Stworzenie chromosomalnej teorii dziedziczności. Chromosomalna teoria dziedziczności

Rozdział 13. Genetyka. Geneza chromosomalnej teorii dziedziczności. (V.N. Soifer)

Genetyka – nauka o dziedziczności i jej zmienności – rozwinęła się na początku XX w., po zwróceniu uwagi badaczy na prawa G. Mendla, odkryte w 1865 r., lecz pozostające niezauważone przez 35 lat. W krótkim czasie genetyka przekształciła się w rozgałęzioną naukę biologiczną z szeroką gamą metod i kierunków eksperymentalnych. O jej szybkim rozwoju determinowały zarówno potrzeby rolnictwa, które wymagało szczegółowego opracowania zagadnień dziedziczności u roślin i zwierząt, jak i sukcesy dyscyplin biologicznych, takich jak morfologia, embriologia, cytologia, fizjologia i biochemia, które przygotowały podstawę do dogłębnych badań praw dziedziczności i czynników dziedzicznych nośników materialnych. Nazwę genetyka zaproponował dla nowej nauki angielski naukowiec W. Bateson w 1906 roku.

Doświadczenia nad hybrydyzacją roślin. Gromadzenie informacji o cechach dziedziczonych

Próby zrozumienia natury przekazywania cech w drodze dziedziczenia z rodziców na dzieci podejmowano już w starożytności. Refleksje na ten temat można znaleźć w pismach Hipokratesa, Arystotelesa i innych myślicieli. W XVII-XVIII wieku, kiedy biolodzy zaczęli rozumieć proces zapłodnienia i szukać zasady – męskiej czy żeńskiej – z którą wiąże się tajemnica zapłodnienia, dyskusje na temat natury dziedziczności wznowiły się z nową energią. Do wyjaśnienia natury tego procesu u zwierząt w ogromnym stopniu przyczyniła się słynna walka preformacjonistów („animalkulistów” i „ovistów”). W roślinach zróżnicowanie płciowe odkrył R. Ya Cammerarius (1694), który w doświadczeniach ze szpinakiem, konopiami i kukurydzą odkrył, że zapylenie jest niezbędne do zawiązania owoców.

Tak więc do końca XVII w. Przygotowano podłoże naukowe do rozpoczęcia doświadczeń nad hybrydyzacją roślin. Pierwsze sukcesy w tym kierunku osiągnięto na początku XVIII wieku. Uważa się, że pierwszą hybrydę międzygatunkową uzyskał Anglik T. Fairchild ze skrzyżowania goździków Dianthus barbatus i D. caryophyllus. Wraz z produkcją innych mieszańców praktyka hybrydyzacji zaczęła się rozszerzać, ale botanicy nadal uważali kwestię obecności dwóch płci w roślinach i ich udziału w nawożeniu za kontrowersyjną. W 1759 r. Akademia Nauk w Petersburgu ogłosiła nawet specjalny konkurs mający na celu wyjaśnienie tej kwestii. Nagrodę za pracę „Studium płci u roślin” („Disquisitio de sexu plantarum”) przyznano w 1760 r. C. Linneuszowi, który uzyskał międzygatunkową hybrydę salsefii (Tragopogon), która w warunkach naturalnych z łatwością krzyżuje się. Linneusz nie rozumiał jednak istoty hybrydyzacji i roli pyłku w krzyżowaniu. Naukowe rozwiązanie tego problemu osiągnięto w eksperymentach I. G. Kelreutera, członka Rosyjskiej Akademii Nauk.

W 1760 roku Koelreuther rozpoczął pierwsze skomplikowane eksperymenty mające na celu zbadanie przenoszenia cech podczas krzyżówek roślin. W latach 1761 - 1766, prawie ćwierć wieku przed L. Spallanzanim, który badał problem krzyżowania na przedmiotach zwierzęcych, Kohlreuter w eksperymentach z tytoniem, narkotykami i goździkami wykazał, że po przeniesieniu pyłku jednej rośliny na słupek z drugiej, rośliny różniące się cechami morfologicznymi tworzą jajniki i nasiona, z których powstają rośliny o właściwościach pośrednich w stosunku do obojga rodziców. W rezultacie Koelreuther doszedł do wniosku o fundamentalnym znaczeniu: oba organizmy rodzicielskie biorą udział w tworzeniu potomstwa i przekazywaniu cech identyfikowalnych u potomstwa. Koelreuter wprowadził także metodę krzyżowania wstecznego z jednym z pierwotnych rodziców, dzięki czemu udało mu się wykazać dziedziczenie cech oraz równość pierwiastka męskiego i żeńskiego w powstawaniu osobników potomnych. Precyzyjna metoda krzyżowania opracowana przez Koelreuthera doprowadziła do szybkiego postępu w badaniach nad dziedzicznym przekazywaniem cech.

Pod koniec XVIII - na początku XIX wieku. Angielski hodowca roślin T. E. Knight podczas krzyżowania różnych odmian stanął przed problemem połączenia cech rodziców w potomstwie. Wybierając różne pary do krzyżowania, odkrył, że każda odmiana charakteryzuje się zespołem drobnych cech, które są z nią związane. Liczba cech, którymi różnią się od siebie dwie odmiany, jest tym większa, im niższy jest stopień ich pokrewieństwa. Ważnym wnioskiem Knighta było odkrycie niepodzielności małych znaków w różnych krzyżach. Głoszona już w starożytności dyskrecja materiału dziedzicznego znalazła pierwsze naukowe uzasadnienie w jego badaniach. Knightowi przypisuje się odkrycie „elementarnych cech dziedzicznych”.

Dalsze znaczące postępy w rozwoju metody krzyżowania wiążą się z francuską szkołą hodowców, zwłaszcza z jej najwybitniejszymi przedstawicielami – O. Sajrayem i C. Naudinem. Zainteresowania obu naukowców ukształtowały się pod bezpośrednim wpływem Koelreutera i Knighta. Posunęli się o krok dalej w zakresie doboru obiektów badawczych, przechodząc całkowicie na eksperymenty ze stosunkowo szybko rozwijającymi się roślinami (roślinami warzywnymi), których cykl wegetacyjny jest ograniczony do kilku miesięcy. Przedstawiciele rodziny dyni stali się ulubionymi obiektami Sajre i Naudin.

Największym osiągnięciem Sajre było odkrycie zjawiska dominacji. Krzyżując odmiany różniące się cechami dziedzicznymi, często obserwował tłumienie cechy jednego rodzica przez cechę drugiego. Zjawisko to ujawniło się w największym stopniu w pierwszym pokoleniu po skrzyżowaniu, a następnie u części potomków kolejnych pokoleń ponownie ujawniły się stłumione cechy. W ten sposób Sazhre potwierdził, że elementarne cechy dziedziczne nie znikają podczas skrzyżowań. Naudin doszedł do tego samego wniosku zupełnie niezależnie w latach 1852–1869. Ale Naudin poszedł jeszcze dalej, rozpoczynając ilościowe badania rekombinacji dziedzicznych skłonności podczas przepraw. Najwyraźniej miał świadomość, że to właśnie ilościowy opis wyników krzyżowań może dostarczyć badaczom wskazówki pozwalającej zrozumieć istotę procesów zachodzących podczas hybrydyzacji. Jednak Naudin był rozczarowany tą ścieżką. Nieprawidłowa technika metodologiczna - jednoczesne badanie dużej liczby znaków - doprowadziła do takiego zamieszania w wynikach, że był zmuszony porzucić próbę. Przedmioty, którymi posługiwał się Naudin, wprowadzały także znaczną niepewność w interpretacji uzyskanych wyników: nie był on jeszcze w stanie zrozumieć roli samozapylaczy w prowadzeniu takich eksperymentów. Niedociągnięcia nieodłącznie związane z eksperymentami Naudina i jego poprzedników zostały wyeliminowane w pracy G. Mendla.

Rozwój praktyki hybrydyzacji doprowadził do dalszego gromadzenia informacji o naturze krzyżówek. Ważne obserwacje dotyczące kombinacji cech w krzyżach zaczęły się kumulować w wyniku działalności ogrodników i botaników. Praktyka wymagała rozwiązania problemu zachowania niezmienionych właściwości „dobrych” roślin, a także znalezienia sposobów połączenia w jednej roślinie niezbędnych cech charakterystycznych dla kilku rodziców. Podobne zadania stawiali sobie hodowcy bydła, jednak niezmiennie wisiały w powietrzu, gdyż opierały się na nieznajomości praw przenoszenia cech dziedzicznych. Nie udało się jeszcze rozwiązać tego problemu eksperymentalnie. W takich warunkach powstały różne spekulatywne hipotezy na temat natury dziedziczności.

Hipotezy spekulatywne na temat natury dziedziczności

Najbardziej fundamentalną hipotezą tego rodzaju, która w pewnym stopniu posłużyła za wzór dla podobnych konstrukcji innych biologów, była „tymczasowa hipoteza pangenezy” Karola Darwina, przedstawiona w ostatnim rozdziale jego pracy „Change in Domestic Animals” i rośliny uprawne” (1868). Tutaj Darwin podsumował całą literaturę na temat krzyżowań i zjawisk dziedziczności*.

* (Nieco wcześniej analizy zjawisk dziedziczności u człowieka dokonał P. Luc w swojej obszernej monografii „Traite philosophique et physiologique de l'heredite naturelle” (1847-1850).)

Według jego pomysłów w każdej komórce każdego organizmu powstają w dużych ilościach specjalne cząstki - gemmuły, które mają zdolność rozprzestrzeniania się po całym organizmie i gromadzenia (koncentrowania) w komórkach wykorzystywanych do rozmnażania płciowego lub wegetatywnego (jaja, plemniki, rośliny pąki). Podczas zapłodnienia zarodki obu komórek rozrodczych łączą się, tworząc zygotę. Część klejnotów daje następnie początek nowym komórkom (podobnym do tych, z których powstały), a część pozostaje w stanie nieaktywnym i może być przekazywana kolejnym pokoleniom. Darwin założył, że klejnoty poszczególnych komórek mogą się zmieniać podczas ontogenezy każdego osobnika i dawać początek zmodyfikowanym potomkom. Tym samym dołączył do zwolenników dziedziczenia cech nabytych. Ponadto uważał, że skoro zespół cech dziedzicznych składa się z odrębnych czynników dziedziczności (klejnotów), to w konsekwencji organizm nie generuje własnego rodzaju jako całości, ale każda pojedyncza jednostka generuje swój własny, podobny. *

* (C. Darwina. Soch., t. 4. M., Wydawnictwo Akademii Nauk ZSRR, 1951, s. 758.)

Założenie Darwina o dziedziczeniu cech nabytych zostało eksperymentalnie obalone przez F. Galtona (1871). Podejmując transfuzję krwi od czarnych królików do białych. Galton nie stwierdził żadnych zmian w cechach potomków. Na tej podstawie spierał się z Darwinem, argumentując, że gemmuły skupiają się jedynie w komórkach rozrodczych roślin i zwierząt oraz w pąkach roślin rozmnażanych wegetatywnie i że nie następuje przepływ gemmuł z części wegetatywnej do generatywnej. Galton posłużył się analogią, porównując organy generatywne z kłączami niektórych roślin, które co roku wytwarzają nowe zielone pędy, od czego jego hipoteza otrzymała nazwę „hipoteza kłącza”.

Spekulatywną hipotezę na temat natury dziedziczności zaproponował botanik K. Naegeli w swojej pracy „Mechaniczna i fizjologiczna teoria ewolucji” (1884). Naegeli, myśląc o sprzeczności pomiędzy równym udziałem ojca i matki w powstaniu potomstwa a znacząco różną wielkością plemników i komórek jajowych, zasugerował, że skłonności dziedziczne przekazywane są jedynie przez część substancji komórkowej, którą nazwał idioplazmą. Reszta (stereoplazma) według jego pomysłu nie ma cech dziedzicznych. Naegeli zasugerował również, że idioplazma składa się z cząsteczek połączonych ze sobą w duże nitkowate struktury - micele, zgrupowane w pęczki i tworzące sieć przenikającą wszystkie komórki organizmu. Autor nie znał faktów potwierdzających jego model. W ciągu tych lat nie zwrócono jeszcze uwagi na chromosomy jako nośniki informacji dziedzicznej, a hipoteza Naegeliego okazała się w pewnym sensie prorocza. Przygotowywała biologów do myślenia o strukturze materialnych nośników dziedziczności. Słynna była także hipoteza pangenezy wewnątrzkomórkowej G. de Vriesa.

Po raz pierwszy ideę różnicowania (nierówno dziedzicznego) podziału jąder komórkowych rozwijającego się zarodka wyraził V. Roux w 1883 r. Wnioski Roux wywarły ogromny wpływ na A. Weissmanna. Stanowiły one dla niego punkt wyjścia do stworzenia teorii plazmy zarodkowej, która swój ostateczny kształt otrzymała w 1892 roku. Weisman wyraźnie wskazywał na nośnik czynników dziedzicznych – chromosomy. Uważał, że w jądrach komórkowych znajdują się specjalne cząstki plazmy zarodkowej - biofory, z których każdy określa odrębną właściwość komórek. Według Weismana biofory grupuje się w determinanty – cząstki determinujące specjalizację komórki. Ponieważ w organizmie występuje wiele różnych typów komórek, determinanty jednego typu grupują się w struktury wyższego rzędu (ides), a te drugie tworzą chromosomy (lub idanty, w terminologii Weismana).

Najpierw Roux (1883), a następnie Weisman zasugerowali liniowy układ czynników dziedzicznych (ziarna chromatyny według Roux i id według Weismana) w chromosomach i ich podłużny podział podczas mitozy, co w dużej mierze przewidywało przyszłą teorię chromosomową dziedziczność.

Rozwijając ideę nierównego podziału, Weisman logicznie doszedł do wniosku, że w organizmie istnieją dwie wyraźnie odgraniczone linie komórkowe – zarodkowa (komórki szlaku rozrodczego) i somatyczna. Te pierwsze, zapewniające ciągłość przekazywania informacji dziedzicznej, są „potencjalnie nieśmiertelne” i są w stanie dać początek nowemu organizmowi. Te ostatnie nie mają tej właściwości. Identyfikacja dwóch kategorii komórek miała ogromny pozytywny wpływ na dalszy rozwój genetyki. W szczególności był to początek teoretycznego obalenia idei dziedziczenia cech nabytych. Jednocześnie teoria dziedziczności Weismanna zawierała również błędne założenie, że pełny zestaw determinant zawarty jest wyłącznie w komórkach rozrodczych.

Prace tych biologów odegrały wybitną rolę w przygotowaniu myśli naukowej do ukształtowania się genetyki jako nauki. Do końca XIX wieku. dzięki pracy cytologów, którzy odkryli chromosomy, badali mitozę (I. D. Chistyakov, 1872; A. Schneider, 1873; E. Strasburger, 1875; Schleicher, 1878; V. Flemming, 1892; itd.) i mejotykę (E. van Beneden , 1883; T. Boveri, O. Hertwig, 1884) podział jądrowy, przygotowano grunt pod zrozumienie redystrybucji materiału dziedzicznego pomiędzy komórkami potomnymi podczas ich podziału. W. Waldeyer zaproponował termin chromosom w 1888 roku. Szczegółowo zbadano proces zapłodnienia u zwierząt i roślin (O. Hertwig, 1876; N.N. Gorozhankin, 1880; E. Strasburger, 1884; itd.). Praca botaników i hodowców zwierząt gospodarskich utorowała drogę do szybkiego uznania praw G. Mendla po ich ponownym odkryciu w 1900 roku.

Odkrycie praw dziedziczenia przez G. Mendla

Zaszczyt odkrycia wzorców ilościowych towarzyszących powstawaniu mieszańców należy do czeskiego botanika-amatora Johanna Gregora Mendla. W jego pracach, przeprowadzonych w latach 1856–1863, ujawniono podstawy praw dziedziczności.

Mendel sformułował problem swoich badań w następujący sposób. „Do tej pory” – zauważył we „Uwagach wstępnych” do swojej pracy – „nie udało się ustalić uniwersalnego prawa powstawania i rozwoju mieszańców” i kontynuował: „Ostateczne rozwiązanie tej kwestii można osiągnąć jedynie gdy przeprowadza się szczegółowe doświadczenia w różnych rodzinach roślin.Kto ponownie rozważy prace w tym zakresie, przekona się, że spośród licznych doświadczeń żadne nie zostało przeprowadzone w takiej objętości i w taki sposób, aby możliwe było określenie liczby różnych form, w jakich występują potomkowie mieszańców, oraz rzetelnego rozdzielenia tych form pomiędzy poszczególne pokolenia i ustalenia ich wzajemnych relacji liczbowych”*.

* (G. Mendla. Eksperymenty na mieszańcach roślin. M., „Nauka”, 1965, s. 9 - 10.)

Pierwszą rzeczą, na którą Mendel zwrócił uwagę, był wybór przedmiotu. Do swoich badań Mendel wybrał groch Pisum sativum L. Podstawą tego wyboru był, po pierwsze, fakt, że groszek jest ścisłym samozapylaczem, co znacznie ograniczało możliwość wprowadzenia niepożądanego, obcego pyłku; po drugie, w tamtym czasie istniała wystarczająca liczba odmian grochu, które różniły się jedną, dwiema, trzema i czterema cechami dziedzicznymi.

Mendel otrzymał 34 odmiany grochu z różnych gospodarstw nasiennych. Przez dwa lata sprawdzał, czy powstałe odmiany nie uległy zanieczyszczeniu i czy zachowały swoje cechy w niezmienionym stanie przy rozmnażaniu bez krzyżowania. Po takiej weryfikacji wybrał do doświadczeń 22 odmiany.

Być może najważniejszą rzeczą w całej pracy było określenie liczby cech, po których należy odróżnić skrzyżowane rośliny. Mendel po raz pierwszy zdał sobie sprawę, że tylko zaczynając od najprostszego przypadku – różnic między rodzicami w jednym przypadku – i stopniowo zwiększając złożoność zadania, można mieć nadzieję na rozwikłanie splotu faktów. Ściśle matematyczny charakter jego myślenia ujawnił się tu ze szczególną siłą. To właśnie takie podejście do planowania eksperymentów pozwoliło Mendelowi jasno zaplanować dalszą złożoność początkowych danych. Nie tylko dokładnie określił, do jakiego etapu pracy należy przystąpić, ale także matematycznie ściśle przewidział przyszły wynik. Pod tym względem Mendel stał ponad wszystkimi współczesnymi biologami, którzy już w XX wieku badali zjawiska dziedziczności.

Mendel rozpoczął od eksperymentów nad krzyżowaniem odmian grochu różniących się jedną cechą (krzyżowanie monohybrydowe). We wszystkich bez wyjątku doświadczeniach z 7 parami odmian potwierdzono odkryte przez Sajre i Naudin zjawisko dominacji w pierwszym pokoleniu mieszańców. Mendel wprowadził koncepcję cech dominujących i recesywnych, definiując cechy dominujące, które przechodzą na rośliny hybrydowe w całkowicie niezmienionej lub prawie niezmienionej formie, oraz cechy recesywne, które zostają ukryte podczas hybrydyzacji. Następnie Mendel po raz pierwszy był w stanie określić ilościowo częstość występowania form recesywnych wśród całkowitej liczby potomków dla przypadków krzyżówek mono-, di-, trihybrydowych i bardziej złożonych. Mendel szczególnie podkreślił przeciętny statystyczny charakter odkrytego przez siebie wzorca.

Aby dalej analizować dziedziczny charakter powstałych mieszańców, Mendel zbadał kilka kolejnych pokoleń mieszańców ze sobą skrzyżowanych. W rezultacie następujące uogólnienia o fundamentalnym znaczeniu otrzymały solidną podstawę naukową:

1. Zjawisko nierówności dziedzicznych cech elementarnych (dominujących i recesywnych) odnotowane przez Sajraya i Naudina.

2. Zjawisko rozdzielania cech organizmów hybrydowych w wyniku ich późniejszego krzyżowania. Ustalono ilościowe wzorce podziału.

3. Wykrywanie nie tylko ilościowych wzorców podziału według zewnętrznych cech morfologicznych, ale także określenie stosunku skłonności dominujących i recesywnych wśród form, które z wyglądu są nie do odróżnienia od dominujących, ale mają charakter mieszany (heterozygotyczny). Mendel potwierdził ponadto poprawność ostatniego stanowiska poprzez krzyżowanie wsteczne z formami rodzicielskimi.

W ten sposób Mendel zbliżył się do problemu związku między skłonnościami dziedzicznymi (czynnikami dziedzicznymi) a determinowanymi przez nie cechami organizmu.

Wygląd organizmu (fenotyp według terminologii V. Johannsena, 1909) zależy od kombinacji dziedzicznych skłonności (sumę dziedzicznych skłonności organizmu zaczęto nazywać genotypem, zgodnie z propozycją Johannsena, 1909) ). Wniosek ten, który nieuchronnie wynikał z eksperymentów Mendla, został przez niego szczegółowo omówiony w części „Podstawowe komórki hybryd” tej samej pracy „Eksperymenty na hybrydach roślinnych”. Mendel jako pierwszy jasno sformułował koncepcję dyskretnej skłonności dziedzicznej, niezależnej w swym przejawie od innych skłonności*. Według Mendla skłonności te koncentrują się w komórkach szczątkowych (jajowych) i pyłkowych (gametach). Każda gameta zawiera jeden depozyt. Podczas zapłodnienia gamety łączą się, tworząc zygotę; Co więcej, w zależności od rodzaju gamet, powstająca z nich zygota otrzyma pewne dziedziczne skłonności. W wyniku rekombinacji skłonności podczas krzyżowania powstają zygoty, które niosą nową kombinację skłonności, która determinuje różnice między osobnikami. Stanowisko to stanowiło podstawę podstawowego prawa Mendla – prawa czystości gamet. Jego założenie o obecności elementarnych dziedzicznych skłonności - genów zostało potwierdzone przez cały dalszy rozwój genetyki i zostało udowodnione badaniami na różnych poziomach - organizmowym (metody krzyżowania), subkomórkowym (metody cytologiczne) i molekularnym (metody fizyczne i chemiczne). Zgodnie z propozycją W. Batesona (1902) organizmy o tych samych skłonnościach nazywano homozygotami, a te o różnych skłonnościach do odpowiedniej cechy – heterozygotami pod względem tej cechy.

* (Później V. Johannsen (1909) nazwał te skłonności genami.)

Badania eksperymentalne i analiza teoretyczna wyników skrzyżowań przeprowadzone przez Mendla wyprzedziły rozwój nauki o ponad ćwierć wieku. W tamtym czasie prawie nic nie było wiadome na temat materialnych nośników dziedziczności, mechanizmów przechowywania i przekazywania informacji genetycznej oraz wewnętrznej treści procesu zapłodnienia. Nawet omówione powyżej spekulatywne hipotezy dotyczące natury dziedziczności zostały sformułowane później. Wyjaśnia to fakt, że dzieło Mendla nie zyskało w swoim czasie żadnego uznania i pozostało nieznane aż do ponownego odkrycia praw Mendla przez K. Corrensa, K. Cermaka i G. de Vriesa w 1900 roku.

Rozwój biometrycznych metod badania dziedziczności

Różnice indywidualne, nawet między blisko spokrewnionymi organizmami, niekoniecznie wynikają z różnic w strukturze genetycznej tych osobników; mogą być spowodowane nierównymi warunkami życia. Dlatego wnioski na temat różnic genetycznych między gatunkami, odmianami, odmianami i liniami można wyciągnąć jedynie na podstawie analizy dużej liczby osobników. Pierwszym, który zwrócił uwagę na matematyczne wzorce zmienności indywidualnej, był belgijski matematyk i antropolog A. Catlet. Był jednym z twórców statystyki i teorii prawdopodobieństwa. Catlet zwrócił szczególną uwagę na badanie odchyleń u szeregu podobnych osobników od średniej ilościowej charakterystyki badanej cechy. Jednak z punktu widzenia genetycznego najważniejsze pozostało pytanie o możliwość dziedziczenia odchyleń od średniej cechy ilościowej cechy obserwowanej u poszczególnych osobników. Znaczenie tego zagadnienia stało się szczególnie oczywiste po stworzeniu przez Darwina teorii doboru naturalnego. Ze względów czysto praktycznych należało sprawdzić, czy i w jakim stopniu indywidualne zmiany, które często obserwuje się w praktyce hodowlanej u poszczególnych roślin, zostaną odziedziczone i czy uda się je utrwalić w potomstwie.

Kilku badaczy zaczęło wyjaśniać tę kwestię. Pod względem znaczenia wyróżniała się praca Galtona, który zebrał dane na temat dziedziczenia wzrostu u człowieka. Przeanalizował wzrost 204 małżeństw i 928 ich dorosłych dzieci. Następnie Galton zbadał dziedziczenie wielkości korony u groszku słodkiego i doszedł do wniosku, że tylko niewielka część odchyleń zaobserwowanych u rodziców jest przekazywana potomstwu. Galton próbował nadać swoim spostrzeżeniom matematyczny wyraz, kładąc w ten sposób podwaliny pod dużą serię prac poświęconych matematycznym i statystycznym podstawom dziedziczenia.

Zwolennik Galtona, K. Pearson, kontynuował tę pracę na większą skalę. Wokół Pearsona szybko utworzyła się grupa badaczy i założyła czasopismo Biometrics (1902).

Rozumowanie angielskich biometryków o naturze mieszania się cech rodziców podczas krzyżowań, poparte obliczeniami matematycznymi, ale z reguły nie uwzględniające biologicznej istoty zjawisk dziedziczności, zostało uderzone przez wtórne odkrycie praw Mendla. Najpoważniejsze i klasyczne studium zagadnień podnoszonych przez Galtona, Pearsona i ich zwolenników przeprowadzono w latach 1903-1909. V. Johannsena, który główną uwagę poświęcił badaniu materiału jednorodnego genetycznie (potomstwo z chowu wsobnego, zwane przez Johannsena czystą linią). Analiza Johannsena pozwoliła mu zbliżyć się do prawdziwego zrozumienia roli dziedzicznych (genotypowych) i niedziedzicznych składników w zmienności indywidualnej. Na podstawie uzyskanych wyników Johannsen podał precyzyjną definicję genotypu i fenotypu i położył podwaliny pod współczesne rozumienie roli zmienności indywidualnej. Wnioski Johannsena, uzyskane w doświadczeniach z roślinami, wkrótce zostały potwierdzone na materiale zoologicznym.

Cytologiczne podstawy genetyki

Przewidywania Mendla potwierdziły się także na zupełnie innym poziomie badań. W latach 70. - 80. XIX wieku. Opisano mitozę i zachowanie chromosomów podczas podziału komórki, co doprowadziło do pomysłu. że struktury te są odpowiedzialne za przenoszenie dziedzicznych mocy z komórki macierzystej do komórek potomnych. Podział materiału chromosomowego na dwie równe części był najlepszym dowodem na poparcie hipotezy, że to w chromosomach skupia się pamięć genetyczna. Ten punkt widzenia dodatkowo wzmocnił opis procesów poprzedzających dojrzewanie komórek rozrodczych i zapłodnienie (por. rozdz. 26). Badanie chromosomów u zwierząt i roślin doprowadziło do wniosku, że każdy gatunek istot żywych charakteryzuje się ściśle określoną liczbą chromosomów. Liczba ta stała się niezawodnym znakiem systematycznym.

Odkryty przez E. van Benedena (1883) fakt, że liczba chromosomów w komórkach ciała (komórkach somatycznych) jest dwukrotnie większa niż w komórkach rozrodczych, można łatwo wytłumaczyć prostym rozumowaniem: ponieważ podczas zapłodnienia jądra komórek rozrodczych łączą się (i , zatem w jednym chromosomy tych jąder łączą się w jądrze), a ponieważ liczba chromosomów w komórkach somatycznych pozostaje stała, ciągłemu podwajaniu liczby chromosomów podczas kolejnych zapłodnień należy przeciwdziałać poprzez proces prowadzący do zmniejszenia ich liczba w gametach dokładnie o połowę. Dokładny opis procesu podziału redukcyjnego (mejozy), prowadzonego w latach 90. XIX w., umożliwił to już na początku XX w. właściwie ocenić wzorce dziedziczności ustalone przez Mendla.

W 1900 roku trzej botanicy niezależnie od siebie – K. Correns w Niemczech, G. de Vries w Holandii i E. Cermak w Austrii odkryli w swoich doświadczeniach wzory odkryte wcześniej przez Mendla i po natknięciu się na jego pracę opublikowali ją ponownie w 1901 roku Publikacja ta wzbudziła głębokie zainteresowanie ilościowymi prawami dziedziczności. Cytolodzy odkryli struktury materialne, których rolę i zachowanie można wyraźnie powiązać z wzorcami mendlowskimi. Takie powiązanie dostrzegł w 1903 roku V. Setton, młody pracownik słynnego amerykańskiego cytologa E. Wilsona. Hipotetyczne poglądy Mendla na temat czynników dziedzicznych, obecności pojedynczego zestawu czynników w gametach i podwójnego zestawu czynników w zygotach, zostały potwierdzone w badaniach chromosomów. T. Boveri (1902) przedstawił dowody przemawiające za udziałem chromosomów w procesach dziedzicznego przenoszenia, wykazując, że prawidłowy rozwój jeżowca jest możliwy tylko wtedy, gdy obecne są wszystkie chromosomy.

Ustalając fakt, że to chromosomy niosą informację dziedziczną, Satton i Boveri położyli podwaliny pod nowy kierunek w genetyce - chromosomalną teorię dziedziczności.

Uzasadnienie chromosomalnej teorii dziedziczności

Zgodnie z prawami Mendla przejaw każdego czynnika dziedzicznego nie zależy od innych czynników. Jego analiza krzyżówek mono-, di- i tri-hybrydowych potwierdziła eksperymentalnie ten wniosek.

Po ponownym odkryciu wzorców mendlowskich rozpoczęto badanie tych wzorców u wszystkich gatunków zwierząt i roślin. Jedna z oczywistych porażek spotkała W. Batesona i R. Punnetta, którzy w 1906 roku badali dziedziczenie koloru korony i kształtu pyłku groszku słodkiego. Według Mendla rozkład fenotypów w krzyżówce dihybrydowej powinien odpowiadać proporcji 9:3:3:1. Zamiast tego Batson i Punnett zanotowali współczynnik podziału wynoszący 35:3:3:10. Wydawało się, że czynniki fioletowego koloru i pomarszczonego pyłku mają tendencję do pozostawania razem podczas rekombinacji skłonności. Autorzy nazwali to zjawisko „wzajemnym przyciąganiem czynników”, nie udało im się jednak poznać jego natury.

W 1909 roku T. G. Morgan rozpoczął szczegółowe badania tego zagadnienia. Przede wszystkim jasno sformułował hipotezę wyjściową. Skoro już było wiadomo, że skłonności dziedziczne zlokalizowane są w chromosomach, naturalną rzeczą było udzielenie odpowiedzi na pytanie: czy ustalone przez Mendla wzorce liczbowe zawsze się spełnią? Mendel słusznie uważał, że takie wzorce będą prawdziwe wtedy i tylko wtedy, gdy badane czynniki zostaną połączone, tworząc niezależne od siebie zygoty. Teraz, opierając się na chromosomalnej teorii dziedziczności, należy uznać, że jest to możliwe tylko wtedy, gdy geny są zlokalizowane na różnych chromosomach. Ponieważ jednak liczba tych ostatnich jest niewielka w porównaniu z liczbą genów, można by się spodziewać, że geny zlokalizowane na tym samym chromosomie przejdą razem z gamet do zygot. W rezultacie odpowiednie cechy będą dziedziczone w grupach.

Założenie to zostało sprawdzone przez Morgana i jego współpracowników K. Bridgesa i A. Sturtevanta w badaniach na muszce owocowej Drosophila melanogaster. Wybór tego obiektu z wielu powodów można uznać za duży sukces. Po pierwsze, Drosophila ma bardzo krótki okres rozwoju (tylko 10 – 12 dni); po drugie, dzięki wysokiej dzietności umożliwia pracę z ogromnymi populacjami; po trzecie, można go łatwo hodować w warunkach laboratoryjnych; wreszcie ma tylko cztery pary chromosomów.

Wkrótce u Drosophila odkryto dużą liczbę różnych mutacji, czyli form charakteryzujących się różnymi cechami dziedzicznymi. U normalnych lub, jak mówią genetycy, muszek owocowych typu dzikiego, kolor ciała jest szaro-żółty, skrzydła są szare, oczy ciemnoczerwone, włosie pokrywające ciało i żyły na skrzydłach mają bardzo specyficzny charakter. układ. U mutantów odkrywanych od czasu do czasu te cechy ulegały zmianie: na przykład ciało było czarne, oczy białe lub w innym kolorze, skrzydła prymitywne itp. Niektóre osobniki nosiły nie jedną, ale kilka mutacji na raz; na przykład mucha o czarnym ciele mogłaby dodatkowo mieć prymitywne skrzydła. Różnorodność mutacji pozwoliła Morganowi rozpocząć eksperymenty genetyczne. Przede wszystkim udowodnił, że geny znajdujące się na tym samym chromosomie w trakcie krzyżowania przekazują się wspólnie, czyli są ze sobą powiązane. Jedna grupa łącząca genów jest zlokalizowana na jednym chromosomie. Morgan uzyskał także mocne potwierdzenie hipotezy o powiązaniu genów w chromosomach podczas badania tzw. dziedziczenia sprzężonego z płcią.

Dzięki cytologicznym eksperymentom genetycznym (A, Sturtevant, K. Bridges, G. J. Möller, 1910) udało się ustalić udział niektórych chromosomów w determinacji płci. Na przykład u Drosophila wraz z trzema parami chromosomów (autosomami), które nie są związane z determinacją płci, odkryto parę chromosomów płci. Z kolei chromosomy płciowe okazały się dwojakiego rodzaju - chromosomy X w kształcie długich prętów i małe, zakrzywione chromosomy Y. Ich kombinacje określają płeć muchy. Dalsze eksperymenty wykazały, że u Drosophila, podobnie jak u większości ssaków (w tym ludzi), płazów, ryb i większości roślin, wejście dwóch chromosomów X do zygoty prowadzi do powstania osobnika żeńskiego, natomiast połączenie jednego chromosomu X i jednego Z chromosomu Y powstaje osobnik płci męskiej*. W związku z tym wszystkie gamety żeńskie są takie same - niosą jeden chromosom X; samce wytwarzają dwa rodzaje gamet: połowa zawiera chromosom X, połowa zawiera chromosom Y. Dlatego podczas zapłodnienia połowa zygot otrzymuje zestaw chromosomów XX, a połowa XY, a stosunek płci wynosi 1:1.

* (U większości ptaków, owadów i niektórych roślin określenie płci następuje w inny sposób: płeć męską uzyskuje się z połączenia dwóch chromosomów X; płeć żeńska charakteryzuje się kombinacją chromosomów X i Y)

Ustalając, że gen odpowiadający za kolor oczu Drosophila jest zlokalizowany na chromosomie X i monitorując zachowanie genów u potomstwa niektórych samców i samic, Morgan i jego współpracownicy uzyskali przekonujące potwierdzenie założenia o powiązaniu genów.

Zatem istnieją dwa ważne etapy rozwoju genetyki. Pierwsza, oparta na badaniach hybrydologicznych, wiąże się z odkryciem Mendla – dowodem na obecność elementarnych czynników dziedzicznych, ustaleniem charakteru oddziaływania tych czynników (zasada dominacji – recesywność) i wyjaśnieniem ilościowych wzorców podziału cech w okresie krzyże. Drugi etap, związany z sukcesem badań cytologicznych, zakończył się udowodnieniem, że chromosomy są nosicielami czynników dziedzicznych. Morgan sformułował i eksperymentalnie udowodnił koncepcję łączenia genów w chromosomach. W szczególności metodami genetycznymi odkryto cztery grupy połączeń u Drosophila melanogaster, co zbiegło się z danymi z badań cytologicznych. Następna w kolejce była kwestia kolejności genów w chromosomach.

Problem wewnątrzchromosomalnej lokalizacji genów

Dokładna analiza występowania mutacji u Drosophila pozwoliła wykryć dużą liczbę różnorodnych zmian dziedzicznych i okazało się, że każdy gen może dać początek znacznej liczbie mutacji. Na przykład odkryto mutanty o oczach czerwonych, białych, fioletowych, eozynowych, granatowych, kości słoniowej, czerwonych, mlecznych i cynobrowych. Pozostałe geny charakteryzują się podobną zmiennością.

W miarę odkrywania coraz większej liczby nowych mutacji ilość informacji na ich temat wzrastała. lokalizacja poszczególnych genów na tym czy innym chromosomie. Kluczem do rozwiązania problemu lokalizacji genów na długości chromosomu było badanie Morgana nad zjawiskiem przerwania połączenia genowego w wyniku wymiany odcinków między chromosomami (o długości od jednego do kilku genów), które według niego zwane crossover (po angielsku crossover).

Istotnym etapem badań nad krzyżowaniem było ustalenie faktu, że określone geny przemieszczają się z chromosomu na chromosom z określoną, charakterystyczną dla nich częstotliwością. Morgan zasugerował, że im dalej od siebie znajdują się geny na długości chromosomu, tym łatwiej może nastąpić między nimi przejście, ponieważ aby rozdzielić blisko leżące geny, musi przejść między nimi przerwa. Prawdopodobieństwo wystąpienia takiej luki jest oczywiście niskie. A jeśli tak jest, to odsetek osobników, u których nastąpiło przejście, w stosunku do całkowitej liczby badanych osobników, może służyć jako miara odległości między genami na chromosomie. Za wybitną pracę w dziedzinie genetyki Morgan otrzymał w 1933 roku Nagrodę Nobla.

W 1913 roku Sturtevant sporządził pierwszą mapę chromosomu płci X u Drosophila w oparciu o dane liczbowe dotyczące powiązań i krzyżowania obserwowanych w sześciu genach sprzężonych z płcią. Do 1916 roku zbadano już lokalizację chromosomową setek genów Drosophila i zmapowano je wzdłuż wszystkich czterech chromosomów. Opracowaną u Drosophila metodę tworzenia map genetycznych przeniesiono na rośliny (kukurydza, lwia paszcza) i zwierzęta (myszy).

Kompilowanie map genetycznych jest procedurą bardzo pracochłonną. Strukturę genów chromosomów można łatwo rozszyfrować u organizmów szybko się rozmnażających. Ta ostatnia okoliczność jest głównym powodem, dla którego istnieją najbardziej szczegółowe mapy dla Drosophila, szeregu bakterii i bakteriofagów, a najmniej szczegółowe dla roślin. Tworzenie map organizmów długowiecznych (zwierząt, roślin wieloletnich) to kwestia przyszłości.

Należy zauważyć, że czysto genetyczne metody określania lokalizacji genów na chromosomach w taki czy inny sposób dostarczyły jedynie pośrednich dowodów na chromosomalną teorię dziedziczności, a ta ostatnia była nadal kwestionowana przez niektórych genetyków (na przykład R. Goldschmidt, 1917 ). Bezpośrednim dowodem tej teorii było odkryte przez K. Bridgesa u Drosophila zjawisko braku dysjunkcji chromosomów płciowych (1913, 1916) i utraty czwartego chromosomu (1921). W tych przypadkach przewidywania genetyczne oparte na krzyżówkach potwierdzono podczas badania kariotypów pod mikroskopem.

Wreszcie uzyskano bezpośredni dowód cytologiczny na istnienie krzyżowania u Drosophila. Już w 1909 roku belgijski badacz F. Janssens natknął się na ciekawy fakt. W profazie pierwszego podziału mejotycznego sparowane chromosomy zbliżyły się do siebie, ułożyły równolegle, a następnie stykając się końcami, szybko się zamknęły.

Pomimo całkowitego kontaktu między chromosomami salamandrów, z którymi pracował Janssens, zarysy każdego z chromosomów były widoczne dość wyraźnie. Dzięki temu można było zauważyć, że podczas skręcenia chromosomów w miejscu ich przeplatania, które nazwał chiazmą, następuje wymiana fragmentów chromosomów.

Nie można było jednak wiarygodnie potwierdzić obecności wymiany metodami cytologicznymi, dopóki niemiecki badacz K. Stern (1931) nie zastosował tzw. zjawiska translokacji, czyli przeniesienia ułamanego fragmentu jednego chromosomu na drugi chromosom. Za pomocą translokacji udało mu się przenieść fragment chromosomu Y Drosophila na chromosom X, po czym ten ostatni można było łatwo wykryć w preparatach cytologicznych. Ponadto powstała linia muszek charakteryzowała się dwiema różnicami genetycznymi (ich chromosom X miał dwa łatwo wykrywalne fenotypowo, tak zwane recesywne geny markerowe).

Drugim etapem pracy była selekcja linii dwóch muszek z translokacją innego rodzaju. W tym przypadku dokonano obserwacji chromosomu X, który został rozdarty na pół, po czym jedna z jego połówek została połączona z małym chromosomem Y. Pozostały fragment chromosomu X był ponownie wyraźnie rozróżnialny zarówno pod względem cytologicznym, jak i genetycznym – dominowały jego geny znakujące.

Zatem Stern miał dwie linie Drosophila, wyraźnie odróżnione od siebie chromosomami X. Po połączeniu obu oznaczonych chromosomów X w zygocie jednej samicy, czekał na przejście, rozpoznając to po naturze ekspresji genów. Analizując cytologicznie komórki potomstwa muchy krzyżowej, był w stanie wykryć pod mikroskopem wynik krzyżowania: długi chromosom X wymienił swoją dużą część na mały fragment krótkiego chromosomu X , w wyniku czego oba chromosomy miały teraz w przybliżeniu tę samą długość. Później podobny eksperyment na kukurydzy przeprowadził B. McClintock (1944).

Sztuczne mutacje

Największym osiągnięciem genetyki eksperymentalnej było odkrycie możliwości sztucznego wywoływania mutacji przy użyciu różnorodnych czynników fizycznych i chemicznych. G. A. Nadson i G. S. Filippov (1925) uzyskali mutacje w drożdżach pod wpływem radu i promieni rentgenowskich; G. Möller* (1927) – stosując promieniowanie rentgenowskie u Drosophila i L. Stadler (1928) – poprzez ekspozycję na te same promienie w kukurydzy.

* (Za badanie zjawisk łączenia i krzyżowania oraz odkrycie sztucznej mutagenezy G. Möller otrzymał w 1946 roku Nagrodę Nobla.)

Rozpoczął się nowy, wyjątkowo owocny okres w badaniach nad problemem zmienności. W krótkim czasie zbadano mutagenne działanie promieniowania na wielu obiektach. Stwierdzono, że pod wpływem promieniowania mogą wystąpić wszelkiego rodzaju mutacje. Jednocześnie dla zbadania problemu wpływu energii promieniowania na układy biologiczne istotne było wyjaśnienie mutagennego działania różnych rodzajów promieniowania. Okazało się, że wszystkie znane rodzaje promieniowania mogą powodować zmiany dziedziczne. W połowie lat 30. sformułowano teorię opisującą kinetyczne zależności inaktywującego i mutagennego działania promieniowania jonizującego – tzw. „teorię celu”. Najważniejsze eksperymenty, które stały się podstawą tej teorii, przeprowadzono w latach 1931–1937. N.V. Timofeev-Resovsky, M. Delbrück, R. Zimmer i inni badacze.

Ważnym osiągnięciem na drodze do sztucznego wytwarzania mutacji była praca V.V. Sacharowa (1932, 1938) i M.E. Łobaszewa (1934, 1935) nad mutagenezą chemiczną. Sacharow wykazał mutagenne działanie jodu, a Łobaszew – amonu. Nowy etap w badaniu roli czynników chemicznych w procesie mutacji otworzyli I. A. Rapoport (1943, 1946, 1947) i S. Auerbach (1943), którzy zwrócili uwagę na silne działanie mutagenne niektórych substancji chemicznych.

Obecnie znanych jest wiele substancji wspomagających proces mutacji. Opracowano teorię działania związków mutagennych na struktury dziedziczne i intensywnie rozwija się problemy specyfiki działania mutagenów.

Klasyfikacja mutacji

Duża ilość materiału zgromadzonego w zakresie badania zmienności dziedzicznej umożliwiła stworzenie klasyfikacji typów mutacji.

Ustalono istnienie trzech klas mutacji – genowej, chromosomalnej i genomowej. Do pierwszej klasy zalicza się zmiany dotyczące tylko jednego genu. W tym przypadku albo praca genu zostaje całkowicie zakłócona i w konsekwencji organizm traci jedną ze swoich funkcji, albo jego funkcja ulega zmianie. Mutacje chromosomowe, czyli zmiany w strukturze chromosomów, z kolei dzielimy na kilka typów. Oprócz translokacji omówionych powyżej może nastąpić podwojenie, potrojenie itp. poszczególnych odcinków chromosomu. Takie mutacje nazywane są duplikacjami. Czasami uszkodzony fragment chromosomu może pozostać na tym samym chromosomie, ale kończy się do góry nogami; w tym przypadku zmienia się kolejność genów w chromosomie. Ten typ mutacji nazywany jest inwersją. Jeśli część chromosomu zostanie utracona, nazywa się to delecją lub niedoborem. Wszystkie te rodzaje rearanżacji chromosomowych łączy się w ogólnym określeniu - aberracje chromosomowe.

Wreszcie mutacje można wyrazić zmianami w liczbie chromosomów. Takie mutacje nazywane są genomowymi. Okazało się, że poszczególne chromosomy można podwoić lub utracić, co skutkuje powstaniem heteroploidów. Częściej zestaw chromosomów zwiększa się wielokrotnie i powstają poliploidy, czyli komórki lub całe organizmy z nadmiarowymi zestawami chromosomów.

Badanie zestawów chromosomów (kariotypów) różnych gatunków ujawniło powszechne występowanie poliploidii w przyrodzie, zwłaszcza wśród roślin, dla wielu z których opisano dużą liczbę serii poliploidalnych. Na przykład przedstawiciele rodzaju Triticum są ułożeni w następującym rzędzie - Triticum toposossitis ma 14 chromosomów (diploidów); Tr. turgidum, Tr. durum ma 28 chromosomów (tetraploid); w Tr. wulgarne i Tr. spelta, liczba chromosomów wynosi 42 (heksaploidy). W rodzaju Solanum wyśledzono następujące serie: 12, 24, 36, 48, 60, 72, 96, 108, 144 chromosomów (haploidalna liczba chromosomów w tym rodzaju może być pomnożona aż do 24 razy). Rodzaj Rosa charakteryzuje się: 14, 21, 28, 35, 42, 56 chromosomami. Serie poliploidalne niekoniecznie zawierają członków z podwójnymi, poczwórnymi, sześciokrotnymi itp. zestawami chromosomów. Tak więc w rodzaju Crepis istnieje wyraźnie określona poliploidia, ale liczba chromosomów w rzędzie wzrasta w następujący sposób: 6, 8, 10, 12, 16, 18, 24, 40, 42. W roślinie jest wiele takich rodzajów Królestwo.

Sztuczna produkcja poliploidów

Po odkryciu naturalnych poliploidów możliwe było sztuczne uzyskiwanie poliploidów różnych organizmów. Odkrycie to było najważniejszym osiągnięciem genetyki eksperymentalnej.

Jednymi z pierwszych sztucznych poliploidów były pomidory i psiankowate z poczwórnymi zestawami chromosomów, uzyskane przez G. Winklera w 1916 r. Wraz z odkryciem substancji poliploidogennych (alkaloid kolchicyna, produkt sublimacji ropy naftowej – acetanaften itp.) stało się możliwe niezwykle przyspieszają produkcję poliploidów i na ich podstawie rozpoczynają selekcję nowych, wysokowydajnych odmian roślin.

W 1927 roku G.D. Karpechenko, stosując metodę poliploidii, po raz pierwszy na świecie stworzył nowy, niespotykany w przyrodzie organizm zwany Raphanobrassica, w którym chromosomy rzodkiewki (Raphanus) połączono z chromosomami kapusty (Brassica). . W zależności od zawartości tego czy innego rodzaju chromosomów w komórkach nowej rośliny zmieniał się kształt jej owoców. Tak więc, przy równej liczbie obu chromosomów, owoc był w połowie rzadki, w połowie kapusty; z kombinacją 9 rzadkich i 18 chromosomów kapusty, było to w dwóch trzecich kapusta, a w jednej trzeciej rzadka itp. Oceniając swoją pracę Karpechenko zauważył, że można ją uznać za eksperymentalne uzasadnienie teorii hybrydowego pochodzenia gatunków poliploidalnych . Szwedzkiemu genetykowi A. Müntzingowi (1930) metodą krzyżówek udało się uzyskać trzeci – 32-chromosomowy – G. tetrahit (1932) z dwóch 16-chromosomalnych gatunków marynaty (Galeopsis speciosa, G. pubescens).

Później odkryto, że poliploidia nie ogranicza się do świata roślin. Stosując tę ​​samą metodę poliploidyzacji, B.L. Astaurov osiągnął w latach 40. XX wieku produkcję płodnych mieszańców, krzyżując jedwabniki dwóch gatunków: Bombuch mori i B. mandarina.

Badanie genetycznych podstaw ewolucji

Bardzo ważny dla rozwoju nauczania ewolucyjnego okazał się dowód na tezę, że cechy recesywne są niegasnące podczas krzyżowania organizmów, wysunięty przez Mendla. Stanowisko to pozwoliło przezwyciężyć zarzut angielskiego matematyka F. Jenkina, że ​​nowo powstające dziedziczne zmiany w przyrodzie nie mogą rozprzestrzeniać się w przyrodzie na skutek „rozpuszczenia” wśród otaczającej masy normalnych, niezmiennych jednostek. Po ponownym odkryciu praw Mendla i udowodnieniu, że czynniki determinujące rozwój cech dziedzicznych przekazywane są potomkom bez fragmentacji, „koszmar Jenkipa” został rozwiany. Stało się jasne, że wszystkie mutacje występujące w sposób naturalny nie zanikają, lecz przechodzą w stan recesywny lub pozostają dominujące (patrz także rozdział 17).

W 1904 roku K. Pearson uzasadnił tzw. prawo stabilizującego krzyżowania, zgodnie z którym w warunkach swobodnego krzyżowania, przy dowolnym początkowym stosunku liczby homozygotycznych i heterozygotycznych form rodzicielskich, w wyniku pierwszego krzyżowania następuje stan we wspólnocie ustala się równowaga. W 1908 roku angielski matematyk G. Hardy doszedł do wniosku, że w nieograniczonych populacjach, w obecności swobodnego krzyżowania, przy braku presji mutacyjnej, migracji i selekcji, względna liczba homozygot (zarówno dominujących, jak i recesywnych) i heterozygotycznych osobników pozostanie stały, pod warunkiem, że iloczyn liczby osobników homozygotycznych (dominujących nad recesywnymi) będzie równy kwadratowi połowy liczby form heterozygotycznych. Zatem zgodnie z prawem Hardy’ego (często nazywanym także prawem Hardy’ego-Weiberga) w populacji, w której występuje swobodne krzyżowanie, powinien istnieć całkowicie określony i zachowany w równowadze rozkład form zmutowanych. Należy podkreślić, że choć matematycznie ścisła forma tych wzorców dawała bardzo jasne wyobrażenie o genetycznych podstawach procesu ewolucyjnego, to wzorce te przez długi czas nie były rozpoznawane przez biologów ewolucyjnych. Pomiędzy darwinizmem a genetyką istniała rozbieżność, a prace w jednej dziedzinie prowadzono w całkowitej izolacji od pracy w drugiej.

Dopiero w 1926 r. S.S. Czetwerikow opublikował obszerną pracę, w której po raz pierwszy zwrócono uwagę na ogólne biologiczne znaczenie obliczeń Pearsona, Hardy'ego i innych. Czetwerikow szczegółowo zbadał biologiczne i genetyczne podstawy ewolucji (rolę mutacji, czyli genowariacje, w jego terminologii, rozprzestrzenianie się mutacji w warunkach swobodnego krzyżowania, rola doboru naturalnego i izolacji, rola środowiska genotypowego) i położył podwaliny pod nową dyscyplinę naukową – genetykę populacyjną. Dalszy rozwój genetyki populacyjnej wiązał się z pracami S. Wrighta, R. Fishera, N. P. Dubinina, F. G. Dobzhansky'ego i innych.

Chetverikov i jego uczniowie N.K. Belyaev, S.M. Gershenzon, P.F. Rokitsky i D.D. Romashov jako pierwsi przeprowadzili eksperymentalną analizę genetyczną naturalnych populacji Drosophila, która w pełni potwierdziła ich nasycenie mutacjami recesywnymi. Podobne wyniki uzyskali E. A. i N. V. Timofeev-Resovsky podczas badania populacji Drosophila (1927–1931), a także innych badaczy.

Idee Czetwerikowa posłużyły jako podstawa do dalszych badań genetyki populacyjnej. Wzorce wyprowadzone przez Pearsona i Hardy’ego sprawdzały się jedynie w przypadku „idealnych” populacji. Późniejsza analiza wniosków tych autorów wykazała, że ​​mają one zastosowanie jedynie do abstrakcyjnej, nieograniczonej populacji; w populacjach rzeczywistych występuje odchylenie rzeczywistej częstotliwości utrzymywania się mutacji od oczekiwanej. Proces ten przebiega zgodnie z prawami probabilistycznymi i prowadzi do ostrej restrukturyzacji struktury genetycznej populacji. Ponieważ spośród całego potomstwa dowolnej pary rodziców średnio tylko dwa osobniki osiągają dojrzałość płciową i wydają potomstwo, możliwość utrzymania się nowo powstałej mutacji w populacji zależy od wielu czynników (prawdopodobieństwo jej śmierci, częstotliwość ponownego -występowanie tej samej mutacji; różnice w liczbie potomków pozostałych od różnych rodziców, stopień izolacji w populacji itp.).

Stwierdzono, że zachowanie i rozprzestrzenianie się mutacji w populacji jest zdeterminowane procesami genetyczno-automatycznymi. Szczegółową analizę tych procesów przeprowadzili Romaszow (1931), Dubinin (1931) i Wright (1921, 1931). Ten ostatni nazwał je „zjawiskiem dryfu genetycznego w populacji”, a Czetwerikow nazwał je „genetyczno-stochastycznym”, podkreślając ich probabilistyczno-statystyczny charakter. Analiza statystyczna, poparta eksperymentami na rzeczywistych populacjach, wykazała, że ​​średnio ze 104 różnych jednocześnie występujących mutacji, po 100 pokoleniach pozostaje około 150 mutacji, a po 500 pokoleniach - tylko 40*. Zatem w wyniku procesów genetyczno-automatycznych wiele powstających mutacji ulega zniszczeniu, a tylko nieliczne doprowadzone są do poziomu zauważalnych koncentracji. Ponieważ selekcja w populacji silnie zależy od średniego stężenia alleli, wzrost liczby pojedynczych mutacji w wyniku procesów genetyczno-automatycznych powinien prowadzić do gwałtownego wzrostu szybkości selekcji w populacji. Ze względu na probabilistyczny charakter procesów genetyczno-automatycznych mogą one albo eliminować pojedyncze mutacje, albo zwiększać ich liczbę, umożliwiając selekcję przeprowadzaną metodą „prób i błędów”. Procesy genetyczno-automatyczne stale doprowadzają rzadkie mutacje do poziomu selekcji i tym samym pomagają tym ostatnim szybko „rozważyć” nowe warianty mutantów. Jeśli selekcja odrzuci mutacje, szybko przenoszą się one do strefy o niskich stężeniach lub całkowicie znikają z populacji; jeśli selekcja je wyłapie, szybko rozprzestrzeniają się po populacji, omijając długą fazę przebywania w niskim stężeniu, niedostępnym dla selekcji. Zatem procesy genetyczno-automatyczne przyspieszają ewolucję nowych mutacji poprzez ograniczenie wczesnych etapów reprodukcji nowo powstałych mutacji.

* (I. P. Dubinin. Ewolucja populacji i promieniowanie. M., Atomizdat, 1966.)

Szczegółowe badanie struktury genetycznej naturalnych populacji i tempa rozprzestrzeniania się mutacji w przyrodzie stało się obecnie dziedziną biologii, aktywnie rozwijaną w oparciu o metody matematyczne. Duże znaczenie dla rozwoju tej dziedziny mają eksperymenty modelowe, w których bada się losy utworzonych eksperymentalnie populacji i określa rolę różnych form izolacji i selekcji.

Problem fragmentacji genów

Już na początku lat 30. XX w. Powstały podstawy teorii genów. Już pierwsze osiągnięcia analizy hybrydologicznej podnosiły problem dyskretności materiału dziedzicznego. W eksperymentach Mendla pomysł ten uzyskał wiarygodne potwierdzenie eksperymentalne. Uważano, że gen odpowiada za rozwój jednej cechy i przekazywany jest podczas krzyżówek jako niepodzielna całość. Odkrycie mutacji i krzyżowanie początkowo również potwierdziło niepodzielność genów. W ten sposób A. Katell uzyskał inne mutanty od zmutowanych (żółtych) muszek owocowych, ale każda nowa mutacja przechwytywała cały gen. N.V. Timofeev-Resovsky (1925-1929), G. Möller (1928) i M. Demerets (1928), otrzymawszy tzw. mutacje odwrotne (tj. zamieniając zmutowane muchy w normalne), upewnili się, że jeden stan genu całkowicie zastąpiony nowym. Badając krzyżowanie, odkryto również, że podczas tego procesu mogą być przekazywane fragmenty chromosomów o różnej długości, ale minimalny transmitowany obszar odpowiada jednemu genowi. Nigdy nie zaobserwowano przerw w genie. W wyniku uogólnienia wszystkich tych danych definicja genu otrzymała następujące sformułowanie: gen jest elementarną jednostką dziedziczności, charakteryzującą się bardzo specyficzną funkcją, mutującą w całości podczas krzyżowania. Innymi słowy, gen jest jednostką funkcji genetycznej, mutacji i krzyżowania.

W 1928 roku ta pozornie ugruntowana teoria niepodzielności genu uległa pierwszemu ograniczeniu. Natychmiast po odkryciu mutagennego działania promieni rentgenowskich zaczęto je stosować w wielu laboratoriach na całym świecie w celu wytworzenia mutacji. Takie prace przeprowadzono również w laboratorium A. S. Serebrovsky'ego w Instytucie Biologicznym. K. A. Timiryazeva. W 1928 roku w tym samym laboratorium N.P. Dubinin zaczął badać wpływ promieni rentgenowskich na muszki owocowe i odkrył niezwykłą mutację. Tworzenie włosia na ciele much jest kontrolowane przez specjalny gen scute. Mutacja genu scute, odkryta po raz pierwszy przez amerykańskiego genetyka Paine'a (1920), pojawiała się wielokrotnie w eksperymentach, a kiedy się pojawiała, rozwój dziewięciu szczecin został zahamowany. Mutacja scute zidentyfikowana przez Dubinina hamowała rozwój tylko czterech szczecin. Od czasu ogólnie przyjętej koncepcji całkowitej mutacji genu, pojawienie się takiej mutacji wydawało się całkowicie niezrozumiałe. W kolejnym eksperymencie stwierdzono mutację, która dotyczyła nie 4 czy 9, ale 18 włosków na ciele muchy. Innymi słowy, było to tak, jakby dwa geny zostały uszkodzone jednocześnie. Dubinin oznaczył te mutacje symbolami scute-1, scute-2 i scute-3. Stało się jasne, że gen nie jest niepodzielną strukturą genetyczną, ale regionem chromosomu, którego poszczególne odcinki mogą mutować niezależnie od siebie. Zjawisko to nazwano allelomorfizmem kroku Serebrowskiego.

Po N.P. Dubininie, I.I. Agol znalazł czwartą mutację - scute-4, która nie pokrywała się z pierwszymi trzema; A. E. Gaisinovich - scute-5; następnie A.S. Serebrovsky odkrył mutację scute-b; S. G. Levit - scute-7; B. N. Sidorov - scute-8; N. P. Dubinin - mutacje scute-9, scute-10, scute-11, scute-13, scute-15, scute-16, scute-17; H. I. Shapiro - scute-12; Prom L.V. - scute-14. W ten sposób ostatecznie udowodniono zjawisko fragmentacji genów.

Jedną z głównych zalet pracy nad badaniem allelomorfów stopniowych była ilościowa metoda rozliczania mutantów. Po opracowaniu systemu, który umożliwił ilościową ocenę wyniku każdej mutacji, Serebrovsky, Dubinin i inni autorzy odkryli następnie zjawisko uzupełniania jednego zmutowanego genu innym. W tym przypadku upośledzona funkcja jednego genu została skorygowana przez prawidłową funkcję innego genu. Z kolei drugi gen może być wadliwy w innym regionie, który był prawidłowy w pierwszym genie. Zjawisko to zostało później ponownie odkryte w mikroorganizmach i nazwano je komplementacją. Za serię prac nad chromosomalną teorią dziedziczności i teorią mutacji Dubinin otrzymał w 1966 roku Nagrodę Lenina.

Po wykazaniu mutacyjnej fragmentacji genu Serebrovsky i personel jego laboratorium przez długi czas nie mogli jednak potwierdzić fragmentacji genu za pomocą krzyżowania. Faktem jest, że rozdzielczość krzyżowania w odniesieniu do chromosomów organizmów wyższych jest bardzo ograniczona. Aby wykryć pęknięcie genu, konieczne było przetestowanie ogromnej liczby much. Taki eksperyment udało się zorganizować dopiero w 1938 r., kiedy N.P. Dubinin, N.N. Sokolov i G.G. Tinyakov zdołali złamać gen scute i sprawdzić cytologicznie ich wynik na gigantycznych chromosomach gruczołów ślinowych Drosophila. Ostateczne rozwiązanie kwestii, czy gen jest podzielny nie tylko mutacyjnie, ale także mechanicznie, osiągnięto w pracach M. Greena (1949), E. Lewisa (1951) i G. Pontecorvo (1952). Ostatecznie ustalono, że błędne jest uważanie genu za niezwykle stabilną, w dalszym ciągu niepodzielną strukturę. Nadszedł czas na opracowanie nowej teorii genów, aby zidentyfikować konkretne struktury fizyczne odpowiedzialne za realizację różnych funkcji genetycznych. Rozwiązanie tych problemów w złożonych organizmach wielokomórkowych nie było możliwe ze względu na trudności czysto techniczne, ponieważ w tym celu konieczne było zbadanie dziesiątek i setek tysięcy much. Na ratunek przyszły mikroorganizmy.

Największym krokiem naprzód w badaniu problemów genetycznych było przejście do badań genetycznych na mikroorganizmach. Nowe obiekty badawcze miały tę zaletę, że wytwarzały ogromne populacje, rozmnażały się niezwykle szybko, posiadały niezwykle prosty aparat genetyczny (ich chromosomy składały się z pojedynczej cząsteczki DNA) oraz posiadały wyraźne, dobrze selekcjonowane mutanty. Wraz z rozwojem eksperymentów na mikroorganizmach genetyka przeniosła się na poziom badań molekularnych, które przyniosły odpowiedzi na wiele tajemnic organizacji żywych istot.

Chromosomowa teoria dziedziczności opiera się na wiedzy naukowców na temat struktury genów i ich przekazywania kolejnym pokoleniom. Pozwala to odpowiedzieć na niektóre pytania związane z naszym pochodzeniem, danymi zewnętrznymi, zachowaniem, chorobami itp. Chromosomalna teoria dziedziczności polega na kolejności przekazywania od rodziców dzieciom informacji zawartych w genach, które razem dają początek nowej osoba.

Dziedziczność

Informacja jest dziedziczona przez tysiące genów znajdujących się w jądrach komórki jajowej i plemniku, tworząc nowy organizm. Każdy gen ma kod, który syntetyzuje jeden konkretny typ białka. Proces ten jest uporządkowany, co pozwala przewidzieć cechy przyszłego pokolenia. Wyjaśnia to fakt, że geny (jednostki dziedziczenia) są łączone w określonej kolejności. Ciekawostką pozostaje, że każda komórka zawiera parę chromosomów odpowiedzialnych za jedno białko. Zatem każdy gen jest sparowany (alleliczny). Jeden z nich dominuje, drugi jest w stanie „uśpienia”. Jest to nieodłączne dla wszystkich komórek organizmu, z wyjątkiem komórek płciowych (które mają tylko jedną nić DNA, aby podczas fuzji w zygotę utworzyć pełnoprawne jądro z pełnym zestawem chromosomów). Te proste prawdy nazywane są „chromosomalną teorią dziedziczności” lub genetyką mendlowską.

Potomstwo

Podczas powstawania gamet pary genów rozdzielają się, ale podczas zapłodnienia dzieje się coś innego: geny komórki jajowej i plemnika łączą się. Nowa kombinacja umożliwia identyfikację rozwoju określonych cech u potomstwa. Ponieważ każdy rodzic ma geny alleliczne, nie jest w stanie przewidzieć, które z nich zostaną przekazane dziecku. Oczywiście, zgodnie z jednym z praw Mendla, geny dominujące są silniejsze, dlatego istnieje duże prawdopodobieństwo, że ujawnią się u dziecka, ale wszystko zależy od przypadku.

Choroby

Ludzkie chromosomy składają się z 23 par. Czasami zestaw może być nieprawidłowy w wyniku dołączenia dodatkowego genu. Mogą wtedy wystąpić różnego rodzaju mutacje. Nazywa się to również „zespołem chromosomowym” - zmianą w strukturze łańcucha DNA: inwersją chromosomu, jego utratą, duplikacją, przegrupowaniem w określonym obszarze. Możliwa jest także wymiana odcinków odmiennych chromosomów, zmiana układu określonej sekcji lub przeniesienie genu z jednego chromosomu na drugi. Następujące choroby są uderzającymi przykładami takich objawów.

1. Syndrom płaczu kota

Chromosomowa teoria dziedziczności potwierdza, że ​​przyczyną takiego zaburzenia jest utrata krótkiego ramienia piątego chromosomu. Choroba ta objawia się już w pierwszych minutach życia w postaci płaczu, przypominającego kocie „miau”. Po kilku tygodniach objaw ten znika. Im dziecko starsze, tym bardziej widoczny jest nieprawidłowy rozwój: początkowo wyróżnia się niską masą ciała, następnie coraz wyraźniej zauważalna jest asymetria twarzy, pojawia się małogłowie, skośne oczy, szeroka grzbiet nosa, nieprawidłowe uszy z zewnętrzną końcówką przewodu słuchowego i możliwa wada serca. Nieodłączną częścią choroby jest upośledzenie fizyczne i umysłowe.

• Aneuploidia(liczba chromosomów nie jest wielokrotnością zestawu haploidalnego). Uderzającym przykładem jest zespół Edwardsa. U płodu objawiającego się wczesnym porodem występuje hipoplazja mięśni szkieletowych, niska masa ciała i małogłowie. Określa się obecność rozszczepu wargi, brak dużego palca u nogi, wady narządów wewnętrznych i ich nieprawidłowy rozwój. Tylko nieliczni przeżywają i pozostają upośledzeni umysłowo przez całe życie.
• Poliploidia(wielokrotna liczba chromosomów). Zespół Patau objawia się nieprawidłowościami zewnętrznymi i psychicznymi. Dzieci rodzą się głuche i mają upośledzenie umysłowe. Chromosomalna teoria dziedziczności jest zawsze potwierdzana, co pozwala przewidzieć rozwój płodu w macicy i, jeśli to konieczne, przerwać ciążę.

Temat 32. Chromosomalna teoria dziedziczności. Prawo Morgana

Wstęp
1. T. G. Morgan – największy genetyk XX wieku.
2. Przyciąganie i odpychanie
3. Chromosomalna teoria dziedziczności
4. Wzajemne ułożenie genów
5. Mapy grup sprzężonych, lokalizacja genów w chromosomach
6. Mapy cytologiczne chromosomów
7. Wnioski
Bibliografia

1. WSTĘP

Trzecie prawo Mendla – zasada niezależnego dziedziczenia cech – ma istotne ograniczenia.
W eksperymentach własnych Mendla oraz w pierwszych eksperymentach przeprowadzonych po drugim odkryciu praw Mendla do badań włączono geny zlokalizowane na różnych chromosomach, w wyniku czego nie stwierdzono żadnych rozbieżności z trzecim prawem Mendla. Nieco później odkryto fakty sprzeczne z tym prawem. Stopniowa akumulacja i badanie ich doprowadziło do ustanowienia czwartego prawa dziedziczności, zwanego prawem Morgana (na cześć amerykańskiego genetyka Thomasa Genta Morgana, który jako pierwszy je sformułował i uzasadnił) lub zasadą powiązań.
W 1911 roku w artykule „Wolna segregacja a nie przyciąganie w dziedziczności mendlowskiej” Morgan napisał: „Zamiast swobodnej segregacji w sensie mendlowskim znaleźliśmy „powiązanie czynników” zlokalizowane blisko siebie na chromosomach. Cytologia zapewniła mechanizm wymagany na podstawie danych eksperymentalnych.
Słowa te w skrócie formułują główne założenia chromosomalnej teorii dziedziczności opracowanej przez T. G. Morgana.

1. T. G. MORGAN – NAJWIĘKSZY GENETYK XX wieku.

Thomas Gent Morgan urodził się 25 września 1866 roku w Kentucky (USA). W 1886 roku ukończył studia na uniwersytecie tego stanu. W 1890 r. T. Morgan uzyskał stopień doktora filozofii, a rok później został profesorem w żeńskim college'u w Pensylwanii. Główny okres jego życia związany był z Uniwersytetem Columbia, gdzie od 1904 roku przez 25 lat pełnił funkcję kierownika katedry zoologii doświadczalnej. W 1928 roku został zaproszony do kierowania specjalnie dla niego zbudowanym laboratorium biologicznym w California Institute of Technology w miasteczku niedaleko Los Angeles, gdzie pracował aż do śmierci.
Pierwsze badania T. Morgana poświęcone były zagadnieniom embriologii eksperymentalnej.
W 1902 roku młody amerykański cytolog Walter Setton (1877-1916), pracujący w laboratorium E. Wilsona (1856-1939), zasugerował, że osobliwe zjawiska charakteryzujące zachowanie chromosomów podczas zapłodnienia były najprawdopodobniej mechanizmem wzorców mendlowskich. T. Morgan był dobrze zaznajomiony z samym E. Wilsonem i pracą jego laboratorium, dlatego też stwierdzając w 1908 roku u samców filoksery obecność dwóch odmian plemników, z których jeden posiadał dodatkowy chromosom, przypuszczał, że związek natychmiast powstał z cech płciowych wraz z wprowadzeniem odpowiednich chromosomów. Zatem T. Morgan przeszedł do zagadnień genetyki. Wpadł na pomysł, że nie tylko płeć jest powiązana z chromosomami, ale być może zlokalizowane są w nich inne dziedziczne skłonności.
Skromny budżet laboratorium uniwersyteckiego zmusił T. Morgana do poszukiwania bardziej odpowiedniego obiektu do eksperymentów w badaniu dziedziczności. Od myszy i szczurów przechodzimy do muszki owocowej Drosophila, której wybór okazał się niezwykle udany. Prace szkoły T. Morgana, a następnie większości innych instytucji zajmujących się badaniami genetycznymi, skupiały się na tym obiekcie. Najważniejsze odkrycia w genetyce lat 20. i 30. XX wieku. XX wiek związany z Drosophilą.
W 1910 roku opublikowano pierwszą pracę genetyczną T. Morgana „Sex-Limited Heredity in Drosophila” opisującą mutację białooką. Późniejsza, naprawdę gigantyczna praca T. Morgana i jego współpracowników umożliwiła połączenie danych cytologicznych i genetycznych w jedną całość, a kulminacją było stworzenie chromosomalnej teorii dziedziczności. Główne prace T. Morgana „Strukturalne podstawy dziedziczności”, „Teoria genów”, „Eksperymentalne podstawy ewolucji” i inne wyznaczają postępujący rozwój nauk genetycznych.
Wśród biologów XX wieku. T. Morgan wyróżnia się jako genialny genetyk eksperymentalny i badacz szerokiego spektrum zagadnień.
W 1931 r. T. Morgan został wybrany członkiem honorowym Akademii Nauk ZSRR, a w 1933 r. otrzymał Nagrodę Nobla.

2. PRZYCIĄGANIE I ODPRĘŻANIE

Po raz pierwszy odchylenie od zasady niezależnego dziedziczenia cech zauważyli Bateson i Punnett w 1906 roku, badając charakter dziedziczenia barwy kwiatów i kształtu pyłku u groszku cukrowego. U groszku cukrowego dominuje fioletowa barwa kwiatów (kontrolowana przez gen B) nad czerwoną (w zależności od genu B), a podłużny kształt dojrzałego pyłku („długi pyłek”) związany jest z obecnością 3 porów, co jest kontrolowane przez gen L, dominuje pyłek „okrągły” z 2 porami, których powstawanie jest kontrolowane przez gen l.
Podczas krzyżowania groszku fioletowego z długim pyłkiem i groszku czerwonego z okrągłym pyłkiem wszystkie rośliny pierwszego pokolenia mają fioletowe kwiaty i długi pyłek.
W drugim pokoleniu spośród 6952 przebadanych roślin znaleziono 4831 roślin o kwiatach fioletowych i długim pyłku, 390 o kwiatach fioletowych i pyłku okrągłym, 393 o kwiatach czerwonych i długim pyłku oraz 1338 o kwiatach czerwonych i pyłku okrągłym.
Stosunek ten dobrze odpowiada oczekiwanemu podziałowi, jeśli podczas tworzenia gamet pierwszego pokolenia geny B i L występują 7 razy częściej w kombinacjach, w których występowały w formach rodzicielskich (BL i bl) niż w nowych kombinacjach (Bl i bL) (tab. 1).
Wydaje się, że geny B i L, a także b i l, przyciągają się do siebie i z trudem można je od siebie oddzielić. To zachowanie genów nazwano przyciąganiem genów. Założenie, że gamety z genami B i L w kombinacjach, w jakich występowały w formach rodzicielskich, spotykane są 7 razy częściej niż gamety z nową kombinacją (w tym przypadku Bl i bL) znalazło bezpośrednie potwierdzenie w wynikach tzw. analizując krzyże.
Krzyżując mieszańce pierwszej generacji (F1) (genotyp BbLl) z recesywnym rodzicem (bbll) uzyskano następujący podział: 50 roślin o kwiatach fioletowych i długim pyłku, 7 roślin o kwiatach fioletowych i pyłku okrągłym, 8 roślin o kwiatach czerwonych i długi pyłek i 47 roślin o kwiatach czerwonych i pyłku okrągłym, co bardzo dobrze odpowiada oczekiwanemu stosunkowi: 7 gamet ze starymi kombinacjami genów do 1 gamet z nowymi kombinacjami.
W krzyżówkach, w których jedno z rodziców posiadało genotyp BBll, a drugie bbLL, segregacja w drugim pokoleniu miała już zupełnie inny charakter. W jednej z tych krzyżówek F2 było 226 roślin o kwiatach fioletowych i długim pyłku, 95 o kwiatach fioletowych i okrągłym pyłku, 97 o kwiatach czerwonych i długim pyłku oraz jedna roślina o kwiatach czerwonych i okrągłym pyłku. W tym przypadku wydaje się, że geny B i L odpychają się nawzajem. To zachowanie czynników dziedzicznych nazwano odpychaniem genów.
Ponieważ przyciąganie i odpychanie genów było bardzo rzadkie, uznano to za pewnego rodzaju anomalię i rodzaj genetycznej ciekawości.
Nieco później odkryto u groszku cukrowego jeszcze kilka przypadków przyciągania i odpychania (kształt kwiatu i kolor kątów liści, kolor kwiatów i kształt żagli kwiatowych oraz kilka innych par cech), nie zmieniło to jednak ogólnej oceny zjawiska przyciąganie i odpychanie jako anomalia.
Jednak ocena tego zjawiska uległa diametralnej zmianie po latach 1910-1911. T. Morgan i jego uczniowie odkryli liczne przypadki przyciągania i odpychania u muszki owocowej Drosophila, bardzo korzystnego obiektu badań genetycznych: jej uprawa jest tania i można ją prowadzić w warunkach laboratoryjnych na bardzo szeroką skalę, jej żywotność jest krótka i w ciągu jednego roku można uzyskać kilkadziesiąt pokoleń, kontrolowane krzyżowania są łatwe do wykonania, występują tylko 4 pary chromosomów, w tym para płciowa, które wyraźnie się od siebie odróżniają.
Dzięki temu Morgan i jego współpracownicy szybko odkryli dużą liczbę mutacji w czynnikach dziedzicznych, które determinują cechy, które są wyraźnie widoczne i łatwe do zbadania, oraz byli w stanie przeprowadzić liczne krzyżowania w celu zbadania natury dziedziczenia tych cech. Okazało się, że wiele genów muszki Drosophila nie jest dziedziczonych niezależnie od siebie, lecz wzajemnie się przyciąga lub odpycha, a geny wykazujące takie oddziaływanie można podzielić na kilka grup, w ramach których wszystkie geny wykazywały mniej lub bardziej silnie wyrażane wzajemne przyciąganie lub odpychanie.
Na podstawie analizy wyników tych badań T. G. Morgan zasugerował, że przyciąganie zachodzi pomiędzy genami nieallelomorficznymi zlokalizowanymi na tym samym chromosomie i utrzymuje się do czasu, aż geny te zostaną oddzielone od siebie w wyniku pęknięcia chromosomu podczas podziału redukcyjnego i nastąpi odpychanie w przypadkach, gdy badane geny znajdują się na różnych chromosomach tej samej pary chromosomów homologicznych
Wynika z tego, że przyciąganie i odpychanie genów to różne aspekty tego samego procesu, którego materialną podstawą jest odmienne rozmieszczenie genów w chromosomach. Dlatego Morgan zaproponował porzucenie dwóch odrębnych koncepcji „przyciągania” i „odpychania” genów i zastąpienie ich jedną ogólną koncepcją „połączenia genów”, wierząc, że zależy to od ich umiejscowienia w obrębie jednego chromosomu w porządku liniowym.

3. CHROMOSOMALNA TEORIA DZIEDZICTWA

Po dalszych badaniach powiązań genów szybko ustalono, że liczba grup powiązań u Drosophila (4 grupy) odpowiada haploidalnej liczbie chromosomów u tej muszki, a wszystkie zbadane wystarczająco szczegółowo geny zostały rozdzielone pomiędzy te 4 grupy powiązań. Początkowo względna lokalizacja genów w chromosomie pozostawała nieznana, ale później opracowano technikę określania kolejności lokalizacji genów znajdujących się w tej samej grupie sprzężeń, w oparciu o ilościowe określenie siły powiązania między nimi.
Ilościowe określenie siły powiązania genowego opiera się na następujących przesłankach teoretycznych. Jeżeli w organizmie diploidalnym dwa geny A i B zlokalizowane są na jednym chromosomie, a recesywne allelomorfy tych genów a i b zlokalizowane są na innym, homologicznym z nim chromosomie, wówczas geny A i B mogą się od siebie oddzielić i wejść w nowe kombinacje z ich recesywnych allelomorfów jedynie w przypadku, gdy chromosom, w którym się znajdują, ulegnie uszkodzeniu w obszarze pomiędzy tymi genami i w miejscu pęknięcia nastąpi połączenie pomiędzy odcinkami tego chromosomu a jego homologiem.
Takie pęknięcia i nowe kombinacje regionów chromosomów faktycznie zachodzą podczas koniugacji homologicznych chromosomów podczas podziału redukcyjnego. Ale w tym przypadku wymiana odcinków zwykle nie zachodzi między wszystkimi 4 chromatydami tworzącymi chromosomy dwuwartościowych, ale tylko między dwiema z tych 4 chromatyd. Zatem chromosomy powstałe w wyniku pierwszego podziału mejozy, podczas takich wymian, składają się z dwóch nierównych chromatyd - niezmienionych i zrekonstruowanych w wyniku wymiany. W II podziale mejozy te nierówne chromatydy rozchodzą się do przeciwnych biegunów i dzięki temu komórki haploidalne powstałe w wyniku podziału redukcyjnego (zarodniki lub gamety) otrzymują chromosomy składające się z identycznych chromatyd, ale tylko połowa komórek haploidalnych otrzymuje chromosomy zrekonstruowane, a drugą połowę przyjęliśmy bez zmian.
Ta wymiana odcinków chromosomów nazywana jest krzyżowaniem. Przy wszystkich pozostałych czynnikach krzyżowanie się dwóch genów znajdujących się na tym samym chromosomie następuje rzadziej, im bliżej siebie się znajdują. Częstotliwość krzyżowania się genów jest proporcjonalna do odległości między nimi.
Określenie częstości krzyżowania odbywa się zwykle za pomocą tzw. krzyżówek analitycznych (krzyżowanie hybryd F1 z recesywnym rodzicem), chociaż można w tym celu wykorzystać również F2 uzyskane w wyniku samozapylenia mieszańców F1 lub krzyżowania ze sobą hybryd F1.
To określenie częstotliwości krzyżowania możemy rozważyć na przykładzie siły adhezji pomiędzy genami C i S w kukurydzy. Gen C warunkuje powstawanie barwnego bielma (zabarwionych nasion), a jego recesywny allel c powoduje bielmo bezbarwne. Gen S powoduje powstawanie bielma gładkiego, a jego recesywny allel s warunkuje powstawanie bielma pomarszczonego. Geny C i S znajdują się na tym samym chromosomie i są ze sobą dość silnie powiązane. W jednym z eksperymentów przeprowadzonych w celu ilościowego określenia siły adhezji tych genów uzyskano następujące wyniki.
Roślinę o kolorowych, gładkich nasionach, homozygotyczną pod względem genów C i S, posiadającą genotyp CCSS (rodzic dominujący), skrzyżowano z rośliną o nasionach bezbarwnych, pomarszczonych, o genotypie CCSS (rodzic recesywny). Hybrydy F1 pierwszej generacji zostały ponownie skrzyżowane z recesywnym rodzicem (krzyżówka testowa). W ten sposób uzyskano 8368 nasion F2, w których stwierdzono następujący podział ze względu na barwę i zmarszczki: 4032 nasiona kolorowe gładkie; 149 malowane pomarszczone; 152 niemalowany gładki; 4035 niebarwiony, pomarszczony.
Jeżeli podczas tworzenia makro- i mikrospor w mieszańcach F1 geny C i S były rozmieszczone niezależnie od siebie, to w krzyżówce testowej wszystkie te cztery grupy nasion powinny być reprezentowane w równej liczbie. Ale tak nie jest, ponieważ geny C i S znajdują się na tym samym chromosomie, są ze sobą powiązane, w wyniku czego spory z rekombinowanymi chromosomami zawierającymi geny Cs i cS powstają tylko w przypadku krzyżowania się między genów C i S, co występuje stosunkowo rzadko.
Procent krzyżowania genów C i S można obliczyć ze wzoru:

X = a + b / n x 100%,

Gdzie a jest liczbą krzyżowań ziaren jednej klasy (ziarna o genotypie Cscs, pochodzące z połączenia gamet Cs hybrydy F1 z gametami cs recesywnego rodzica); c jest liczbą przechodzących ziaren drugiej klasy (cScs); n jest całkowitą liczbą ziaren uzyskanych w wyniku analizy krzyżowania.
Schemat przedstawiający dziedziczenie chromosomów zawierających sprzężone geny w kukurydzy (wg Hutchinsona). Dziedziczne zachowanie genów kolorowego (C) i bezbarwnego (c) aleuronu, pełnego (S) i pomarszczonego (s) bielma, a także chromosomów niosących te geny podczas krzyżowania ze sobą dwóch czystych typów i podczas krzyżowania wstecznego F1 z wskazany jest podwójny recesywny.
Podstawiając do wzoru otrzymaną w tym doświadczeniu liczbę ziaren różnych klas otrzymujemy:

X = a + b / n x 100% = 149 + 152 / 8368 x 100% = 3,6%

Odległość między genami w grupach łączących wyraża się zwykle jako procent krzyżowania lub w morganidach (morganid to jednostka wyrażająca siłę powiązania, nazwana za sugestią A. S. Serebrovsky'ego na cześć T. G. Morgana, równa 1% krzyżowania nad). W tym przypadku można powiedzieć, że gen C znajduje się w odległości 3,6 morganidów od genu S.
Teraz możesz użyć tego wzoru do określenia odległości między B i L w groszku słodkim. Podstawiając do wzoru liczby otrzymane ze skrzyżowania analitycznego i podane powyżej, otrzymujemy:

X = a + b / n x 100% = 7 + 8 / 112 x 100% = 11,6%

U groszku słodkiego geny B i L znajdują się na tym samym chromosomie w odległości 11,6 morganidów od siebie.
W ten sam sposób T. G. Morgan i jego uczniowie określili procent krzyżowania między wieloma genami zawartymi w tej samej grupie połączeń dla wszystkich czterech grup połączeń Drosophila. Okazało się, że odsetek krzyżowań (lub odległość u morganidów) pomiędzy różnymi genami wchodzącymi w skład tej samej grupy połączeń okazał się znacząco różny. Oprócz genów, pomiędzy którymi krzyżowanie zachodziło bardzo rzadko (ok. 0,1%), występowały także geny, pomiędzy którymi w ogóle nie wykryto powiązania, co wskazywało, że niektóre geny są zlokalizowane bardzo blisko siebie, a inne bardzo blisko siebie . daleko.

4. WZGLĘDNA LOKALIZACJA GENÓW

Aby określić lokalizację genów, założono, że są one ułożone w porządku liniowym na chromosomach i że rzeczywista odległość między dwoma genami jest proporcjonalna do częstotliwości krzyżowania się między nimi. Założenia te otworzyły możliwość określenia względnej pozycji genów w grupach łączących.
Załóżmy, że znane są odległości (% skrzyżowań) między trzema genami A, B i C i wynoszą one 5% między genami A i B, 3% między B i C oraz 8% między genami A i C.
Załóżmy, że gen B znajduje się na prawo od genu A. W którą stronę od genu B powinien znajdować się gen C?
Jeśli założymy, że gen C znajduje się na lewo od genu B, to w tym przypadku odległość między genami A i C powinna być równa różnicy odległości między genami A - B i B - C, tj. 5% - 3 % = 2%. Ale w rzeczywistości odległość między genami A i C jest zupełnie inna i wynosi 8%. Dlatego założenie jest błędne.
Jeśli teraz założymy, że gen C znajduje się na prawo od genu B, to w tym przypadku odległość między genami A i C powinna być równa sumie odległości między genami A - B i genami B - C, tj. 5% + 3% = 8%, co w pełni odpowiada odległości ustalonej doświadczalnie. Zatem założenie to jest prawidłowe, a lokalizację genów A, B i C na chromosomie można schematycznie przedstawić następująco: A – 5%, B – 3%, C – 8%.
Po ustaleniu względnych pozycji 3 genów, lokalizację czwartego genu w stosunku do tych trzech można określić, znając jego odległość tylko od 2 z tych genów. Można założyć, że odległość genu D od dwóch genów - B i C spośród omówionych powyżej 3 genów A, B i C jest znana i wynosi 2% pomiędzy genami C i D oraz 5% pomiędzy B i D Próba umieszczenia genu D na lewo od genu C kończy się niepowodzeniem ze względu na oczywistą rozbieżność różnicy odległości między genami B - C i C - D (3% - 2% = 1%) do zadanej odległości między genami B i D (5%). I odwrotnie, umieszczenie genu D na prawo od genu C daje pełną zgodność pomiędzy sumą odległości między genami B - C i genami C - D (3% + 2% = 5%) do danej odległości między genami B i D (5%). Kiedy już ustalimy położenie genu D względem genów B i C, bez dodatkowych eksperymentów możemy obliczyć odległość pomiędzy genami A i D, gdyż powinna ona być równa sumie odległości pomiędzy genami A – B i B – D (5% + 5% = 10%).
Badając powiązania między genami należącymi do tej samej grupy powiązań, wielokrotnie sprawdzano eksperymentalnie odległości między nimi, obliczone wcześniej w taki sam sposób, jak to zrobiono powyżej dla genów A i D, i we wszystkich przypadkach uzyskano bardzo dobry wynik. uzyskano zgodę.
Jeśli znana jest lokalizacja 4 genów, powiedzmy A, B, C, D, wówczas piąty gen można z nimi „połączyć”, jeśli znane są odległości między genem E a niektórymi dwoma z tych 4 genów oraz odległości między genami E i pozostałe dwa geny można obliczyć czterokrotnie, tak jak zrobiono to dla genów A i D w poprzednim przykładzie.

5. MAPY GRUP POŁĄCZEŃ, LOKALIZACJA GENÓW W CHROMOSOMACH

Stopniowo łącząc coraz więcej genów z pierwotnymi trzema lub czterema połączonymi genami, dla których wcześniej ustalono ich względne położenie, opracowano mapy grup połączeń.
Kompilując mapy grup sprzęgieł, należy wziąć pod uwagę szereg funkcji. Biwalent może doświadczyć nie jednego, ale dwóch, trzech, a nawet większej liczby skrzyżowań chiasmata i związanych z chiazmatami. Jeżeli geny są zlokalizowane bardzo blisko siebie, to prawdopodobieństwo, że na chromosomie pomiędzy takimi genami powstaną dwie chiazmaty i nastąpią dwie wymiany nici (dwa skrzyżowania) jest znikome. Jeśli geny są zlokalizowane stosunkowo daleko od siebie, znacznie wzrasta prawdopodobieństwo podwójnego przejścia w obszarze chromosomu pomiędzy tymi genami w tej samej parze chromatyd. Tymczasem drugie skrzyżowanie w tej samej parze chromatyd między badanymi genami w rzeczywistości anuluje pierwsze skrzyżowanie i eliminuje wymianę tych genów między homologicznymi chromosomami. W związku z tym zmniejsza się liczba krzyżujących się gamet i wydaje się, że geny te są zlokalizowane bliżej siebie niż w rzeczywistości.
Schemat podwójnego krzyżowania w jednej parze chromatyd pomiędzy genami A i B oraz genami B i C. I - moment przejścia; II - zrekombinowane chromatydy AcB i aCb.
Co więcej, im dalej badane geny są od siebie położone, tym częściej dochodzi między nimi do podwójnego krzyżowania i tym większe jest zniekształcenie prawdziwej odległości między tymi genami spowodowane podwójnym krzyżowaniem.
Jeśli odległość między badanymi genami przekracza 50 morganidów, wówczas na ogół niemożliwe jest wykrycie powiązania między nimi poprzez bezpośrednie określenie liczby krzyżujących się gamet. W nich, podobnie jak w genach w niezwiązanych ze sobą homologicznych chromosomach, podczas krzyżowania analitycznego tylko 50% gamet zawiera kombinację genów odmiennych od tych, które były obecne w mieszańcach pierwszej generacji.
Dlatego podczas kompilowania map grup połączeń odległości między odległymi genami określa się nie poprzez bezpośrednie określenie liczby krzyżujących się gamet w krzyżówkach testowych z udziałem tych genów, ale poprzez dodanie odległości między wieloma blisko rozmieszczonymi genami znajdującymi się między nimi.
Ta metoda zestawiania map grup połączeń umożliwia dokładniejsze określenie odległości między stosunkowo odległymi (nie więcej niż 50 morganidami) zlokalizowanymi genami i identyfikację powiązań między nimi, jeśli odległość jest większa niż 50 morganidów. W tym przypadku powiązanie między genami położonymi daleko od siebie zostało ustalone dzięki temu, że są one powiązane z genami położonymi pośrednio, które z kolei są ze sobą powiązane.
Zatem dla genów znajdujących się na przeciwległych końcach chromosomów II i III Drosophila - w odległości ponad 100 morganidów od siebie, możliwe było ustalenie faktu ich umiejscowienia w tej samej grupie powiązań poprzez identyfikację ich powiązania z pośrednimi geny i powiązania tych genów pośrednich między wami.
Odległości pomiędzy odległymi genami wyznacza się poprzez dodanie odległości pomiędzy wieloma genami pośrednimi i tylko dzięki temu wyznacza się je stosunkowo dokładnie.
W organizmach, których płeć jest kontrolowana przez chromosomy płciowe, krzyżowanie zachodzi tylko u płci homogametycznej i nie występuje u płci heterogametycznej. Tak więc u Drosophila przejście występuje tylko u kobiet i jest nieobecne (a dokładniej występuje tysiąc razy rzadziej) u mężczyzn. Pod tym względem geny samców tej muchy, znajdujących się na tym samym chromosomie, wykazują pełne powiązanie niezależnie od odległości od siebie, co ułatwia identyfikację ich umiejscowienia w tej samej grupie powiązań, ale uniemożliwia określenie odległość między nimi.
Drosophila ma 4 grupy połączeń. Jedna z tych grup liczy około 70 morganidów, a geny zawarte w tej grupie łączącej są wyraźnie powiązane z dziedziczeniem płci. Można zatem uznać za pewne, że geny wchodzące w skład tej grupy sprzężeń zlokalizowane są na chromosomie płci X (w 1 parze chromosomów).
Druga grupa połączeń jest bardzo mała i jej długość wynosi tylko 3 morganidy. Nie ma wątpliwości, że geny zawarte w tej grupie sprzężeń zlokalizowane są w mikrochromosomach (IX para chromosomów). Jednak pozostałe dwie grupy połączeń mają w przybliżeniu tę samą wielkość (107,5 morganidów i 106,2 morganidów) i dość trudno jest zdecydować, której z par autosomów (pary chromosomów II i III) odpowiada każda z tych grup połączeń.
Aby rozwiązać problem lokalizacji grup łączących w dużych chromosomach, konieczne było zastosowanie badań cytogenetycznych szeregu rearanżacji chromosomów. W ten sposób udało się ustalić, że nieco większa grupa łącząca (107,5 morganidów) odpowiada II parze chromosomów, a nieco mniejsza grupa łącząca (106,2 morganidów) znajduje się w III parze chromosomów.
Dzięki temu ustalono, które chromosomy odpowiadają każdej z grup łączących u Drosophila. Jednak nawet po tym nie było wiadomo, w jaki sposób grupy sprzężeń genowych są umiejscowione w odpowiadających im chromosomach. Czy na przykład prawy koniec pierwszej grupy łączącej u Drosophila znajduje się w pobliżu kinetycznego zwężenia chromosomu X, czy na przeciwległym końcu tego chromosomu? To samo dotyczy wszystkich pozostałych grup sprzęgieł.
Otwarta pozostała także kwestia, w jakim stopniu odległości między genami wyrażanymi w morganidach (w% krzyżowania) odpowiadają prawdziwym fizycznym odległościom między nimi w chromosomach.
Aby dowiedzieć się tego wszystkiego, konieczne było, przynajmniej w przypadku niektórych genów, ustalenie nie tylko ich względnej pozycji w grupach łączących, ale także ich fizycznej pozycji w odpowiednich chromosomach.
Okazało się to możliwe dopiero po tym, jak w wyniku wspólnych badań genetyka G. Mellera i cytologa G. Payntera ustalono, że pod wpływem promieni rentgenowskich u Drosophila (jak u wszystkich żywych organizmów) następuje transfer ( translokacja) odcinków jednego chromosomu na drugi. Kiedy pewna część jednego chromosomu zostaje przeniesiona na inny, wszystkie geny znajdujące się w tej sekcji tracą połączenie z genami zlokalizowanymi w pozostałej części chromosomu dawcy i zyskują połączenie z genami w chromosomie biorcy. (Później odkryto, że przy takich rearanżacjach chromosomów nie następuje tylko przeniesienie odcinka z jednego chromosomu na drugi, ale wzajemne przeniesienie odcinka pierwszego chromosomu na drugi, a z niego fragment drugiego chromosomu zostaje przeniesiony na miejsce wydzielonej sekcji w pierwszej).
W przypadku, gdy przerwa chromosomu podczas oddzielania regionu przeniesionego na inny chromosom zachodzi pomiędzy dwoma genami położonymi blisko siebie, lokalizację tego pęknięcia można dość dokładnie określić zarówno na mapie grup połączeń, jak i na chromosomie. Na mapie powiązań punkt przerwania znajduje się w obszarze pomiędzy skrajnymi genami, z których jeden pozostaje w poprzedniej grupie powiązań, a drugi jest zawarty w nowej. Na chromosomie lokalizację pęknięcia określa się na podstawie obserwacji cytologicznych zmniejszenia wielkości chromosomu dawcy i wzrostu wielkości chromosomu biorcy.
Translokacja odcinków z chromosomu 2 na chromosom 4 (wg Morgana). Górna część rysunku przedstawia grupy połączeń, środkowa część przedstawia chromosomy odpowiadające tym grupom połączeń, a dolna pokazuje płytki metafazowe mitozy somatycznej. Liczby wskazują liczbę grup łączących i chromosomów. A i B - „dolna” część chromosomu przeniosła się do chromosomu 4; B - „górna” część chromosomu 2 przeniosła się do chromosomu 4. Mapy genetyczne i płytki chromosomowe są heterozygotyczne pod względem translokacji.
W wyniku badań dużej liczby różnych translokacji przeprowadzonych przez wielu genetyków, opracowano tzw. mapy cytologiczne chromosomów. Na chromosomach zaznacza się lokalizacje wszystkich badanych przerw, dzięki czemu dla każdej przerwy ustala się położenie dwóch sąsiadujących ze sobą genów po prawej i lewej stronie.
Mapy cytologiczne chromosomów umożliwiły przede wszystkim ustalenie, które końce chromosomów odpowiadają „prawemu” i „lewemu” końcowi odpowiednich grup połączeń.
Porównanie „cytologicznych” map chromosomów z „genetycznymi” (grupami połączeń) dostarcza istotnego materiału do wyjaśnienia związku między odległościami między sąsiadującymi genami wyrażanymi w morganidach a fizycznymi odległościami między tymi samymi genami w chromosomach podczas badania tych chromosomów pod mikroskopem.
Porównanie „map genetycznych” chromosomów I, II i III Drosophila melanogaster z „mapami cytologicznymi” tych chromosomów w metafazie na podstawie danych dotyczących translokacji (wg Levitsky'ego). Sp jest miejscem mocowania gwintów wrzeciona. Reszta wskazuje na różne geny.
Nieco później przeprowadzono potrójne porównanie lokalizacji genów na „mapach genetycznych” powiązań, „mapach cytologicznych” zwykłych chromosomów somatycznych i „mapach cytologicznych” olbrzymich gruczołów ślinowych.
Oprócz Drosophila opracowano dość szczegółowe „mapy genetyczne” grup połączeń dla kilku innych gatunków z rodzaju Drosophila. Okazało się, że u wszystkich zbadanych wystarczająco szczegółowo gatunków liczba grup łączących jest równa haploidalnej liczbie chromosomów. Tak więc u Drosophila, który ma trzy pary chromosomów, znaleziono 3 grupy połączeń, u Drosophila z pięcioma parami chromosomów - 5, a u Drosophila z sześcioma parami chromosomów - 6 grup łączących.
Wśród kręgowców najlepiej zbadana jest mysz domowa, u której wykształciło się już 18 grup łączących, podczas gdy par chromosomów jest 20. U człowieka, który ma 23 pary chromosomów, znanych jest 10 grup łączących. Kura z 39 parami chromosomów ma tylko 8 grup połączeń. Nie ma wątpliwości, że w miarę dalszych badań genetycznych tych obiektów liczba zidentyfikowanych w nich grup łączących wzrośnie i prawdopodobnie będzie odpowiadać liczbie par chromosomów.
Spośród roślin wyższych najbardziej zbadaną genetycznie jest kukurydza. Ma 10 par chromosomów i znaleziono 10 dość dużych grup łączących. Za pomocą eksperymentalnie uzyskanych translokacji i innych rearanżacji chromosomów wszystkie te grupy połączeń ograniczają się do ściśle określonych chromosomów.
W niektórych roślinach wyższych, zbadanych wystarczająco szczegółowo, ustalono również pełną zgodność między liczbą grup łączących a liczbą par chromosomów. Zatem jęczmień ma 7 par chromosomów i 7 grup łączących, pomidor ma 12 par chromosomów i 12 grup łączących, lwia paszcza ma haploidalną liczbę chromosomów wynoszącą 8 i ustalono 8 grup łączących.
Spośród roślin niższych najdokładniej zbadano genetycznie grzyb torbacz. Ma haploidalną liczbę chromosomów wynoszącą 7 i ustalono 7 grup połączeń.
Obecnie powszechnie przyjmuje się, że liczba grup łączących we wszystkich organizmach jest równa ich haploidalnej liczbie chromosomów, a jeśli u wielu zwierząt i roślin liczba znanych grup łączących jest mniejsza niż ich haploidalna liczba chromosomów, to zależy to tylko od fakt, że zostały one zbadane genetycznie, są niewystarczające i w rezultacie zidentyfikowano tylko część dostępnych grup łączących.

WNIOSEK

W rezultacie możemy przytoczyć fragmenty dzieł T. Morgana:
„... Ponieważ ma miejsce powiązanie, wydaje się, że podział substancji dziedzicznej jest w pewnym stopniu ograniczony. Na przykład znanych jest około 400 nowych typów mutantów u muszki owocowej Drosophila, której cechami są tylko cztery grupy połączeń...
... Członkowie grupy powiązań mogą czasami nie być ze sobą w pełni powiązani, ... niektóre recesywne znaki jednej serii mogą zostać zastąpione znakami typu dzikiego z innej serii. Jednak nawet w tym przypadku nadal uważa się je za powiązane, ponieważ częściej pozostają ze sobą połączone, niż obserwuje się taką wymianę między szeregami. Ta wymiana nazywa się CROSS-ING-OVER – przejściem. Termin ten oznacza, że ​​pomiędzy dwoma odpowiadającymi sobie szeregami powiązań może nastąpić prawidłowa wymiana ich części, w którą zaangażowana jest duża liczba genów...
Teoria genów zakłada, że ​​cechy lub właściwości jednostki są funkcją sparowanych elementów (genów) osadzonych w substancji dziedzicznej w postaci pewnej liczby grup łączących; następnie stwierdza, że ​​członkowie każdej pary genów, gdy komórki rozrodcze dojrzewają, są dzieleni zgodnie z pierwszym prawem Mendla i dlatego każda dojrzała komórka zarodkowa zawiera tylko jeden ich zestaw; stanowi również, że członkowie należący do różnych grup powiązań są rozdzielani niezależnie podczas dziedziczenia, zgodnie z drugim prawem Mendla; w ten sam sposób stwierdza, że ​​czasami następuje naturalna wymiana – krzyżowa – pomiędzy odpowiednimi elementami dwóch grup połączeń; wreszcie stwierdza, że ​​częstotliwość krzyżowania dostarcza danych świadczących o liniowym ułożeniu elementów względem siebie…”

BIBLIOGRAFIA

1. Genetyka ogólna. M.: Szkoła wyższa, 1985.
2. Czytelnik na temat genetyki. Wydawnictwo Uniwersytetu Kazańskiego, 1988.
3. Petrov D. F. Genetyka z podstawami selekcji, M.: Szkoła wyższa, 1971.
4. Biologia. M.: Mir, 1974.

Chromosomalna teoria dziedziczności - teoria, według której przekazywanie informacji dziedzicznej przez szereg pokoleń wiąże się z przekazywaniem chromosomów, w których geny ułożone są w określonej i liniowej kolejności. Teoria ta została sformułowana na początku XX wieku, a główny wkład w jej powstanie wnieśli amerykański cytolog W. Setton, niemiecki embriolog T. Boveri i amerykański genetyk T. Morgan.

W latach 1902-1903 niezależnie zidentyfikowali W. Settona i T. Boveri równoległość w zachowaniu mendlowskich czynników dziedziczności (genów) i chromosomów. Obserwacje te dały podstawę do założenia, że ​​geny zlokalizowane są na chromosomach. Eksperymentalne dowody lokalizacji genów na chromosomach uzyskał później T. Morgan i jego współpracownicy, którzy pracowali z muszką owocową Drosophila melanogaster. Od 1911 roku grupa ta eksperymentalnie udowodniła:

• że geny są ułożone liniowo na chromosomach;
• że geny zlokalizowane na tym samym chromosomie są dziedziczone w sposób sprzężony;
• że dziedziczenie konkatenowane może zostać przerwane w wyniku przechodzenia.

Początkowy etap tworzenia teorii chromosomów dziedziczność można uznać za pierwsze opisy chromosomów podczas podziału komórek somatycznych, dokonane w drugiej połowie XIX wieku w pracach I.D. Czistyakow (1873), E. Strasburger (1875) i O. Büchli (1876). Termin „chromosom” jeszcze nie istniał i zamiast tego mówiono o „segmentach”, na które rozpada się splot chromatyny, lub o „elementach chromatyny”. Termin „chromosom” zaproponował później G. Waldeyer.

Równolegle z badaniami mitoz somatycznych prowadzono również badania procesu zapłodnienia, zarówno w królestwie zwierząt, jak i roślin. Fuzję jądra nasiennego z jądrem jaja po raz pierwszy zaobserwował u szkarłupni O. Hertwig (1876), a wśród roślin lilii Strasburger (1884). Na podstawie tych obserwacji w 1884 roku obaj doszli do wniosku, że jądro komórkowe jest nośnikiem dziedzicznych właściwości organizmu.

Uwaga z jądra jako całości na jego poszczególne chromosomy została przeniesiona dopiero po ukazaniu się niezwykle ważnej dla tamtych czasów pracy E. van Benedena (1883). Badając proces zapłodnienia u glisty, która ma bardzo małą liczbę chromosomów – w komórkach somatycznych tylko 4, zauważył, że chromosomy w pierwszym podziale zapłodnionego jaja pochodzą w połowie z jądra plemnika i połowa z jądra jaja. Zatem:

• po pierwsze odkryto, że komórki rozrodcze mają o połowę mniej chromosomów w porównaniu do komórek somatycznych,
• po drugie, po raz pierwszy poruszono kwestię chromosomów jako specjalnych, trwałych bytów w komórce.

Kolejny etap wiąże się z rozwojem koncepcji indywidualności chromosomowej. Jednym z pierwszych kroków było ustalenie, że komórki somatyczne różnych tkanek tego samego organizmu mają tę samą liczbę chromosomów. Wysunął ją twórca teorii, Thomas Gent Morgan, amerykański genetyk i laureat Nagrody Nobla hipoteza o ograniczeniu praw Mendla.

W swoich eksperymentach wykorzystywał muszkę owocową Drosophila, która posiada cechy istotne w eksperymentach genetycznych: bezpretensjonalność, płodność, małą liczbę chromosomów (cztery pary) oraz wiele jasno określonych cech alternatywnych.

Morgan i jego uczniowie odkryli, co następuje:

• Geny znajdujące się na tym samym chromosomie są dziedziczone wspólnie lub powiązane.
• Grupy genów zlokalizowane na tym samym chromosomie tworzą grupy łączące. Liczba grup łączących jest równa haploidalnemu zestawowi chromosomów u osobników homogametycznych i n+1 u osobników heterogametycznych.
• Wymiana odcinków (crossing over) może nastąpić pomiędzy homologicznymi chromosomami; W wyniku krzyżowania powstają gamety, których chromosomy zawierają nowe kombinacje genów.
• Częstotliwość krzyżowania się homologicznych chromosomów zależy od odległości między genami zlokalizowanymi na tym samym chromosomie. Im większa jest ta odległość, tym wyższa jest częstotliwość przejścia. Przyjmuje się, że jednostką odległości między genami jest 1 morganid (1% krzyżowania) lub procent występowania osobników krzyżujących się. Jeżeli wartość ta wynosi 10 morganidów, można stwierdzić, że częstotliwość krzyżowań chromosomów w miejscach występowania tych genów wynosi 10%, a nowe kombinacje genetyczne zostaną zidentyfikowane u 10% potomstwa.

Aby wyjaśnić naturę lokalizacji genów na chromosomach i określić częstotliwość krzyżowania się między nimi, skonstruuj mapy genetyczne. Mapa odzwierciedla kolejność genów na chromosomie i odległość między genami na tym samym chromosomie. Te wnioski Morgana i jego współpracowników nazwano chromosomalną teorią dziedziczności. Najważniejszymi konsekwencjami tej teorii są współczesne poglądy na temat genu jako funkcjonalnej jednostki dziedziczności, jego podzielności i zdolności do interakcji z innymi genami.

Analiza zjawisk dziedziczenia sprzężonego, krzyżowania, porównanie map genetycznych i cytologicznych pozwala na sformułowanie głównych założeń chromosomalnej teorii dziedziczności:

• Geny zlokalizowane są na chromosomach.
• Geny są umiejscowione na chromosomie w sekwencji liniowej.
• Różne chromosomy zawierają różną liczbę genów. Ponadto zestaw genów każdego z niehomologicznych chromosomów jest unikalny.
• Geny alleliczne zajmują identyczne loci na chromosomach homologicznych.
• Geny na jednym chromosomie tworzą grupę łączącą, to znaczy są dziedziczone w przeważającej mierze połączone (razem), dzięki czemu następuje powiązane dziedziczenie niektórych cech. Liczba grup łączących jest równa haploidalnej liczbie chromosomów danego gatunku (u płci homogametycznej) lub większa o 1 (u płci heterogametycznej).
• Powiązanie jest przerywane poprzez krzyżowanie, którego częstotliwość jest wprost proporcjonalna do odległości między genami na chromosomie (dlatego siła powiązania jest odwrotnie proporcjonalna do odległości między genami).
• Każdy gatunek biologiczny charakteryzuje się pewnym zestawem chromosomów - kariotypem.

Temat 32. Chromosomalna teoria dziedziczności. Prawo Morgana

Wstęp
1. T. G. Morgan – największy genetyk XX wieku.
2. Przyciąganie i odpychanie
3. Chromosomalna teoria dziedziczności
4. Wzajemne ułożenie genów
5. Mapy grup sprzężonych, lokalizacja genów w chromosomach
6. Mapy cytologiczne chromosomów
7. Wnioski
Bibliografia

1. WSTĘP

Trzecie prawo Mendla – zasada niezależnego dziedziczenia cech – ma istotne ograniczenia.
W eksperymentach własnych Mendla oraz w pierwszych eksperymentach przeprowadzonych po drugim odkryciu praw Mendla do badań włączono geny zlokalizowane na różnych chromosomach, w wyniku czego nie stwierdzono żadnych rozbieżności z trzecim prawem Mendla. Nieco później odkryto fakty sprzeczne z tym prawem. Stopniowa akumulacja i badanie ich doprowadziło do ustanowienia czwartego prawa dziedziczności, zwanego prawem Morgana (na cześć amerykańskiego genetyka Thomasa Genta Morgana, który jako pierwszy je sformułował i uzasadnił) lub zasadą powiązań.
W 1911 roku w artykule „Wolna segregacja a nie przyciąganie w dziedziczności mendlowskiej” Morgan napisał: „Zamiast swobodnej segregacji w sensie mendlowskim znaleźliśmy „powiązanie czynników” zlokalizowane blisko siebie na chromosomach. Cytologia zapewniła mechanizm wymagany na podstawie danych eksperymentalnych.
Słowa te w skrócie formułują główne założenia chromosomalnej teorii dziedziczności opracowanej przez T. G. Morgana.

1. T. G. MORGAN – NAJWIĘKSZY GENETYK XX wieku.

Thomas Gent Morgan urodził się 25 września 1866 roku w Kentucky (USA). W 1886 roku ukończył studia na uniwersytecie tego stanu. W 1890 r. T. Morgan uzyskał stopień doktora filozofii, a rok później został profesorem w żeńskim college'u w Pensylwanii. Główny okres jego życia związany był z Uniwersytetem Columbia, gdzie od 1904 roku przez 25 lat pełnił funkcję kierownika katedry zoologii doświadczalnej. W 1928 roku został zaproszony do kierowania specjalnie dla niego zbudowanym laboratorium biologicznym w California Institute of Technology w miasteczku niedaleko Los Angeles, gdzie pracował aż do śmierci.
Pierwsze badania T. Morgana poświęcone były zagadnieniom embriologii eksperymentalnej.
W 1902 roku młody amerykański cytolog Walter Setton (1877-1916), pracujący w laboratorium E. Wilsona (1856-1939), zasugerował, że osobliwe zjawiska charakteryzujące zachowanie chromosomów podczas zapłodnienia były najprawdopodobniej mechanizmem wzorców mendlowskich. T. Morgan był dobrze zaznajomiony z samym E. Wilsonem i pracą jego laboratorium, dlatego też stwierdzając w 1908 roku u samców filoksery obecność dwóch odmian plemników, z których jeden posiadał dodatkowy chromosom, przypuszczał, że związek natychmiast powstał z cech płciowych wraz z wprowadzeniem odpowiednich chromosomów. Zatem T. Morgan przeszedł do zagadnień genetyki. Wpadł na pomysł, że nie tylko płeć jest powiązana z chromosomami, ale być może zlokalizowane są w nich inne dziedziczne skłonności.
Skromny budżet laboratorium uniwersyteckiego zmusił T. Morgana do poszukiwania bardziej odpowiedniego obiektu do eksperymentów w badaniu dziedziczności. Od myszy i szczurów przechodzimy do muszki owocowej Drosophila, której wybór okazał się niezwykle udany. Prace szkoły T. Morgana, a następnie większości innych instytucji zajmujących się badaniami genetycznymi, skupiały się na tym obiekcie. Najważniejsze odkrycia w genetyce lat 20. i 30. XX wieku. XX wiek związany z Drosophilą.
W 1910 roku opublikowano pierwszą pracę genetyczną T. Morgana „Sex-Limited Heredity in Drosophila” opisującą mutację białooką. Późniejsza, naprawdę gigantyczna praca T. Morgana i jego współpracowników umożliwiła połączenie danych cytologicznych i genetycznych w jedną całość, a kulminacją było stworzenie chromosomalnej teorii dziedziczności. Główne prace T. Morgana „Strukturalne podstawy dziedziczności”, „Teoria genów”, „Eksperymentalne podstawy ewolucji” i inne wyznaczają postępujący rozwój nauk genetycznych.
Wśród biologów XX wieku. T. Morgan wyróżnia się jako genialny genetyk eksperymentalny i badacz szerokiego spektrum zagadnień.
W 1931 r. T. Morgan został wybrany członkiem honorowym Akademii Nauk ZSRR, a w 1933 r. otrzymał Nagrodę Nobla.

2. PRZYCIĄGANIE I ODPRĘŻANIE

Po raz pierwszy odchylenie od zasady niezależnego dziedziczenia cech zauważyli Bateson i Punnett w 1906 roku, badając charakter dziedziczenia barwy kwiatów i kształtu pyłku u groszku cukrowego. U groszku cukrowego dominuje fioletowa barwa kwiatów (kontrolowana przez gen B) nad czerwoną (w zależności od genu B), a podłużny kształt dojrzałego pyłku („długi pyłek”) związany jest z obecnością 3 porów, co jest kontrolowane przez gen L, dominuje pyłek „okrągły” z 2 porami, których powstawanie jest kontrolowane przez gen l.
Podczas krzyżowania groszku fioletowego z długim pyłkiem i groszku czerwonego z okrągłym pyłkiem wszystkie rośliny pierwszego pokolenia mają fioletowe kwiaty i długi pyłek.
W drugim pokoleniu spośród 6952 przebadanych roślin znaleziono 4831 roślin o kwiatach fioletowych i długim pyłku, 390 o kwiatach fioletowych i pyłku okrągłym, 393 o kwiatach czerwonych i długim pyłku oraz 1338 o kwiatach czerwonych i pyłku okrągłym.
Stosunek ten dobrze odpowiada oczekiwanemu podziałowi, jeśli podczas tworzenia gamet pierwszego pokolenia geny B i L występują 7 razy częściej w kombinacjach, w których występowały w formach rodzicielskich (BL i bl) niż w nowych kombinacjach (Bl i bL) (tab. 1).
Wydaje się, że geny B i L, a także b i l, przyciągają się do siebie i z trudem można je od siebie oddzielić. To zachowanie genów nazwano przyciąganiem genów. Założenie, że gamety z genami B i L w kombinacjach, w jakich występowały w formach rodzicielskich, spotykane są 7 razy częściej niż gamety z nową kombinacją (w tym przypadku Bl i bL) znalazło bezpośrednie potwierdzenie w wynikach tzw. analizując krzyże.
Krzyżując mieszańce pierwszej generacji (F1) (genotyp BbLl) z recesywnym rodzicem (bbll) uzyskano następujący podział: 50 roślin o kwiatach fioletowych i długim pyłku, 7 roślin o kwiatach fioletowych i pyłku okrągłym, 8 roślin o kwiatach czerwonych i długi pyłek i 47 roślin o kwiatach czerwonych i pyłku okrągłym, co bardzo dobrze odpowiada oczekiwanemu stosunkowi: 7 gamet ze starymi kombinacjami genów do 1 gamet z nowymi kombinacjami.
W krzyżówkach, w których jedno z rodziców posiadało genotyp BBll, a drugie bbLL, segregacja w drugim pokoleniu miała już zupełnie inny charakter. W jednej z tych krzyżówek F2 było 226 roślin o kwiatach fioletowych i długim pyłku, 95 o kwiatach fioletowych i okrągłym pyłku, 97 o kwiatach czerwonych i długim pyłku oraz jedna roślina o kwiatach czerwonych i okrągłym pyłku. W tym przypadku wydaje się, że geny B i L odpychają się nawzajem. To zachowanie czynników dziedzicznych nazwano odpychaniem genów.
Ponieważ przyciąganie i odpychanie genów było bardzo rzadkie, uznano to za pewnego rodzaju anomalię i rodzaj genetycznej ciekawości.
Nieco później odkryto u groszku cukrowego jeszcze kilka przypadków przyciągania i odpychania (kształt kwiatu i kolor kątów liści, kolor kwiatów i kształt żagli kwiatowych oraz kilka innych par cech), nie zmieniło to jednak ogólnej oceny zjawiska przyciąganie i odpychanie jako anomalia.
Jednak ocena tego zjawiska uległa diametralnej zmianie po latach 1910-1911. T. Morgan i jego uczniowie odkryli liczne przypadki przyciągania i odpychania u muszki owocowej Drosophila, bardzo korzystnego obiektu badań genetycznych: jej uprawa jest tania i można ją prowadzić w warunkach laboratoryjnych na bardzo szeroką skalę, jej żywotność jest krótka i w ciągu jednego roku można uzyskać kilkadziesiąt pokoleń, kontrolowane krzyżowania są łatwe do wykonania, występują tylko 4 pary chromosomów, w tym para płciowa, które wyraźnie się od siebie odróżniają.
Dzięki temu Morgan i jego współpracownicy szybko odkryli dużą liczbę mutacji w czynnikach dziedzicznych, które determinują cechy, które są wyraźnie widoczne i łatwe do zbadania, oraz byli w stanie przeprowadzić liczne krzyżowania w celu zbadania natury dziedziczenia tych cech. Okazało się, że wiele genów muszki Drosophila nie jest dziedziczonych niezależnie od siebie, lecz wzajemnie się przyciąga lub odpycha, a geny wykazujące takie oddziaływanie można podzielić na kilka grup, w ramach których wszystkie geny wykazywały mniej lub bardziej silnie wyrażane wzajemne przyciąganie lub odpychanie.
Na podstawie analizy wyników tych badań T. G. Morgan zasugerował, że przyciąganie zachodzi pomiędzy genami nieallelomorficznymi zlokalizowanymi na tym samym chromosomie i utrzymuje się do czasu, aż geny te zostaną oddzielone od siebie w wyniku pęknięcia chromosomu podczas podziału redukcyjnego i nastąpi odpychanie w przypadkach, gdy badane geny znajdują się na różnych chromosomach tej samej pary chromosomów homologicznych
Wynika z tego, że przyciąganie i odpychanie genów to różne aspekty tego samego procesu, którego materialną podstawą jest odmienne rozmieszczenie genów w chromosomach. Dlatego Morgan zaproponował porzucenie dwóch odrębnych koncepcji „przyciągania” i „odpychania” genów i zastąpienie ich jedną ogólną koncepcją „połączenia genów”, wierząc, że zależy to od ich umiejscowienia w obrębie jednego chromosomu w porządku liniowym.

3. CHROMOSOMALNA TEORIA DZIEDZICTWA

Po dalszych badaniach powiązań genów szybko ustalono, że liczba grup powiązań u Drosophila (4 grupy) odpowiada haploidalnej liczbie chromosomów u tej muszki, a wszystkie zbadane wystarczająco szczegółowo geny zostały rozdzielone pomiędzy te 4 grupy powiązań. Początkowo względna lokalizacja genów w chromosomie pozostawała nieznana, ale później opracowano technikę określania kolejności lokalizacji genów znajdujących się w tej samej grupie sprzężeń, w oparciu o ilościowe określenie siły powiązania między nimi.
Ilościowe określenie siły powiązania genowego opiera się na następujących przesłankach teoretycznych. Jeżeli w organizmie diploidalnym dwa geny A i B zlokalizowane są na jednym chromosomie, a recesywne allelomorfy tych genów a i b zlokalizowane są na innym, homologicznym z nim chromosomie, wówczas geny A i B mogą się od siebie oddzielić i wejść w nowe kombinacje z ich recesywnych allelomorfów jedynie w przypadku, gdy chromosom, w którym się znajdują, ulegnie uszkodzeniu w obszarze pomiędzy tymi genami i w miejscu pęknięcia nastąpi połączenie pomiędzy odcinkami tego chromosomu a jego homologiem.
Takie pęknięcia i nowe kombinacje regionów chromosomów faktycznie zachodzą podczas koniugacji homologicznych chromosomów podczas podziału redukcyjnego. Ale w tym przypadku wymiana odcinków zwykle nie zachodzi między wszystkimi 4 chromatydami tworzącymi chromosomy dwuwartościowych, ale tylko między dwiema z tych 4 chromatyd. Zatem chromosomy powstałe w wyniku pierwszego podziału mejozy, podczas takich wymian, składają się z dwóch nierównych chromatyd - niezmienionych i zrekonstruowanych w wyniku wymiany. W II podziale mejozy te nierówne chromatydy rozchodzą się do przeciwnych biegunów i dzięki temu komórki haploidalne powstałe w wyniku podziału redukcyjnego (zarodniki lub gamety) otrzymują chromosomy składające się z identycznych chromatyd, ale tylko połowa komórek haploidalnych otrzymuje chromosomy zrekonstruowane, a drugą połowę przyjęliśmy bez zmian.
Ta wymiana odcinków chromosomów nazywana jest krzyżowaniem. Przy wszystkich pozostałych czynnikach krzyżowanie się dwóch genów znajdujących się na tym samym chromosomie następuje rzadziej, im bliżej siebie się znajdują. Częstotliwość krzyżowania się genów jest proporcjonalna do odległości między nimi.
Określenie częstości krzyżowania odbywa się zwykle za pomocą tzw. krzyżówek analitycznych (krzyżowanie hybryd F1 z recesywnym rodzicem), chociaż można w tym celu wykorzystać również F2 uzyskane w wyniku samozapylenia mieszańców F1 lub krzyżowania ze sobą hybryd F1.
To określenie częstotliwości krzyżowania możemy rozważyć na przykładzie siły adhezji pomiędzy genami C i S w kukurydzy. Gen C warunkuje powstawanie barwnego bielma (zabarwionych nasion), a jego recesywny allel c powoduje bielmo bezbarwne. Gen S powoduje powstawanie bielma gładkiego, a jego recesywny allel s warunkuje powstawanie bielma pomarszczonego. Geny C i S znajdują się na tym samym chromosomie i są ze sobą dość silnie powiązane. W jednym z eksperymentów przeprowadzonych w celu ilościowego określenia siły adhezji tych genów uzyskano następujące wyniki.
Roślinę o kolorowych, gładkich nasionach, homozygotyczną pod względem genów C i S, posiadającą genotyp CCSS (rodzic dominujący), skrzyżowano z rośliną o nasionach bezbarwnych, pomarszczonych, o genotypie CCSS (rodzic recesywny). Hybrydy F1 pierwszej generacji zostały ponownie skrzyżowane z recesywnym rodzicem (krzyżówka testowa). W ten sposób uzyskano 8368 nasion F2, w których stwierdzono następujący podział ze względu na barwę i zmarszczki: 4032 nasiona kolorowe gładkie; 149 malowane pomarszczone; 152 niemalowany gładki; 4035 niebarwiony, pomarszczony.
Jeżeli podczas tworzenia makro- i mikrospor w mieszańcach F1 geny C i S były rozmieszczone niezależnie od siebie, to w krzyżówce testowej wszystkie te cztery grupy nasion powinny być reprezentowane w równej liczbie. Ale tak nie jest, ponieważ geny C i S znajdują się na tym samym chromosomie, są ze sobą powiązane, w wyniku czego spory z rekombinowanymi chromosomami zawierającymi geny Cs i cS powstają tylko w przypadku krzyżowania się między genów C i S, co występuje stosunkowo rzadko.
Procent krzyżowania genów C i S można obliczyć ze wzoru:

X = a + b / n x 100%,

Gdzie a jest liczbą krzyżowań ziaren jednej klasy (ziarna o genotypie Cscs, pochodzące z połączenia gamet Cs hybrydy F1 z gametami cs recesywnego rodzica); c jest liczbą przechodzących ziaren drugiej klasy (cScs); n jest całkowitą liczbą ziaren uzyskanych w wyniku analizy krzyżowania.
Schemat przedstawiający dziedziczenie chromosomów zawierających sprzężone geny w kukurydzy (wg Hutchinsona). Dziedziczne zachowanie genów kolorowego (C) i bezbarwnego (c) aleuronu, pełnego (S) i pomarszczonego (s) bielma, a także chromosomów niosących te geny podczas krzyżowania ze sobą dwóch czystych typów i podczas krzyżowania wstecznego F1 z wskazany jest podwójny recesywny.
Podstawiając do wzoru otrzymaną w tym doświadczeniu liczbę ziaren różnych klas otrzymujemy:

X = a + b / n x 100% = 149 + 152 / 8368 x 100% = 3,6%

Odległość między genami w grupach łączących wyraża się zwykle jako procent krzyżowania lub w morganidach (morganid to jednostka wyrażająca siłę powiązania, nazwana za sugestią A. S. Serebrovsky'ego na cześć T. G. Morgana, równa 1% krzyżowania nad). W tym przypadku można powiedzieć, że gen C znajduje się w odległości 3,6 morganidów od genu S.
Teraz możesz użyć tego wzoru do określenia odległości między B i L w groszku słodkim. Podstawiając do wzoru liczby otrzymane ze skrzyżowania analitycznego i podane powyżej, otrzymujemy:

X = a + b / n x 100% = 7 + 8 / 112 x 100% = 11,6%

U groszku słodkiego geny B i L znajdują się na tym samym chromosomie w odległości 11,6 morganidów od siebie.
W ten sam sposób T. G. Morgan i jego uczniowie określili procent krzyżowania między wieloma genami zawartymi w tej samej grupie połączeń dla wszystkich czterech grup połączeń Drosophila. Okazało się, że odsetek krzyżowań (lub odległość u morganidów) pomiędzy różnymi genami wchodzącymi w skład tej samej grupy połączeń okazał się znacząco różny. Oprócz genów, pomiędzy którymi krzyżowanie zachodziło bardzo rzadko (ok. 0,1%), występowały także geny, pomiędzy którymi w ogóle nie wykryto powiązania, co wskazywało, że niektóre geny są zlokalizowane bardzo blisko siebie, a inne bardzo blisko siebie . daleko.

4. WZGLĘDNA LOKALIZACJA GENÓW

Aby określić lokalizację genów, założono, że są one ułożone w porządku liniowym na chromosomach i że rzeczywista odległość między dwoma genami jest proporcjonalna do częstotliwości krzyżowania się między nimi. Założenia te otworzyły możliwość określenia względnej pozycji genów w grupach łączących.
Załóżmy, że znane są odległości (% skrzyżowań) między trzema genami A, B i C i wynoszą one 5% między genami A i B, 3% między B i C oraz 8% między genami A i C.
Załóżmy, że gen B znajduje się na prawo od genu A. W którą stronę od genu B powinien znajdować się gen C?
Jeśli założymy, że gen C znajduje się na lewo od genu B, to w tym przypadku odległość między genami A i C powinna być równa różnicy odległości między genami A - B i B - C, tj. 5% - 3 % = 2%. Ale w rzeczywistości odległość między genami A i C jest zupełnie inna i wynosi 8%. Dlatego założenie jest błędne.
Jeśli teraz założymy, że gen C znajduje się na prawo od genu B, to w tym przypadku odległość między genami A i C powinna być równa sumie odległości między genami A - B i genami B - C, tj. 5% + 3% = 8%, co w pełni odpowiada odległości ustalonej doświadczalnie. Zatem założenie to jest prawidłowe, a lokalizację genów A, B i C na chromosomie można schematycznie przedstawić następująco: A – 5%, B – 3%, C – 8%.
Po ustaleniu względnych pozycji 3 genów, lokalizację czwartego genu w stosunku do tych trzech można określić, znając jego odległość tylko od 2 z tych genów. Można założyć, że odległość genu D od dwóch genów - B i C spośród omówionych powyżej 3 genów A, B i C jest znana i wynosi 2% pomiędzy genami C i D oraz 5% pomiędzy B i D Próba umieszczenia genu D na lewo od genu C kończy się niepowodzeniem ze względu na oczywistą rozbieżność różnicy odległości między genami B - C i C - D (3% - 2% = 1%) do zadanej odległości między genami B i D (5%). I odwrotnie, umieszczenie genu D na prawo od genu C daje pełną zgodność pomiędzy sumą odległości między genami B - C i genami C - D (3% + 2% = 5%) do danej odległości między genami B i D (5%). Kiedy już ustalimy położenie genu D względem genów B i C, bez dodatkowych eksperymentów możemy obliczyć odległość pomiędzy genami A i D, gdyż powinna ona być równa sumie odległości pomiędzy genami A – B i B – D (5% + 5% = 10%).
Badając powiązania między genami należącymi do tej samej grupy powiązań, wielokrotnie sprawdzano eksperymentalnie odległości między nimi, obliczone wcześniej w taki sam sposób, jak to zrobiono powyżej dla genów A i D, i we wszystkich przypadkach uzyskano bardzo dobry wynik. uzyskano zgodę.
Jeśli znana jest lokalizacja 4 genów, powiedzmy A, B, C, D, wówczas piąty gen można z nimi „połączyć”, jeśli znane są odległości między genem E a niektórymi dwoma z tych 4 genów oraz odległości między genami E i pozostałe dwa geny można obliczyć czterokrotnie, tak jak zrobiono to dla genów A i D w poprzednim przykładzie.

5. MAPY GRUP POŁĄCZEŃ, LOKALIZACJA GENÓW W CHROMOSOMACH

Stopniowo łącząc coraz więcej genów z pierwotnymi trzema lub czterema połączonymi genami, dla których wcześniej ustalono ich względne położenie, opracowano mapy grup połączeń.
Kompilując mapy grup sprzęgieł, należy wziąć pod uwagę szereg funkcji. Biwalent może doświadczyć nie jednego, ale dwóch, trzech, a nawet większej liczby skrzyżowań chiasmata i związanych z chiazmatami. Jeżeli geny są zlokalizowane bardzo blisko siebie, to prawdopodobieństwo, że na chromosomie pomiędzy takimi genami powstaną dwie chiazmaty i nastąpią dwie wymiany nici (dwa skrzyżowania) jest znikome. Jeśli geny są zlokalizowane stosunkowo daleko od siebie, znacznie wzrasta prawdopodobieństwo podwójnego przejścia w obszarze chromosomu pomiędzy tymi genami w tej samej parze chromatyd. Tymczasem drugie skrzyżowanie w tej samej parze chromatyd między badanymi genami w rzeczywistości anuluje pierwsze skrzyżowanie i eliminuje wymianę tych genów między homologicznymi chromosomami. W związku z tym zmniejsza się liczba krzyżujących się gamet i wydaje się, że geny te są zlokalizowane bliżej siebie niż w rzeczywistości.
Schemat podwójnego krzyżowania w jednej parze chromatyd pomiędzy genami A i B oraz genami B i C. I - moment przejścia; II - zrekombinowane chromatydy AcB i aCb.
Co więcej, im dalej badane geny są od siebie położone, tym częściej dochodzi między nimi do podwójnego krzyżowania i tym większe jest zniekształcenie prawdziwej odległości między tymi genami spowodowane podwójnym krzyżowaniem.
Jeśli odległość między badanymi genami przekracza 50 morganidów, wówczas na ogół niemożliwe jest wykrycie powiązania między nimi poprzez bezpośrednie określenie liczby krzyżujących się gamet. W nich, podobnie jak w genach w niezwiązanych ze sobą homologicznych chromosomach, podczas krzyżowania analitycznego tylko 50% gamet zawiera kombinację genów odmiennych od tych, które były obecne w mieszańcach pierwszej generacji.
Dlatego podczas kompilowania map grup połączeń odległości między odległymi genami określa się nie poprzez bezpośrednie określenie liczby krzyżujących się gamet w krzyżówkach testowych z udziałem tych genów, ale poprzez dodanie odległości między wieloma blisko rozmieszczonymi genami znajdującymi się między nimi.
Ta metoda zestawiania map grup połączeń umożliwia dokładniejsze określenie odległości między stosunkowo odległymi (nie więcej niż 50 morganidami) zlokalizowanymi genami i identyfikację powiązań między nimi, jeśli odległość jest większa niż 50 morganidów. W tym przypadku powiązanie między genami położonymi daleko od siebie zostało ustalone dzięki temu, że są one powiązane z genami położonymi pośrednio, które z kolei są ze sobą powiązane.
Zatem dla genów znajdujących się na przeciwległych końcach chromosomów II i III Drosophila - w odległości ponad 100 morganidów od siebie, możliwe było ustalenie faktu ich umiejscowienia w tej samej grupie powiązań poprzez identyfikację ich powiązania z pośrednimi geny i powiązania tych genów pośrednich między wami.
Odległości pomiędzy odległymi genami wyznacza się poprzez dodanie odległości pomiędzy wieloma genami pośrednimi i tylko dzięki temu wyznacza się je stosunkowo dokładnie.
W organizmach, których płeć jest kontrolowana przez chromosomy płciowe, krzyżowanie zachodzi tylko u płci homogametycznej i nie występuje u płci heterogametycznej. Tak więc u Drosophila przejście występuje tylko u kobiet i jest nieobecne (a dokładniej występuje tysiąc razy rzadziej) u mężczyzn. Pod tym względem geny samców tej muchy, znajdujących się na tym samym chromosomie, wykazują pełne powiązanie niezależnie od odległości od siebie, co ułatwia identyfikację ich umiejscowienia w tej samej grupie powiązań, ale uniemożliwia określenie odległość między nimi.
Drosophila ma 4 grupy połączeń. Jedna z tych grup liczy około 70 morganidów, a geny zawarte w tej grupie łączącej są wyraźnie powiązane z dziedziczeniem płci. Można zatem uznać za pewne, że geny wchodzące w skład tej grupy sprzężeń zlokalizowane są na chromosomie płci X (w 1 parze chromosomów).
Druga grupa połączeń jest bardzo mała i jej długość wynosi tylko 3 morganidy. Nie ma wątpliwości, że geny zawarte w tej grupie sprzężeń zlokalizowane są w mikrochromosomach (IX para chromosomów). Jednak pozostałe dwie grupy połączeń mają w przybliżeniu tę samą wielkość (107,5 morganidów i 106,2 morganidów) i dość trudno jest zdecydować, której z par autosomów (pary chromosomów II i III) odpowiada każda z tych grup połączeń.
Aby rozwiązać problem lokalizacji grup łączących w dużych chromosomach, konieczne było zastosowanie badań cytogenetycznych szeregu rearanżacji chromosomów. W ten sposób udało się ustalić, że nieco większa grupa łącząca (107,5 morganidów) odpowiada II parze chromosomów, a nieco mniejsza grupa łącząca (106,2 morganidów) znajduje się w III parze chromosomów.
Dzięki temu ustalono, które chromosomy odpowiadają każdej z grup łączących u Drosophila. Jednak nawet po tym nie było wiadomo, w jaki sposób grupy sprzężeń genowych są umiejscowione w odpowiadających im chromosomach. Czy na przykład prawy koniec pierwszej grupy łączącej u Drosophila znajduje się w pobliżu kinetycznego zwężenia chromosomu X, czy na przeciwległym końcu tego chromosomu? To samo dotyczy wszystkich pozostałych grup sprzęgieł.
Otwarta pozostała także kwestia, w jakim stopniu odległości między genami wyrażanymi w morganidach (w% krzyżowania) odpowiadają prawdziwym fizycznym odległościom między nimi w chromosomach.
Aby dowiedzieć się tego wszystkiego, konieczne było, przynajmniej w przypadku niektórych genów, ustalenie nie tylko ich względnej pozycji w grupach łączących, ale także ich fizycznej pozycji w odpowiednich chromosomach.
Okazało się to możliwe dopiero po tym, jak w wyniku wspólnych badań genetyka G. Mellera i cytologa G. Payntera ustalono, że pod wpływem promieni rentgenowskich u Drosophila (jak u wszystkich żywych organizmów) następuje transfer ( translokacja) odcinków jednego chromosomu na drugi. Kiedy pewna część jednego chromosomu zostaje przeniesiona na inny, wszystkie geny znajdujące się w tej sekcji tracą połączenie z genami zlokalizowanymi w pozostałej części chromosomu dawcy i zyskują połączenie z genami w chromosomie biorcy. (Później odkryto, że przy takich rearanżacjach chromosomów nie następuje tylko przeniesienie odcinka z jednego chromosomu na drugi, ale wzajemne przeniesienie odcinka pierwszego chromosomu na drugi, a z niego fragment drugiego chromosomu zostaje przeniesiony na miejsce wydzielonej sekcji w pierwszej).
W przypadku, gdy przerwa chromosomu podczas oddzielania regionu przeniesionego na inny chromosom zachodzi pomiędzy dwoma genami położonymi blisko siebie, lokalizację tego pęknięcia można dość dokładnie określić zarówno na mapie grup połączeń, jak i na chromosomie. Na mapie powiązań punkt przerwania znajduje się w obszarze pomiędzy skrajnymi genami, z których jeden pozostaje w poprzedniej grupie powiązań, a drugi jest zawarty w nowej. Na chromosomie lokalizację pęknięcia określa się na podstawie obserwacji cytologicznych zmniejszenia wielkości chromosomu dawcy i wzrostu wielkości chromosomu biorcy.
Translokacja odcinków z chromosomu 2 na chromosom 4 (wg Morgana). Górna część rysunku przedstawia grupy połączeń, środkowa część przedstawia chromosomy odpowiadające tym grupom połączeń, a dolna pokazuje płytki metafazowe mitozy somatycznej. Liczby wskazują liczbę grup łączących i chromosomów. A i B - „dolna” część chromosomu przeniosła się do chromosomu 4; B - „górna” część chromosomu 2 przeniosła się do chromosomu 4. Mapy genetyczne i płytki chromosomowe są heterozygotyczne pod względem translokacji.
W wyniku badań dużej liczby różnych translokacji przeprowadzonych przez wielu genetyków, opracowano tzw. mapy cytologiczne chromosomów. Na chromosomach zaznacza się lokalizacje wszystkich badanych przerw, dzięki czemu dla każdej przerwy ustala się położenie dwóch sąsiadujących ze sobą genów po prawej i lewej stronie.
Mapy cytologiczne chromosomów umożliwiły przede wszystkim ustalenie, które końce chromosomów odpowiadają „prawemu” i „lewemu” końcowi odpowiednich grup połączeń.
Porównanie „cytologicznych” map chromosomów z „genetycznymi” (grupami połączeń) dostarcza istotnego materiału do wyjaśnienia związku między odległościami między sąsiadującymi genami wyrażanymi w morganidach a fizycznymi odległościami między tymi samymi genami w chromosomach podczas badania tych chromosomów pod mikroskopem.
Porównanie „map genetycznych” chromosomów I, II i III Drosophila melanogaster z „mapami cytologicznymi” tych chromosomów w metafazie na podstawie danych dotyczących translokacji (wg Levitsky'ego). Sp jest miejscem mocowania gwintów wrzeciona. Reszta wskazuje na różne geny.
Nieco później przeprowadzono potrójne porównanie lokalizacji genów na „mapach genetycznych” powiązań, „mapach cytologicznych” zwykłych chromosomów somatycznych i „mapach cytologicznych” olbrzymich gruczołów ślinowych.
Oprócz Drosophila opracowano dość szczegółowe „mapy genetyczne” grup połączeń dla kilku innych gatunków z rodzaju Drosophila. Okazało się, że u wszystkich zbadanych wystarczająco szczegółowo gatunków liczba grup łączących jest równa haploidalnej liczbie chromosomów. Tak więc u Drosophila, który ma trzy pary chromosomów, znaleziono 3 grupy połączeń, u Drosophila z pięcioma parami chromosomów - 5, a u Drosophila z sześcioma parami chromosomów - 6 grup łączących.
Wśród kręgowców najlepiej zbadana jest mysz domowa, u której wykształciło się już 18 grup łączących, podczas gdy par chromosomów jest 20. U człowieka, który ma 23 pary chromosomów, znanych jest 10 grup łączących. Kura z 39 parami chromosomów ma tylko 8 grup połączeń. Nie ma wątpliwości, że w miarę dalszych badań genetycznych tych obiektów liczba zidentyfikowanych w nich grup łączących wzrośnie i prawdopodobnie będzie odpowiadać liczbie par chromosomów.
Spośród roślin wyższych najbardziej zbadaną genetycznie jest kukurydza. Ma 10 par chromosomów i znaleziono 10 dość dużych grup łączących. Za pomocą eksperymentalnie uzyskanych translokacji i innych rearanżacji chromosomów wszystkie te grupy połączeń ograniczają się do ściśle określonych chromosomów.
W niektórych roślinach wyższych, zbadanych wystarczająco szczegółowo, ustalono również pełną zgodność między liczbą grup łączących a liczbą par chromosomów. Zatem jęczmień ma 7 par chromosomów i 7 grup łączących, pomidor ma 12 par chromosomów i 12 grup łączących, lwia paszcza ma haploidalną liczbę chromosomów wynoszącą 8 i ustalono 8 grup łączących.
Spośród roślin niższych najdokładniej zbadano genetycznie grzyb torbacz. Ma haploidalną liczbę chromosomów wynoszącą 7 i ustalono 7 grup połączeń.
Obecnie powszechnie przyjmuje się, że liczba grup łączących we wszystkich organizmach jest równa ich haploidalnej liczbie chromosomów, a jeśli u wielu zwierząt i roślin liczba znanych grup łączących jest mniejsza niż ich haploidalna liczba chromosomów, to zależy to tylko od fakt, że zostały one zbadane genetycznie, są niewystarczające i w rezultacie zidentyfikowano tylko część dostępnych grup łączących.

WNIOSEK

W rezultacie możemy przytoczyć fragmenty dzieł T. Morgana:
„...Ponieważ ma miejsce powiązanie, wydaje się, że podział substancji dziedzicznej jest w pewnym stopniu ograniczony. Na przykład znanych jest około 400 nowych typów mutantów u muszki owocowej Drosophila, której cechami są tylko cztery grupy połączeń...
... Członkowie grupy powiązań mogą czasami nie być ze sobą w pełni powiązani, ... niektóre recesywne znaki jednej serii mogą zostać zastąpione znakami typu dzikiego z innej serii. Jednak nawet w tym przypadku nadal uważa się je za powiązane, ponieważ częściej pozostają ze sobą połączone, niż obserwuje się taką wymianę między szeregami. Ta wymiana nazywa się CROSS-ING-OVER – przejściem. Termin ten oznacza, że ​​pomiędzy dwoma odpowiadającymi sobie szeregami powiązań może nastąpić prawidłowa wymiana ich części, w którą zaangażowana jest duża liczba genów...
Teoria genów zakłada, że ​​cechy lub właściwości jednostki są funkcją sparowanych elementów (genów) osadzonych w substancji dziedzicznej w postaci pewnej liczby grup łączących; następnie stwierdza, że ​​członkowie każdej pary genów, gdy komórki rozrodcze dojrzewają, są dzieleni zgodnie z pierwszym prawem Mendla i dlatego każda dojrzała komórka zarodkowa zawiera tylko jeden ich zestaw; stanowi również, że członkowie należący do różnych grup powiązań są rozdzielani niezależnie podczas dziedziczenia, zgodnie z drugim prawem Mendla; w ten sam sposób stwierdza, że ​​czasami następuje naturalna wymiana – krzyżowa – pomiędzy odpowiednimi elementami dwóch grup połączeń; wreszcie stwierdza, że ​​częstotliwość krzyżowania dostarcza danych świadczących o liniowym ułożeniu elementów względem siebie…”

BIBLIOGRAFIA

1. Genetyka ogólna. M.: Szkoła wyższa, 1985.
2. Czytelnik na temat genetyki. Wydawnictwo Uniwersytetu Kazańskiego, 1988.
3. Petrov D. F. Genetyka z podstawami selekcji, M.: Szkoła wyższa, 1971.
4. Biologia. M.: Mir, 1974.