе, чем биохимик, и т.д.

В основе любого признака лежит отдельный ген или комплекс генов, которые определяют границы развития самого признака. В этом и заключена генетическая сторона признака, т.е. то, что определяет генотип. Кроме того, формирование каждого признака - это закономерный результат действия факторов внешней среды, которые всегда варьируют и модифицируют сам признак. Йогансен установил, что как фенотип представляет собой конечный продукт проявления общего действия генотипа и среды обитания, так и любой признак обусловлен влиянием генетических факторов и факторов окружающей среды. Доля наследуемого, или генетического компонента, как и доля ненаследуемого, или экологического компонента, обусловленного средой, различна для любого определяемого признака, и установить ее всегда нелегко. Для селекции в первую очередь важное значение имеет генетический компонент признака, т.е. тот, который передается по наследству потомству. Это особенно характерно для количественных признаков, имеющих в большей или меньшей мере скрытую изменчивость, которая обнаруживается вследствие влияния условий среды обитания и не наследуется.

Например, на человека постоянно производит впечатление крупность колосьев, початков или плодов растений, находящихся в крайних рядках делянки, и он не может удержаться, чтобы не отобрать их. На следующий год потомство этих «лучших» растений, как правило, уступает потомству растений, отобранных из срединных рядков делянки. Следовательно, произошел отбор модификаций, появившихся под влиянием более благоприятных условий вегетации, повышенной фотосинтетической активности и т.д., что относится к ненаследственной изменчивости, не передающейся потомству. Степень контроля генетического компонента изменчивости в ходе отбора на какой-то признак зависит от количества генов, определяющих данный признак, их эффекта и от силы влияния факторов среды.

Признаки, обусловленные главными генами, или генами с мощным эффектом, т.е. окраска цветков и плодов, форма цветков, листьев, плодов, зерен и т.д., обычно легко различить на глаз, и в результате потомство чаще всего характеризуется отобранным признаком. Однако, если главный ген обладает доминантным эффектом, одинаковые фенотипы не должны иметь тождественный генотип. Например, отобраны два растения с красной окраской цветков, т.е. одного и того же фенотипа. В потомстве одного растения все особи имеют красную окраску, в потомстве другого получены растения и с красной, и с белой окраской цветков. Это значит, что первое растение было гомозиготным (СС), а второе - гетерозиготным по красной окраске (Сс).

Если речь идет о большом количестве генов, обусловливающих проявление одного признака, то одинаковые фенотипы могут содержать различные гены. Например, у одних сортов тыквы признак округлой формы плода обусловлен действием генов ААbb, у других - действием генов ааВВ. Существует множество других типов взаимодействия генов в детерминировании разных признаков, о чем говорилось в главе об источниках изменчивости.

Как несколько генов могут обусловливать развитие одного признака, так и один единственный ген может оказывать влияние на несколько признаков. В последнем случае имеются в виду гены с плейотропным, или многосторонним действием, например ген фиолетовой окраски стебля и чашелистиков у Primula sinensis и других растений.

Кратчайший путь между первичным действием гена и его конечным выражением в фенотипе несложно пронаблюдать на взаимоотношении ген - признак. Серповидная анемия человека - следствие замены одного основания в кодоне (GAA на GUA); вместо глутаминовой кислоты в B-цепь в положение 6 включается валин, и это обусловливает изменение гемоглобина. В данном случае налицо прямая связь между геном и признаком. Однако у огромного числа признаков, особенно тех, с которыми работает селекционер, от первичного действия гена до его выражения в признаке генотипа проходит весьма длительный процесс, и приводит он к взаимодействию с другими генами, часть которых оказывает влияние в одной, а часть - в другой фазе развития признака и организма как единого целого. Если к этой совокупности эффекта гена добавляется эффект факторов среды, модифицирующих действие гена, то возникновение связи между геном и признаком заметить всегда трудно. Во всяком случае, это нелегко в отношении таких количественных признаков, как содержание белка, масса плода, урожай зерна и т.д.

Собственно говоря, с точки зрения количественных показателей понятие «признак» представляет в большей мере агрономическую или селекционную, нежели генетическую, категорию. Кроме того, к признаку, имеющему хозяйственно важное значение, все чаще и чаще приходится подходить комплексно. Действительно, урожай можно рассматривать сейчас не как отдельно взятый признак, а как совокупность признаков. Урожай зерна пшеницы и других зерновых культур состоит из таких структурных элементов, как число растений (колосьев) на 1 м2, число зерен в колосе и абсолютная масса зерна. Каждый из этих элементов можно рассматривать как отдельно взятый признак, но вместе они дают конечный продукт - урожай зерна. Матер и Джинкс называют эти элементы структуры урожая подпризнаками, а сам урожай зерна - сверхпризнаком.

Эффект гена и факторов окружающей среды обусловливает непрерывную изменчивость признака. Поэтому, если нельзя отличить генетическую изменчивость от негенетической, следует всегда проводить только испытание по потомству. Кроме того, необходимы определенные эксперименты, позволяющие установить в суммарной фенотипической изменчивости взаимодействие между генами и взаимодействие генов с окружающей средой.

Фенотип и компоненты фенотипической изменчивости

Количественный признак фенотипа устанавливают путем измерения. Следовательно, полученное его значение представляет собой фенотипическую ценность анализируемых особей, т.е. это совокупная ценность, состоящая из генотипической ценности особи и отклонений, вызванных действием факторов окружающей среды. Выразить ее можно следующим образом:

F (фенотип) = G (генотип) + Е (влияние экологических факторов).

Отдельные особи объективно различаются по фенотипической ценности. Эти различия обусловлены наличием генетических различий между данными особями, влиянием факторов среды и взаимодействием между генотипом и факторами среды. Таким образом, фенотипическая ценность изменчива и состоит из компонентов, которые можно установить путем анализа вариансы. Так, фенотипическая изменчивость включает генотипическую изменчивость, изменчивость, вызванную влиянием факторов окружающей среды (экологическую изменчивость), и их взаимодействие:

Источник генотипической изменчивости (VG) заключен в генетической конституции самого количественного признака. Если гены обнаруживают аддитивный эффект, то при замене одного из них генотипическая ценность такого признака будет или увеличиваться, или уменьшаться. Например, если ценность A1A1 равна 6 см, A1A2 - 7 см и A2A2 - 8 см, то это означает, что присутствие гена A2 является причиной изменения на 1 см. Отдельные гены могут даже обладать доминантностью, но присутствие одного аллеля может вызвать увеличение значения генотипической ценности. В таком случае генотип A1A2 будет иметь ценность, равную не 7, а 8 см. Возможно также взаимодействие между различными аллелями, или так называемый эпистаз. Допустим, что Аа обладает аддитивным эффектом, действуя вместе с ВВ, но с bb обнаруживает доминантность. Это указывает на наличие генотипической изменчивости, определяемой компонентами, которые можно выразить следующим образом:

Следовательно, генотипическая варианса включает вариансы с аддитивным и доминантным действием генов и с взаимодействием между ними, т.е. фенотипическая изменчивость состоит из:

Величины значений отдельных компонентов вариансы оценивают в экспериментах. Если все особи имеют один и тот же генотип, то изменчивость, устанавливаемую в эксперименте, можно отнести за счет влияния факторов среды. Сходные генотипы могут быть самоопылителями или инбредной линией, которая практически гомозиготна. Поколение F1 полученное от скрещивания двух самоопыленных линий, генетически однородно, хотя и гетерозиготно. Поэтому вариансы родительских форм и F1 могут быть использованы в качестве мерила экологической вариансы (VE).

Для разложения генотипической вариансы на отдельные компоненты используют вариансу F2 и поколения возвратных скрещиваний. Одним из первых этот способ разработал Матер. Поскольку в F2 происходит расщепление по признакам, варианса этого поколения включает вариансу каждого генотипа, а также вариансу, возникшую под действием факторов среды. Например, при наличии только одной пары генов (A1 и A2) в F2 появляются три генотипа в соотношении:

Каждый из этих генотипов обладает генотипической ценностью, которая представляет собой некоторое отклонение от средней для всего родительского поколения:

Подставив эти значения в вышеприведенное соотношение, получим следующую среднюю ценность F2:

Варианса любого генотипа равна квадрату отклонения от средней ценности, помноженной на ее частоту f(x-x)2, следовательно, суммарная варианса F2 составляет:

Если а2 заменить буквой A, a d - буквой D и добавить компонент вариансы, полученной под влиянием среды (Е), то окажется, что итоговая варианса F2 равна:

Эти компоненты фактически представляют собой вариансы аддитивности (VA), доминантности (VD) и влияния среды (VE). Таким образом, компоненты вариансы родительского поколения (Р1, Р2) и поколений, в которых чаще всего проводят оценки (F1 и F2), а также вариансы возвратного скрещивания с первым (B1) и вторым (В2) родителями можно выразить следующим образом:

Способ расчета компонент вариансы можно рассмотреть на примере наследования числа колосков в колосе при скрещивании мексиканского сорта пшеницы Siete Cerros и советского сорта Безостая 1 (табл. 6.1). Прежде всего вычисляют вариансу действия факторов среды, которая включает вариансы поколений родителей и F1:

Если значение Е (0,60) вычесть из значения суммарной вариансы F2 (1,34) и значение 2Е (2x0,60) - из средней вариансы возвратных скрещиваний (2x0,98), остаются только вариансы аддитивности и доминантности:

Подставив полученное значение в верхнюю часть уравнения, можно вычислить значение D:

Таким образом, суммарная изменчивость в F2 состоит из следующих компонентов:

Данный анализ показывает, что в F2 по признаку числа колосков в колосе существует значительная генетическая изменчивость (53,7 + 1,5) в отличие от экологической изменчивости (44,8%); это является результатом генетических различий между сортами Siete Cerros и Безостая 1 (табл. 6.1). Более того, наибольшая доля генетической изменчивости приходится на аддитивное действие генов (53,7%) и очень малая - на доминантное (1,5%). Приведенный пример - самый простой способ вычисления компонентов в генетической изменчивости, при котором определяют вариансу межаллельных взаимодействий (эпистаз), чаще наблюдаемых у количественных признаков.

Сложные формулы биометрической генетики по моделям Матера и Джинкса и других авторов приведены в соответствующей литературе. Компоненты генетической изменчивости вычисляют также на основе диаллельных скрещиваний по методу Джинкса, Хеймана, Матера и Джинкса, с помощью которых в некоторой мере можно выявить взаимодействие аддитивного и доминантного эффектов гена. Хотя полученные значения касаются всех комбинаций, участвовавших в диаллельном скрещивании, пользы от этого мало, так как для селекции важна генетическая изменчивость каждой отдельно взятой комбинации скрещивания.

Наследуемость

Отбор проводится на основе фенотипической ценности, поэтому важно знать, с какой вероятностью отобранные фенотипы дадут тождественное потомство. Если значение генетической вариансы по определенному признаку велико, а значение экологической вариансы мало, можно ожидать, что потомство в немалой мере будет таким же, как и отобранные фенотипы. И наоборот, если генетическая варианса мала, а экологическая велика, потомство по ценности может значительно отличаться от отобранных фенотипов.

Сходство между родителями и их потомством в огромной степени зависит от компонентов генетической вариансы (VA + VD). Если речь идет об аддитивном компоненте генетической вариансы (VA), то здесь фенотипы родителей представляют собой надежные индикаторные признаки своих генотипов и, следовательно, дадут сходное потомство. При доминантном компоненте генетическая варианса (VD) будет давать отличное от родительских фенотипов потомство, и это зависит от характера межаллельного взаимодействия.

Соотношение между генотипической вариансой и суммарной фенотипической вариансой называется наследуемостью (Н, или h2) какого-то признака определенной популяции и обозначается:

Это наследуемость в широком смысле. Наследуемость в узком смысле - соотношение только между аддитивным компонентом генотипической вариансы и суммарной фенотипической вариансой:

Наследуемость по признаку числа колосков в колосе в проанализированном примере составляет:

т.е. показатель наследуемости относительно высок. Следовательно, генетические различия между родителями были велики, и в последующих поколениях с помощью отбора можно будет выделить генотипы с большим числом колосков (из сорта Безостая 1) и объединять их с генотипами, имеющими большое число зерен (из Siete Cerros). Но так как величина экологической изменчивости весьма значительна, то этого может быть достаточно, чтобы истинная ценность генотипов оказалась скрытой и произошел отбор модификаций, которые в следующем поколении не дадут растений с большим числом колосков.

Как уже было сказано, для успешного проведения отбора наибольшее значение имеет аддитивный компонент генетической изменчивости, названный поэтому селекционной ценностью. Фальконер считает, что наследуемость выражается в пригодности фенотипической ценности служить ориентиром селекционной ценности или же она отражает степень совпадения между фенотипической и селекционной ценностью.

Другие методы расчета наследуемости

Полнее всего, как показано выше, наследуемость после гибридизации рассчитывают по формулам Матера. Наследуемость в широком смысле можно также рассчитать только по F2, если допустить, что окружающая среда в одинаковой мере влияет и на поколение родителей, и на популяцию F2. Разница между средней ценностью варианс поколения родителей и F2 дает генотипическую вариансу. Наследуемость вычисляют по формуле:

Эту формулу применяют только для наследуемости в широком смысле, которая для показателя числа колосков в колосе составляет:

Если вместе с F2 и поколениями родителей в те же годы выращивают F1, то варианса F1 совместно с вариансами родительских поколений принимается за экологическую и вычитается из вариансы F2. Следует избегать использования вариансы F1, так как она часто обнаруживает сильный эффект супердоминантности и последовательного взаимодействия с окружающей средой, что почти всегда не находит своего отражения в F2.

Наследуемость можно рассчитывать и как регрессию селекционной ценности от фенотипической ценности:

а это означает, что коэффициент корреляции между селекционной ценностью (А) и фенотипической ценностью (F) равен наследуемости. Следовательно:

Выведение формул показано в учебниках Фальконера, Матера и Джинкса и других авторов.

Учитывая, что наследуемость отдельных признаков имеет огромное значение для генетической ценности отбора, о ней еще будет сказано в главе о методах селекции.

Взаимодействие генотип-среда в процессе селекции

Выше была рассмотрена роль компонентов генетической изменчивости и соотношения генетической и экологической изменчивости в выраженности одного единственного признака. Однако как между отдельными признаками и факторами окружающей среды, так и между генотипом как единым целым (особенно в отношении урожая) и факторами окружающей среды может произойти взаимодействие (VGE), что следует учитывать в ходе процесса селекции.

Создание новых сортов растений - обычно процесс длительный, и селекционный материал подвергается действию факторов окружающей среды на протяжении большого числа лет. На создание и передачу в производство нового сорта однолетних растений в среднем уходит около 10 лет, для многолетних растений - значительно больше.

Начиная с F2, проводят отбор фенотипов, у которых, как ожидается, произойдет рекомбинация генов с проявлением положительных агрономических признаков. Вследствие сильного ежегодного варьирования условий среды один год может быть благоприятным для испытаний на засухоустойчивость, второй - для оценки на устойчивость к низким температурам, третий - для испытаний на устойчивость к болезням и т.д. После 5-6 лет отбора можно ожидать, что материал, выдержавший все эти испытания, обнаружит широкую приспособляемость и она предохранит его от возникновения отрицательного взаимодействия генотип - сезон года. У такого материала трудно, но можно ожидать положительного использования им большинства благоприятных факторов среды, причем совсем не обязательно его урожайность должна быть на самом высоком уровне. Кроме того, вполне возможно, что повторные испытания будут проходить в поколениях расщепления, когда значительная часть материала еще гетерозиготна. Позже, в процессе формирования линий, их отбор проводят даже при отсутствии низких температур, засухи или болезней; лишь при широком использовании этих линий в производстве они обнаруживают ранее неустановленные недостатки.

Поэтому, чтобы не зависеть от нерегулярности лимитирующих факторов окружающей среды, в процессе отбора принято создавать искусственные условия (используя теплицы, фитотроны, лаборатории) и материал в поколениях расщепления, а также первоначально отобранные растения и линии испытывать на устойчивость к низким температурам (в условиях Югославии до -15°С), на засухоустойчивость, устойчивость к болезням и т.д. Для более полной проверки влияния климата и патогенных организмов значительное число селекционных учреждений выращивает материал в расщепляющихся поколениях и проводит отбор по крайней мере в двух различных географических районах, что в немалой степени может заменить сезоны года. Все эти испытания снижают возможность возникновения риска от неблагоприятного взаимодействия генотип - окружающая среда.

О взаимодействии генотип - среда будет более подробно рассказано в главе о приспособляемости и стабильности сортов.

Изменчивость - способность организмов при­обретать новые или утрачивать прежние при­знаки или свойства. Изменчивость обеспечивает способность организма адаптироваться и сущес­твовать в различных жизненных формах, порож­дая колоссальное многообразие живого.

Индивидуальную изменчивость легко обнару­жить у организмов любых видов, стоит лишь под­вергнуть их тщательному обследованию. В челове­ческих популяциях наблюдается изменчивость по характерным чертам лица, цвету и форме волос, пигментации кожи, телосложению, росту, весу, группам крови и т.д. На современном этапе к ос­новным видам изменчивости относят генотипическую (передаваемую по наследству) и фенотипическую (не наследственную) изменчивость.

Физическое и психическое состояние человека, его умственное здоровье зависят от взаимодейст­вия на протяжении всей его жизни особенностей, унаследованных человеком, и факторов внешней среды. Ни наследственность, ни среда не являются неизменными. Нет, не было и не будет двух совер­шенно одинаковых наборов генов (за исключени­ем пары однояйцевых близнецов), и не найдется и двух одинаковых людей, проживших жизнь в одинаковых условиях. Цель науки состоит в том, что-бы определить условия среды, в которой любой ге­нотип будет развиваться нормально. Достижение этой цели затруднено, так как не может существо­вать условий среды, одинаково оптимальных для всех типов наследственности.

11.1. Онтогенетическая изменчивость

Разновидностью фенотипической изменчивос­ти является онтогенетическая изменчивость, кото­рая связана с определенной схемой развития ор­ганизма в процессе онтогенеза, при этом генотип не претерпевает изменений, а фенотип меняется в соответствии с каждым этапом развития, благо­даря морфогенезу и дифференцировке клеток. Морфогенез - это возникновение новых структур на каждом этапе развития, определяемое генети­ческим аппаратом клеток, может осуществляться благодаря контактным и дистантным межклеточ­ным взаимодействиям, которые контролируют этот процесс. В случае нарушений морфогенеза возни­кают тератомы (уродства), в том числе и новообра­зования (см.раздел 6.4). Поскольку эти механиз­мы связаны с «включением» и «выключением» ге­нов, изменчивость этого рода называется - «па-рагеномная», «эпигенетическая», «эпигенотипичес-кая» или «эпигеномная».

Порядок изменений нарушаться не может (вы­пасть или перескочить), т.к. схема развития опреде­лена геномом. Например, один и тот же человек в разные периоды своей жизни выглядит по-разному.

Фенотипическое проявление любого признака обусловлено, в конечном счете, результатом взаи­модействия генов и средовых факторов. Существуют две формы изменчивости: дискретная и не­прерывная. При дискретной изменчивости четко вы­ражены фенотипы, а промежуточные формы от­сутствуют (например, группы крови у человека, резус-фактор).

Признаки, для которых характерна дискрет­ная изменчивость, обычно контролируются одним или двумя генами, и внешние условия мало влия­ют на их фенотипическую экспрессию. Ее иногда называют качественной изменчивостью, посколь­ку она ограничена четко выраженными призна­ками, в отличие от количественной непрерывной изменчивости. У человека примерами непрерыв­ной изменчивости могут быть линейные размеры тела, вес, колебания кровяного давления, рН кро­ви и т.д. Признаки, для которых характерна не­прерывная изменчивость, обусловлены, как прави­ло, совместным взаимодействием многих генов и факторов среды.

Генотип детерминирует любой фенотипический признак, но степень выраженности (экспрес­сия) этого гена зависит от средовых факторов. Не­прерывную фенотипическую изменчивость мож­но определить как «кумулятивный эффект» варьирующих факторов среды, воздействующих на вариабельный генотип. Что касается таких че­ловеческих качеств, как интеллект, поведение, тем­перамент, они зависят как от наследственных, так и средовых факторов. Именно эти различия со­здают фенотипическую индивидуальность у лю­дей. Согласно современным концепциям, именно взаимодействия генетической и средовой измен­чивости являются ведущими в формировании фенотипического разнообразия психологических и психофизиологических особенностей человека. Эта область исследований является пограничной меж­ду генетикой и психологией и в настоящее время обозначается как психогенетика. Исследование за­кономерностей генотип-средового взаимодействия и психологических закономерностей является пред­метом изучения психогенетики.

11.2. Модификационная изменчивость

Модификационная изменчивость отражает из­менение фенотипа под действием средовых условий, не затрагивающих генотип, но определяемых им.

Интенсивность модификационных изменений пропорциональна степени, силе и продолжитель­ности действия на организм фактора, ее вызыва­ющего.

Модифицирующие условия среды воздействуют на организм в чувствительные (критические) перио­ды развития, изменяя их течение. Отрезок времени, в течение которого можно вызвать модификацию определенного признака, называют модификационным периодом. На многие признаки можно вли­ять в течение длительного периода, а для других характерен определенный короткий чувствительный отрезок онтогенеза. Масштабы модификационной изменяемости ограничиваются обусловленной ге­нетически нормой реакции. В некоторые периоды развития модификации могут вообще не образовы­ваться. По способности развивать модификации при­знаки можно разделить на относительно стабиль­ные к среде и лабильные. Различают флуктуиру­ющую и альтернативную модификации, причем в последнем случае речь идет о сдвигах по качествен­ным признакам без переходов (см.раздел 11.3).

Фенотип индивидуума зависит в целом от гено­типа и факторов внешней среды, в которой он су­ществует. Даже в тех случаях, когда различия меж­ду признаками являются чисто генетическими, то для выявления этих признаков необходимы опре­деленные условия внешней среды, и наоборот, раз­личия, обусловленные исключительно факторами среды, касаются признаков, определяемых генети­чески. Например, у жителей высокогорья уровень гемоглобина и эритроцитов в крови значительно выше (на 30%), чем у жителей равнин. Однако спо­собность к изменению числа эритроцитов в зави­симости от парциального давления кислорода обус­ловлена генетически. В большинстве случаев раз­личия между индивидуумами определяются дву­мя группами факторов - генетическими и средовыми. Различия в росте обусловлены генетически, но они подвержены также и влиянию внешней сре­ды. Рост существенно зависит от питания, клима­тических условий и т.д. В таких случаях приходит­ся анализировать то, что Добжанский назвал «нор­мой реакции» организма, определив ее как «пол­ный спектр, весь репертуар различных путей раз­вития, которые могут выявиться у носителей дан­ного генотипа в любой среде». Наследственная ос­нова модификаций связана с генотипически обус­ловленной нормой реакции.

Норма реакции - пределы, в которых возмож­но варьирование (изменение) проявления признака данного генотипа. Иначе говоря, организм насле­дует не признак, как таковой, а способность фор­мировать определенный фенотип в конкретных условиях среды.

Для характеристики модификаций пользуют­ся статистическими показателями: среднее арифметическое, коэффициент вариации, дисперсия, а также используют графическое построение вариа­ционной кривой для характеристики варьирующе­го признака. Модификационная (вариационная) кривая - кривая, параметры которой характери­зуют количественный признак и его вариацию. За­кономерность этой кривой заключена в том, что чем меньше отдельные значения отклоняются от средней, тем чаще они встречаются, и наоборот.

Модификационный размах - широта модифи-кационных изменений признака или организма, характеризующаяся по крайним отклонениям от среднего проявления признака.

Мерой, характеризующей роль факторов на­следственности и среды в определении фенотипической вариабельности, является наследуемость. Наследуемость (Н) - обозначает ту часть общей фенотипической изменчивости, которая обусловле­на генетическими различиями (Lush, 1943). В при­менении к человеку анализ взаимодействия генети­ческих факторов и факторов внешней среды прово­дить, как это делают в популяциях животных и растений, невозможно. Наиболее адекватным яв­ляется близнецовый метод, который позволяет оце­нить относительную роль каждой группы факто­ров в возникновении различий между индивиду­умами (см.раздел 13.3).

11.3. Фенокопии и морфозы

Характер изменений, вызываемых двумя груп­пами факторов, часто бывает сходным: фактор внешней среды и аномальные гены вызывают по­рой сходные эффекты. Например, у женщин, пере­несших краснуху на ранних стадиях беременности,

часто родятся глухонемые дети или дети с врож­денной катарактой. Фенотипы этих отклонений не отличимы от соответствующих генетических анома­лий. Такие изменения относят к фенокопиям.

Фенокопия - изменение признака под влияни­ем внешних факторов в процессе его развития, зависящего от определенного генотипа, ведущего к копированию признаков, характерных для дру­гого генотипа или его отдельных элементов. Та­кие изменения вызваны факторами внешней сре­ды, однако их фенотип напоминает (копирует) про­явление наследственных синдромов. Возникшие фе-нотипические модификации не наследуются (гено­тип не изменяется). Фенотипическая идентичность эффекта мутаций и фенокопии не всегда указыва­ет на прямую связь между действием внешних усло­вий и данной мутацией, т.к. развитие признака идет через ряд связанных между собой звеньев. Конеч­ный фенотипический эффект может не зависеть от того, какое из звеньев цепи было выключено или изменено. Установлено, что возникновение феноко­пии связано с влиянием внешних условий на опреде­ленную ограниченную стадию развития (воздейст­вия до или после прохождения такой чувствитель­ной фазы не приводят к развитию фенокопии). Бо­лее того, один и тот же агент в зависимости от того, на какую фазу он действует, может копировать разные мутации, или же одна стадия реагирует на один агент, другая на другой. Для вызывания од­ной и той же фенокопии могут быть использованы разные агенты, что указывает на отсутствие связи между результатом изменения и воздействующим фактором. Относительно легко воспроизводятся сложнейшие генетические нарушения развития, тог­да как копировать признаки значительно труднее.

Это указывает на то, что легче изменить вторич­ные реакции, чем повлиять непосредственно на дей­ствие гена.

Примером проявления фенокопий могут слу­жить заболевания, приводящие к кретинизму, кото­рые могут обусловливаться наследственными и сре-довыми (в частности, отсутствием йода в рационе ребенка, независимо от его генотипа) факторами.

В подавляющем большинстве случаев моди­фикации представляют собой полезные для орга­низмов приспособления, т.к. являются основой ме­ханизмов адаптации, но в ряде случаев они не имеют приспособительного значения, представляя собой аномалии и уродства. Такие модификации называются морфозами.

Морфозы - это изменения фенотипа вследст­вие реакции организма на факторы внешней сре­ды, которым особи в нормальных условиях жизни подвергаются редко или вообще не подвергаются: обычно организм к таким воздействиям не адап­тируется. Типичные морфозы связаны с воздействи­ем различных химических веществ (хемоморфозы) или радиацией (радиоморфозы). Модификации, в отличие от морфозов, являются адаптивными ре­акциями на внешние воздействия. Модификации не нарушают нормальной жизнедеятельности ор­ганизма и отношений организма со средой.

11.4. Экспрессивность, пенетрантность

Термины «пенетрантность» и «экспрессив­ность» были предложены Тимофеевым-Ресовским в 1927 г.

Пенетрантность характеризуется частотой или

вероятностью проявления аллеля определенного гена и определяется процентом особей популяции, у которых он фенотипически проявился. Различа­ют полную (проявление признака у всех особей) и неполную (у части) пенетрантность. Количествен­но пенетрантность выражается долей особей в про­центах, у которых данный аллель проявляется. Так, например, пенетрантность врожденного вывиха бедра у человека составляет 25%, это указывает на то, что лишь у 1/4 генотипов, несущих определен­ный ген, проявляется его фенотипический эффект.

В основе неполной пенетрантности лежит вза­имодействие генетических и средовых причин. Зна­ние пенетрантности определенных аллелей необ­ходимо в медико-генетическом консультировании для определения возможного генотипа «здоровых» людей, в роду которых встречались наследствен­ные болезни. К случаям неполной пенетрантнос­ти можно отнести проявления генов, контролиру­ющих ограниченные полом и зависимые от пола признаки (см. раздел 10.4).

Экспрессивность (англ. expressivity) - степень фенотипического проявления гена, как мера силы его действия, определяемая по степени развития признака. Экспрессивность у обоих полов может быть одинаковой или различной, постоянной или варьирующей, если выраженность признака при одинаковом генотипе колеблется от особи к особи. При отсутствии изменчивости признака, контроли­руемого данным аллелем, говорят о постоянной экспрессивности (однозначная норма реакции). Например, аллели групп крови АВО у человека практически имеют постоянную экспрессивность. Другой вид экспрессивности - изменчивая или ва­риабельная. В основе лежат различные причины:

влияние условий внешней среды (модификации), генотипической среды (при взаимодействии генов).

Степень экспрессивности оценивается количес­твенно с помощью статистических показателей. В случаях крайних вариантов изменения экспрессив­ности (полное отсутствие признака) используют до­полнительную характеристику - пенетрантность. Хорея Гентингтона может служить примером не­полной пенетрантности и варьирующей экспрес­сивности проявления доминантного гена. Возраст первого появления хореи Гентингтона разнообра­зен (табл. 11.1). Известно, что у некоторых носите­лей она так и не проявится (неполная пенетрантность), кроме того, этот ген имеет варьирующую экспрессивность, так как носители заболевают в различном возрасте.

Б) ДНК неравномерно распределяется между дочерними ядрами.

В) репликация ДНК не всегда происходит. Г) закономерно идут процессы редупликации ДНК

Д) образуются дочерние клетки с одинаковыми наследственными признаками

Е) не обеспечивают равномерного распределения генетического материала между дочерними клетками.

7. Установите последовательность этапов митотического цикла, начиная с митоза:

А) Удвоение ДНК Б) Удвоение хромосом

В) Происходит накопление питательных веществ, энергии, синтез АТФ

Г) образование и восстановление необходимого числа органоидов

Д) образование материнской звезды, неполное обособление сестринских хроматид друг от друга Е) конденсация хроматина, и образование хромосом

Ж) деконденсация хромосом, формирование ядерной оболочки, цитотомия

8. Установите последовательность соотношения хромосом и ДНК в митозе:

А) 2п2с Б) 4п4с В) 2п4с

9. Установите последовательность уровней структурной организации хромосом, начиная с наименьшей:

А) конденсированный участок хромосомы

Б) серии петельных доменов

В) двойная спираль ДНК

Г) метафазная хроматида (хромосома)

Д) нуклеосомная нить

Ж) хроматиновая фибрилла
10. Установите соответствие между правилом хромосом и его характеристикой:

11.Установите соответствие между тканями и их характеристикой:

12. Установите соответствие между типом клеток и их митотической активностью

Эталоны ответов:

Часть 1

	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
0		б	г	г	б	в	а	в	в	в
1	а	в	в	а	б	в	а	б	а	г
2	б	в	б	а	г	в	б	б	в	в
3	а	б	г	б	а	в	в	б	а	в
4	а	в	а	а	г	б	б	в	в	б
5	а	б	г	в	г	б	г	г	а	д
6	г	г	б	г	в	в	а	а	а

Часть 2

	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
0		АБГ	БГД	АБД	АГД	БГД	БВЕ	ЕДБЖГАВ	ВБА	ВДБАЖГ
1	БАГВ	ВБА	АБВБВ

Дата _________________
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

Тема: Аллельные гены, их взаимодействие. Множественные аллели.
Цель занятия:

• 
  установить характер и тип наследования признаков у человека, их моно – или полигенность, влияния факторов среды на их проявление.
• 
  знать наследование наследственных заболеваний у человека

Задачи занятия:

• 
  изучить основные генетические понятия и закономерности наследования признаков при моногибридном скрещивании;
• 
  решать задачи на разные типы взаимодействия аллельных генов

Генетика - раздел общей биологии, предметом изучения которого являются фундаментальные свойства живого – наследственность и изменчивость. Основоположником генетики является

Г.Мендель, который сформулировал основные закономерности наследования. Функциональной единицей наследственного материала является ген. Большинство признаков контролируется совместным действием многих генов. Система взаимодействующих генов образует генотип особи, реализация которого зависит от конкретных условий окружающей среды. Различают взаимодействие аллельных и неаллельных генов. Аллельные гены - это гены, которые занимают одинаковые локусы (место) в гомологичных хромосомах.
Тесты контроля итогового уровня знаний (ответить на вопросы, предложенные преподавателем).
ВАРИАНТ №

1 _______ 6 _______

2 _______ 7 _______

3 _______ 8 _______

4 _______ 9 ________

5 _______ 10_______ Количество баллов: _______
Вопросы для самоподготовки:

1. Аллельные гены, виды взаимодействия аллельных генов. Гибридологический анализ взаимодействия аллельных генов.

2. Формирование признаков и фенотипический эффект в 1 и 2 поколениях в случаях: доминирования, неполного доминирования, сверхдоминирования, рецессивного наследования. Приведите примеры наследования признаков у человека.

3. Множественный аллелизм. Наследование групп крови по системе АВО.

4. Явление кодоминирования. Наследование IV группы крови по системе АВО и группы крови L M L N по аллелям М и N.

5. Аллельные исключения.

6. Межаллельная комплементация. Формирование нового признака у гетерозигот. Фенотипический эффект.

7. Особенности плейотропного действия, привести примеры наследования плеотропных признаков у человека.

8. Пенетрантность и экспрессивность в проявлении признаков.

Литература:

1. 
   Биология под ред. проф. В.Н.Ярыгина, Москва «Высшая школа», 1984г стр.66-83, 87-99, 103.
2. 
   Биология под ред. проф. В.Н.Ярыгина, Москва «Высшая школа»,1987г. стр.184-188.
3. 
   Биология под ред. проф. В.Н.Ярыгина, Москва «Высшая школа», 1997г. стр.90, 163-171, 222, 223, 240, 241, 246-253, 367, том№1
4. 
   Биология, А.А. Слюсарев, С.В.Жукова, Киев,1987г стр.75-79.

Основные термины по теме:

Аллель _________________________________________________________________________

Аллельное исключение _________________________________________________________

Аллельные гены _______________________________________________________________

Альтернативные (контрастные) признаки__________________________________________

Ген __________________________________________________________________________

Геном________________________________________________________________________

Генотип _____________________________________________________________________

Гетерозиготы__________________________________________________________________

Гибриды_____________________________________________________________________

Гипотеза чистоты гамет ________________________________________________________

Гомозиготы___________________________________________________________________

Закон доминирования _________________________________________________________

Закон расщепления ____________________________________________________________

Кодоминантные аллели_________________________________________________________

Кодоминирование _____________________________________________________________

Локус ________________________________________________________________________

Межаллельная комплементация __________________________________________________

Множественный аллелизм ______________________________________________________

Наследование _________________________________________________________________

Наследственность______________________________________________________________

Неполное доминирование _______________________________________________________

Пенетрантность _______________________________________________________________

Плейотропия__________________________________________________________________

Полное доминирование _________________________________________________________

Сверхдоминирование __________________________________________________________

Фенотип _____________________________________________________________________

Чистые линии_________________________________________________________________

Экспрессивность _____________________________________________________________

Ход работы:

Решение задач на разные типы взаимодействия аллельных генов.

Задание №1. Полное доминирование.

Полное доминирование – взаимодействие аллельных генов, при котором фенотипическое проявление доминантного гена не зависит от другого аллельного гена. Полное доминирование наблюдается в том случае, когда доминантный аллель полностью подавляет рецессивный.

Поэтому гомозиготы АА и гетерозиготы Аа имеют одинаковый доминантный признак в фенотипе. В данном случае развитие признака не зависит от количества т.е. дозы доминантных генов в зиготе, достаточного одного доминантного гена из пары аллелей А_ в генотипе для реализации доминантного признака. При полном доминировании в F 1 все особи единообразны с доминантным признаком. В F 2 в моногибридном скрещивании при явлении полного доминирования происходит расщепление по фенотипу в отношении 3:1 на два фенотипических класса.

У человека по типу полного доминирования наследуются признаки: праворукость, полидактилия, синдактилия, брахидактилия, положительный резус-фактор , рахит.

Пример : шестипалость (полидактилия) наследуется как аутосомный доминантный признак. Какова вероятность проявления этого признака у детей от отца гетерозиготного по данному гену и матери не имеющей этой аномалии

Ответ : вероятность проявления полидактилии у детей равна 50%.

Решение:

Р: ♂ Аа х ♀ аа

F 1: Аа, аа

1. Миоплегия (периодические параличи) наследуется доминантно. В семье, где жена здорова, а муж болен миоплегией, родился здоровый ребенок. Какова вероятность рождения следующего здорового ребенка.
2. Аниридия (отсутствие радужки) наследуется как аутосомный доминантрый признак. Какова вероятность рождения здоровых детей в семье, где один из родителей страдает аниридией, а другой нормален, если известно, что у больного родителя эту аномалию имел только отец.
3. Альбинизм наследуется у человека как аутосомный рецессивный признак. В семье, где один из супругов альбинос, а другой нормален, родились двуяйцовые близнецы, один из которых нормален, а другой альбинос. Какова вероятность рождения следующего ребенка – альбиноса.

4. Ахондроплазия (карликовость) передается как доминантный аутосомный признак. В семье, где оба супруга страдают ахондроплазией, родился нормальный ребенок. Какова вероятность того, что следующий ребенок тоже будет нормальным.

Задание №2. Явление доминирования не исключает все случаи взаимодействия аллельных генов. Существуют взаимодействия по типу: неполного доминирования, кодоминирования, сверхдоминирования, аллельные исключения.

Неполное доминирование.

Неполное доминирование – взаимодействие аллельных генов, при котором у гетерозигот – Аа признак проявляется в промежуточном значении. Развитие признака зависит от дозы соответствующего аллеля (действие гена дозировано). Доминантный аллель (А ) присутствует в организме гетерозигот (Аа ) в одном экземпляре, он обеспечивает развитие соответствующего признака до известного количественного предела. Увеличение «доз» доминантного аллеля – (А ) в гомозиготном состоянии (АА ) даёт нарастание количества фенотипического проявления признака. Гомозиготы - АА имеют доминантный признак. В F 1 все особи гетерозиготы « Аа» единообразны по фенотипу, имеют в фенотипе промежуточный признак. При неполном доминировании во втором поколении моногибридного скрещивания наблюдается одинаковое расщепление по генотипу и фенотипу в соотношении 1:2:1 на три генетических и фенотипических класса (АА:2Аа:аа).

Могут существовать и другие механизмы неполного доминирования.

Рассмотрим это на примере серповидно-клеточной анемии . Это наследственная гемоглобинопатия, наследуется по аутосомно-рецессивному типу. Причиной заболевания служит патологический ген «а», формирующий аномальный гемоглобин (HbS), в молекуле которого вместо глутаминовой кислоты в 6-м положении ß-цепи находится валин. Генетический дефект - точечная генная мутация , происходит в структурном гене ДНК, кодирующим ß-цепи гемоглобина. Патологический гемоглобин получил название своё название S - гемоглобин от слова «sicsle» - серп, потому что эритроцит, несущий этот аномальный белок приобретает серповидную форму. Под микроскопом дефектные клетки крови имеют форму усечённого круга или форму полумесяца, в отличие от нормальных округлых клеток. За что эта форма гемоглобинопатии получила название серповидно-клеточной анемии. Гомозиготные особи (аа) умирают обычно до полового созревания, гетерозиготные (Аа) жизнеспособны, анемия у них чаше всего проявляется субклинически в лёгкой форме, АА - здоровы.
Гибридологический анализ:

ген	генотип	признак
А		Аллель,определяющий развитие нормального гемоглобина HbA
а		Аллель определяющий развитие аномального белка HbS
	АА	Здоровы, форма гемоглобина HbA, эритроциты нормальной формы
	Аа	Лёгкая форма анемии, имеются две формы гемоглобина HbA / HbS
	аа	Больные тяжёлой формой серповидноклеточной анемии, форма гемоглобина HbS, эритроциты деформированы в форме серпа

Гетерозиготные (Аа) носители гена гемоглобина S (HbA / HbS) на уровне моря имеют нормальную форму эритроцитов и нормальную концентрацию гемоглобина в крови (полное доминирование гена А над а). Но, на больших высотах (более 2,5-3 тыс. м), в холодное время года, при повышенной нагрузке, а также при полетах на самолете, в условиях гипоксии снижение кислорода у них появляются боли в суставах, сердце, брюшной полости, в области селезенки. У гетерозигот в изменяющихся условиях понижается концентрация нормального гемоглобина - HbA (но все же его содержание намного выше, чем у больных серповидноклеточной анемией - аа). Появляются аномальные эритроциты серповидной формы, наблюдается клиническое проявление анемии.

Этот пример показывает, что доминантность или неполное доминирование может зависеть не только от дозы доминантного гена в зиготе, но и от условий, в которых происходит реализация наследственного признака.

Пример : Определить вероятность рождения детей с разными фенотипами у гетерозиготных родителей, носителей гена серповидноклеточной анемии.

Решение: Р: ♂ Аа х ♀ Аа

G : А, а А, а

Ответ: вероятность рождения абсолютно здоровых детей – 25%, проявления заболевании в экстремальных условиях у взрослого потомства – 50%, летальная форма у 25% детей.
Решите задачи, используя пример.

3. Одна из форм цистинурии наследуется как аутосомный рецессивный признак. У гетерозигот наблюдается лишь повышение содержания цистеина в моче, а у гомозигот – образование цистиновых камней в почках. Определите возможные проявления цистинурии у детей в семье, где один супруг страдал этим заболеванием, а другой лишь повышенное содержание цистина в моче.
4. Семейная гиперхолестеринемия наследуется доминантно через аутосомы. У гетерозигот – высокое содержание холестерина в крови. У гомозигот, кроме того, развиваются доброкачественные опухоли кожи и сухожилий, атеросклероз. Определите возможную степень заболевания у детей в семье, где оба родителя имеют только высокое содержание холестерина в крови.
Задание 3. Множественный аллелизм. Кодоминирование.

Множественный аллелизм – присутствие в генофонде вида одновременно более двух аллелей одного гена. Большинство генов существует в виде двух вариантов аллелей. Но некоторые гены существуют в виде большего числа аллелей. Тогда в популяции имеется не два аллельных гена, а больше три, четыре до нескольких десятков. Такое явление называется множественным аллелизмом. Обозначаются множественные аллели одной буквой с указанием номера: А, а 1 , а 2 , а 3 , а 4. Возникают они в результате многократных генных мутаций одного локуса гена. Чем больше аллельных генов, тем больше их комбинаций попарно. Они дают намного больше генотипов (Аа 1 , Аа 2 , Аа 3 , а 1 а 2 , а 1 а 3 , а 2 а 3 , а 3 а 3), чем двухаллельные гены, дающие только три генотипа (АА, Аа, аа). У одной диплоидной особи может быть только два аллеля из серии множественных аллелей. Характер взаимодействия в серии множественных аллелей может быть по типу полного или неполного доминирования одного аллеля над другим, или кодоминирования. По типу множественных аллелей у человека наследуются: группы крови по системе АВО, цвет глаз, варианты серповидноклеточной анемии: НbA, HbS, HbC.

Кодоминирование – взаимодействие аллельных генов, при котором разные аллели одного гена в генотипе особи не подавляют друг друга (отсутствуют типичные доминантно-рецессивные отношения), оба аллеля в равной степени проявляют своё действие при одновременном их присутствии в генотипе. Каждый из аллелей кодирует определённый белок. У кодоминантного организма синтезируются оба белка, и в результате в фенотипе формируется новый признак , отличный (непохожий) на признаки контролируемых в отдельности каждым из аллельных генов самостоятельно.

Так у человека кодоминантно наследуется четвёртая группа крови группа крови по системе АВО в результате кодоминирования генов I A и I B (в генотипе присутствуют аллели второй и третьей группы, а в фенотипе формируется четвёртая группа IУ - I A I B) и группа крови MN по аллелям L M и L N .

Наблюдается кодоминантность у гетерозигот Аа по серповидно-клеточной анемии и других форм гемоглобинопатий (талассемии, С, G – формах). Феномен HbA/HbS у гетерозигот Аа проявляется только на уровне синтеза двух полипептидных цепей гемоглобина HbA и HbS.

Гибридологический анализ. Рассмотрим на примере наследования групп крови по системе АВ0. У человека групповая принадлежность крови по системе АВО определяется тремя генами: I O , I A , I B (множественными аллелями). Гены I A и I B доминантны по отношению к гену I O и кодоминантны по отношению друг к другу. Пример наследования групп крови по системе АВО иллюстрирует также и проявление множественного аллелизма

Ген	Генотип	Признак
I O	I O I O	I группа
I A	I A I A – гомозиготы, I A I O – гетерозиготы	II группа
I B	I B I B – гомозиготы, I B I O – гетерозиготы	III группа
I A , I B	I A I B – кодоминанты	IV группа

Пример : определите вероятность рождения ребенка с группой крови такой же, как у родителей: отец с 1 группой крови, а мать с 4 группой.

Решение:

Р: ♂ I O I O х ♀ I A I B

G: I O I A , I B

F 1: I A I O , I B I O

Ответ : вероятность рождения ребёнка с 1 группой крови и с 4 группой крови равна нулю.

Используя пример, решите задачи.

1. Определите вероятность рождения ребенка с группой крови такой же, как у родителей, если родители гетерозиготны по III группе крови

2. Пара супругов имеют II и III группы крови, другая пара – III и IV группы крови. Ребенок имеет группу крови I. Какой паре принадлежит ребенок?

3. В суд поступило заявление о взыскании алиментов в пользу детей со II и III группами крови. Мать имеет IV группу, а предполагаемый отец – I. Какое заключение даст судебная экспертиза.

4. У человека антигены MN- группы крови определяются кодоминатными аллелями - LM и LN. Сколько различных фенотипов групп крови существует у людей, если учитывать со-четания антигенов M, N?

5. Генотип матери L M L M , отца L M L N . Какие сочетания антигенов возможны у их детей?

Задание 4. Плейотропия

Плейотропия – явление, при котором один ген обуславливает развитие нескольких признаков.

Пенетрантность и экспрессивность.

Пенетрантность и экспрессивность - показатели, характеризующие проявление генотипа в фенотип. Они обусловлены системой взаимодействующих генов генотипа (дозой гена, системой полимерных генов, эпистазом, модифицирующим действием со стороны неаллельных генов модификаторов – интенсификаторов и супрессоров), половой принадлежностью и факторами среды.

Пенетрантность – показатель частоты проявления гена (аллелей) в признак. Отражает частоту фенотипического проявления наследственной информации, имеющейся в генотипе.

Пенетрантность рассчитывается по формуле K (П) = х 100%, где К (П)– пенетрантность, n – количество потомков, у которых проявился признак, N – общее количество потомков.

Экспрессивность – это степень фенотипического проявления признака, контролируемого данным геном. Например, интенсивность пигментации кожи у человека.

Рассмотрим генетические закономерности наследования признаков.

Плейотропия.

Пример : Синдром дефекта ногтей и коленной чашечки определяется полностью доминантным аутосомным геном. Определите вероятность проявления признака у детей в семье, где один родитель гетерозиготен по данному гену, а второй нормален в отношении исследуемых признаков.

Дано:

Ответ : вероятность проявления синдрома дефекта ногтей и коленной чашечки у детей равна 50% (Аа)
Пенетрантность.

Пример : Подагра наследуется по аутосомно – доминантному типу. Пенетрантность гена подагры у мужчин составляет – 20 %, а у женщин равна 0%.

Какова вероятность заболевания подагрой в семье, где родители гетерозиготны в отношении данного признака.

Дано:

Ген Признак А подагра норма

Решение : Р: ♂ Аа х ♀ Аа G: А, а А, а F 1: АА, Аа, Аа, аа

Вероятность того, что в семье появятся дети, несущие ген подагры, равна ¾.

Но не у всех этот ген проявится. Он будет проявляться лишь у мужчин.

Вероятность рождения мальчиков равна ½.

Следовательно, ген проявит себя равно 3/4 х 1/2 = 3/8.

Ген подагры проявится лишь 20% - 1/5 несущих его мужчин.

Окончательный результат 3/8 х 1/5 = 3/40 или 7,5% или (0,75х 0,5 х 0,2 х 100% = 7,5%).

Ответ : вероятность заболевания подагрой в семье гетерозиготных родителей равна 7,5%.

Используя пример, решите следующие задачи.

1. Некоторые формы шизофрении наследуются как доминантные аутосомные признаки. При этом, у гомозигот пенетрантность равна 100%, у гетерозигот – 20%. Определить вероятность заболевания детей в семье от брака гетерозиготных родителей.
2. Арахнодактилия, или синдром Марфана , характеризуется сочетанием различных скелетных, глазных и висцеральных аномалий: длинные и тонкие пальцы , подвывих хрусталика – близорукость, аневризм аорты (расширение), астеническая конституция наследуется как плейотропный доминантный аутосомный признак с пенетрантностью 30%. Определить проявление арахнодактилии у детей в семье, где оба родителя гетерозиготны?

3.Синдром Ван дер Хеви наследуется как доминантный плейотропный аутосомный ген, определяющий голубую окраску склеры, хрупкость костей и глухоту. Пенетрантность признаков изменчива. По голубой склере она составляет 100%, хрупкости костей 63%, глухоте – 60%. В брак вступают два гетерозиготных носителя голубой склеры, нормальные в отношении других признаков синдрома. Определить вероятность появления у детей глухоты и хрупкости костей одновременно?

Задание 5. Сверхдоминирование.

Сверхдоминирование - более сильное проявление признака у гетерозигот (Аа), чем у гомозигот (АА, аа). Сверхдоминирование можно определить также как гетерозис (гибридная сила) у растений и животных, возникающий при скрещивании.

Генетическая сверхдоминантность, лучшая приспособленность и более высокая селективная ценность (отборное преимущество) гетерозигот (Аа) от моногибридов с обоими типами гомозигот (АА и аа).

Например: сверхдоминантность наблюдаются, у гетерозигот (Аа) с формами гемоглобина НbA\НbS, они менее подвержены малярии и характеризуются устойчивостью к малярии, гомозиготы (АА) с формами гемоглобина НbА\НbА подвержены малярии в большей степени. В тропической Африке и других районах, где распространена малярия, в популяциях человека постоянно присутствуют все три генотипа - АА, Аа и аа (20-40% населения гетерозиготы - Аа). Оказалось, что сохранение в популяциях человека летальной (смертельной) аллели (а) обусловлено тем, что гетерозиготы (Аа) более устойчивы к малярии и анемия на имеет клинического проявления, чем гомозиготы по нормальному гену их генотип – АА, форма гемоглобина – HbA / HbA - восприимчивы к малярии (тяжёлое заболевание часто заканчивается смертельным исходом), и, следовательно, обладают отборным преимуществом. Особи имеющие HbS/HbS гемоглобин и генотип аа (летальны – тяжёлая форма анемии). Таким образом, получают приоритет особи имеющие эритроциты HbА /HbS – генотип Аа:

HbА/HbА А /HbS > HbS/HbS .
Задание 6. Аллельные исключения.

У гетерозиготного организма Аа наблюдается аллельное исключение в части клеток организма, за счёт факультативного гетерохроматина. Фенотипически проявляются разные аллели: в одних клетках активен доминантный ген, определяющий синтез «тяжёлого » белка, в других – рецессивный, определяющий синтез «легкого» белка. Аллельное исключение увеличивает разнообразие признаков многоклеточного организма при идентичности генотипов соматических клеток (Аа). Например: инактивация одного из аллелей в составе Х-хромосомы способствует тому, что в разных клетках организма, мозаичных по функционирующей хромосоме, фенотипически проявляются разные аллели.

Приведите пример аллельного исключения.

Задание 7. Межаллельная комплементация.

В этом случае возможно формирование нормального признака В у организма, гетерозиготного по двум мутантным аллелям гена В(В 1 В 2) В 1 – мутантный аллель – аномальный пептид – 1, В 2 – мутантный аллель – аномальный пептид – 2, аллель В контролирует нормальный белок. У гетерозигот В 1 В 2 при формировании структурной организации белка компенсируются аномальные изменения белков,обеспечивая образование белка с нормальными свойствами. В результате межаллельной комплементации формируется нормальный признак. Приведите пример межаллельной комплементации.

Таким образом, даже процесс формирования элементарного признака зависит от взаимодействия, по меньшей мере, двух аллельных генов , и конечный результат определяется конкретным сочетанием их в генотипе.
ВЫВОДЫ: _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Домашнее задание: подготовить следующую тему (написать термины, разобрать вопросы для самоподготовки).
Подпись преподавателя_____________________
Тесты контроля итогового уровня знаний:

В заданиях выберите один верный ответ