Основні теоретичні відомості та методичні поради

Лабораторна робота №1

Тема: Успадковування при моногібридному схрещуванні

Мета: Ознайомитися із закономірностями успадковування ознак при моногібридному схрещуванні за допомогою гібридологічного методу. Засвоїти основні позначення і терміни, які використовуються при гібридизації. Навчитися оцінювати ступінь відповідності фактично одержаних у досліді даних теоретично очікуваним за допомогою методу χ² (хі-квадрат). Закріпити теоретичні знання шляхом розв’язування задач.

Робота 1. Аналіз гібридів першого (F₁) і другого (F₂) поколінь при моногібридному схрещуванні у гороху. Визначення статистичної достовірності розщеплення при моногібридному схрещуванні.

Матеріали та обладнання: рослини материнського та батьківського сортів і гібридів з насінням першого (F₁) та другого (F₂) поколінь. Таблиця значень χ².

Основні теоретичні відомості та методичні поради

Успадковування - це процес передачі спадкових особливостей організму від одного покоління до іншого.

Закономірності успадковування ознак вивчаються за допомогою генетичного аналізу, тобто сукупності генетичних методів. Головний елемент генетичного аналізу – гібридологічний метод, або метод схрещування. Цей метод був розроблений Грегором Менделем у 1865 році.

Основні принципи гібридологічного аналізу наступні:

1. Організми, що схрещуються повинні належати до одного виду. У дослідах Г.Менделя таким видом був горох посівний. Вважається, що він досить вдало підібрав об’єкт. Горох - рослина самозапильна, з великими квітками, зручними для схрещування, має порівняно виску плодючість і для вирощування не вимагає особливих умов.

2. Організми, що схрещуються повинні чітко розрізнятися по окремих ознаках. Г. Мендель виділив у 22 сортів гороху 7 ознак, кожна із яких мала по два контрастних прояви, наприклад, зріле насіння за формою було гладеньким або зморшкуватим, по кольору сімядолей жовтим або зеленим, зафарбування квітки було білим або пурпуровим, а розташування - пазушним або верхівковим, шкірка насінини мала сірий або білий колір, рослини були високорослими чи карликовими. Слід підкреслити, що у своїх дослідах Г.Мендель використав в якості вихідних форм для схрещування рослини, які відрізнялися порівняно невеликою кількістю контрастуючих ознак.

3. Досліджувані ознаки повинні бути константні, тобто відтворюватися з покоління в покоління при схрещуванні в межах лінії (батьківської форми). Щоб переконатися в константності ознак Мендель два роки попередньо перевіряв різноманітні форми гороху.

4. Необхідна характеристика і кількісний облік всіх класів розщеплення, якщо воно спостерігається в гібридів першого і наступних поколінь. У своїх дослідженнях Г. Мендель вів облік характеру успадкування кожної з досліджуваних ознак, точний кількісний облік гібридних рослин, що відрізнялися окремими ознаками, в ряду послідовних поколінь та індивідуальний аналіз потомства від кожної рослини теж в ряду поколінь.

При гібридологічному аналізі завжди складають генетичні схеми схрещування. Схрещування позначають знаком множення (×). Батьківські форми, що підлягають схрещуванню, позначають літерою Р (від латинського Parentа— батьки). При написанні схеми скрещування на перше місце звичайно ставлять материнський організм, а на друге — батьківський. Жіночу стать позначають символом ♀ (дзеркало Венери), чоловічу - знаком ♂ (щит і спис Марса). Нащадків від схрещування двох особин із різною спадковістю називають гібридними, а окрему особину - гібридом. Гібридне покоління позначають літерою F (від латинського Filii - діти) із цифровим індексом, що відповідає порядковому номеру гібридного покоління. Наприклад, перше покоління позначають F₁, якщо гібридні організми схрещуються між собою, то їхнє потомство позначають F₂, третє покоління – F₃ і т.д.

Домінуючу ознаку Мендель запропонував позначати великою літерою, а рецесивну - тією ж літерою, але малою.

Схрещування, в якому батьки відрізняються однією парою альтернативних (контрастуючих) ознак, називається моногібридним.Відповідно є дигібридні, тригібридні, полігібриднісхрещування.

Гібридологічний аналіз звичайно складається із системи схрещувань, куди входить одержання першого покоління (F₁), другого (F₂) - від схрещування гібридів F₁ між собою і двох, що отримали назву зворотних схрещувань, або беккросів, тобто схрещувань гібрида F₁ з однієї та іншою батьківськими формами. Потомство від такого схрещування позначається F_в.

Схрещування двох форм між собою в двох протилежних напрямках називають реципрокними:P₁ × Р₂ i Р₂ × Р₁. Наприклад, кролиця чорна × кріль білий і кролиця біла × кріль чорний.

Провівши моногібридне схрещування гороху Г. Мендель помітив, що у рослин першого гібридного покоління з двох альтернативних станів кожної ознаки фенотипово проявляється лише один альтернативний стан. У науці ця закономірність отримала назву першого закону Менделя - закону домінування, або одноманітності гібридів першого покоління. Відповідно до сучасного рівня наших знань цей закон формулюється так: гібриди першого покоління, що походять від гомозиготних батьківських особин, які відрізняються одна від одної альтернативним станом певної ознаки, є повністю одноманітними за генотиповими та фенотиповими структурами відповідної ознаки.

На основі аналізу успадковування ознак у другому поколінні Мендель виявив явище їх розщеплення, тобто встановив, що нащадки другого гібридного покоління розщеплюються на дві фенотипові групи, одна з цих груп представляє відтворену ознаку, характерну для материнської особини, а друга - батьківської. При цьому одна група характеризується фенотиповим проявленням домінантного стану ознаки, а друга – рецесивного. З’ясувалось, що чисельність особин у груп з проявом домінантного стану ознаки завжди втричі більша, ніж у груп з рецесивним проявом цієї ж ознаки. Все це привело Г.Менделя до розуміння того, що розщеплення нащадків у другому гібридному поколінні за фенотиповим проявом різних ознак є не безладним, а упорядкованим. Встановлена закономірність отримала назву закону розщеплення ознак, або другогозакону Менделя, який можна сформулювати так: при схрещуванні двох гетерозиготних особин, тобто гібридів, які аналізуються за однією парою альтернативних ознак, у потомстві спостерігається розщеплення за фенотипом у співвідношенні 3:1 і за генотипом 1:2:1.

При кількісному вивченні розщеплення гібридів зіставляють фактично отримані в досліді дані з теоретично очікуваними відповідно до формули розщеплення (1:1, 3:1, 1:2:1, 9:3:3:1 і т.п.), тому що повного збігу не буває. Статистична оцінка різниці між фактично отриманими і теоретично очікуваними даними дає можливість з'ясувати, у яких випадках і наскільки ця різниця істотна й у яких випадках вона несуттєва і випадкова.

Розщеплення в гібридних потомствах можна опрацювати статистично тільки в тому випадку, коли поведінка кожної пари алельних генів є незалежною, а поєднання генів при заплідненні випадковим.

Щоб оцінити ступінь відповідності фактично одержаних у досліді даних теоретично очікуваним, у статистиці використовується показник, названий критерієм відповідності χ². Слід пам’ятати, що метод χ² не можна застосовувати, якщо показники величин досліду виражені у відсотках або в інших відносних величинах і якщо число осіб в одному із теоретично розрахованих класів менше 5. χ² вираховують за формулою χ²=∑ , де ∑ - означає суму, О - одержаний результат; Е - теоретично очікуваний результат (Е). Приклад того як обчислюється χ² та послідовність розрахунків, приведені в таблиці 1.

Таблиця 1

Обчислення χ² при моногібридному схрещуванні томатів

Класи розщеплення	Очікуване розщеп-лення	Одержаний результат (О)	Теоретично очікуваний результат (Е)	О-Е	(О-Е)2
І. Червоні плоди 2. Жовті плоди				+9   -9		0,26   0,77
Сума					-	χ2=1,03

Знаючи значення χ² при моногібридному схрещуванні, можна оцінити статистичну достовірність розщеплення. З формули випливає, що χ² буде тим меншим, чим менша розбіжність між фактично отриманими й очікуваними даними (О—Е), Зазначена розбіжність є в одних випадках результатом дії випадкових причин, у інших - характеризує дійсно існуюче розходження між даними теоретично очікуваними й отриманими в досліді. Щоб зробити правильний висновок про випадковість або закономірність відхилення, отримане значення χ² порівнюють із його значенням у таблиці 2.

З табл. 2 випливає, що розмір χ² залежить від двох розмірів: числа ступенів свободи (df) і ймовірності (Р). Число ступенів свободи – це число незалежно розрахованих теоретично очікуваних величин. Для з'ясування цього поняття розглянемо найпростіший приклад. Припустимо, що є гібрид гороху, що дав розщеплення за забарвленням насіння на 2 фенотипи (класи): 110 жовтих насінин і 44 зелених. Їх можна уявити як суму, у якої одне зі складових установлюється вільно, а інше залежить від першого. У такому випадку тільки один доданок береться вільно і, отже, ступінь свободи тільки одна. При трьох класах осіб буде 2 ступеня свободи, при чотирьох—3 ступеня свободи і т.д., при п класах df = n -1.

Таблиця 2

Таблиця значень χ² при різних ступенях свободи

(по П.Ф. Рокицькому, із скороченням)

df* - число ступенів свободи

Ймовірність (Р), від якої також залежить розмір χ² у біологічних дослідженнях, умовно приймають рівною 0,05. Це означає, що якщо обчислене значення χ² не перевищує табличного значення χ²,що знаходиться в графі з ймовірністю 0,05, то фактично отримані дані відповідають теоретично очікуваним. Якщо обчислене значення χ² буде менше табличного при ймовірності 0,05 (буде відповідати цифрам, розташованим лівіше цієї графи), то це буде свідчити про більш точну відповідність фактично отриманих даних теоретично очікуваним. Якщо, навпаки, обчислене значення χ² буде більше табличного значення при ймовірності 0,05 (буде відповідати цифрам, розташованим правіше цієї графи), то фактично отримані дані не відповідають теоретично очікуваним (у випадку зчепленого успадковування, селективного запліднення і т.д.).

У розглянутому вище прикладі χ²при моногібридному схрещуванні томатів дорівнює 1,03. Так як число класів (фенотипів) у цьому випадку дорівнює двом (червоні і жовті плоди), то число ступенів свободи df дорівнює 1 (2-1). З табл. 2 випливає, що значення χ², рівне 1,03, відповідає ймовірності 0,25, тобто знаходиться лівіше графи з ймовірністю 0,05. Це означає, що фактично отримане розщеплення цілком відповідає теоретично очікуваному відношенню 3:1.

Вище відзначалося, що величина χ² залежить від величини відхилення між фактично отриманими і теоретично очікуваними величинами. Але і при однакових відхиленнях показник χ² може виявитися різним в залежності від розміру вибірки. Вибіркою,або вибірковою сукупністю, називається частина генеральної сукупності. Генеральнаж сукупністьмістить у собі всю сукупність осіб, насінин і т.д. Залежність χ² від розміру вибірки видна з таблиці 3.

Таблиця 3

Залежність χ² від розміру вибірки при моногібридному схрещуванні гороху

Класи розщеп-лення	Очікуване роз-щеплення	Одержаний результат (О)	Теоретично очікуваний результат (Е)	О-Е	(О-Е)2
1. Жовті 2. Зелені				-6 +6		0,31 0,95
Сума					-	χ2=1,26
1. Жовті 2. Зелені				-6 +6		1,09 3,27
Сума					-	χ2=4,36

Отже, при однакових відхиленнях величина χ² значно більша при малій вибірці. При числі ступенів свободи, рівному при моногібридному розщепленні 1 (табл. 2), значення χ² = 1,26 менше табличного значення при ймовірності 0,05. Значення ж χ² = 4,36 більше табличного значення χ² при тій же ймовірності 0,05. Це означає, що в першому випадку при більшому розмірі вибірки фактично отримане розщеплення цілком відповідає теоретично очікуваному відношенню (3:1). В другому ж випадку при меншому розмірі вибірки фактично отримане розщеплення не відповідає теоретично очікуваному (3:1). Звідси випливає необхідність аналізувати по можливості великі вибірки.

Хід роботи

1. Вилущити боби і розглянути насіння материнського і батьківського сортів гороху. Переконатися, що насіння материнського сорту має жовте зафарбування, а батьківського - зелене.

2. Вилущити боби із рослин з насінням першого покоління (F₁). Переконатися, що насіння має жовте зафарбування. Підрахувати кількість отриманого насіння. Визначити, яке зафарбування (жовте або зелене) домінантне і яке рецесивне.

3. Вилущити боби із рослин гороху з насінням другого покоління (F₂). Підрахувати кількість жовтого і зеленого насіння в F₂. Записати отримані результати до таблиці, що побудована аналогічно табл. 1.

5. За допомогою методу χ² оцінити ступінь відповідності фактично одержаних у досліді даних теоретично очікуваним.

6. Зробити висновок щодо характеру успадкування однієї пари альтернативних ознак у дослідах з горохом посівним.

Робота 2.Розв'язування задач на моногібридне схрещування

При розв’язуванні усіх задача з генетичного аналізу необхідно користуватись так званими алгоритмами, які визначають послідовність запису і розв'язування задачі. Під алгоритмом розуміють всяку систему обчислень, що виконуються за строго визначеними правилами, які після певного числа кроків приводять до розв'язання задачі.

Для кожного типу задач характерні свої алгоритми. Для генетичних задач алгоритми повинні бути такі:

1. Вчитатись уважно в текст задачі і визначити домінантні і рецесивні ознаки, про які іде мова.

2. Ввести позначення алелей генів, що визначають розвиток цих ознак.

З. Записати генотипи батьківських форм із значками статі /материнська - ♀ чи батьківська - ♂ форма/ і поряд записати їхній фенотип.

4. Окремо записати схрещування цих батьківських форм.

5. Визначити і записати усі типи гамет батьківських форм.

6. Визначити і записати усі генотипи зигот. Якщо у батьківських форм утворюється по одному сорту гамет, то зразу записують генотип зиготи F₁, а якщо ж утворених гамет більше - обов'язково застосовують решітку Пеннета!

Визначити і записати фенотипи гібридів.

7. Для одержання F_b, F₂, F_n пункти 4-6 повторюються.

8. Зробити висновки у відповідності з питаннями задачі.

При розв'язанні задач на моногібридне схрещування необхідно пам'ятати, що генотип особини з рецесивними ознаками можна визначити одразу, оскільки він проявляється в гомозиготному стані. Фенотипний прояв домінантних ознак можливий як у гомозиготному, так і в гетерозиготному стані. При неповному домінуванні гетерозиготи мають власний фенотип; у цьому випадку при моногібридному схрещуванні розщеплення за фенотипом і генотипом співпадають і становлять 1:2:1. У разі плейотропної (множинної) дії гена розщеплення за фенотипом буде не 3:1, а 2:1.

Розв'язок задач містить:

1. Скорочений запис умови за допомогою загальноприйнятих у генетиці символів та позначень.

2. Схему схрещування з дотриманням установленого порядку:

а) у першому рядку після літери Р пишуть жіночий, потім чоловічий генотипи;

б) у другому рядку записують і обводять гамети батьківських форм;

в) у третьому рядку після літери F записують через кому генотипи потомства (гібридів); при значній кількості гамет, а отже і генотипів потомства, застосовують решітку Пеннета;

г) нижче приводять фенотипний і генотипний аналіз одержаного потомства. При цьому генотипи можуть вказуватися із застосуванням фенотипового радикала або шляхом перерахуванням усіх генотипів. Фенотиповий радикал позначається дефісом «-», тобто А-, що припускає можливість наявності другого алеля як домінантного, так і рецесивного без зміни фенотипу (при повному домінуванні). Наприклад, через фенотиповий радикал «А-» ми позначили фенотип насінин гороху жовтого кольору, що припускає наявність серед них як насіння із генотипом Аа (2/3) так і АА (1/3 від насінин жовтого кольору).

3. Відповідь на всі поставлені в задачі питання.

Дозволяється скорочений запис ознак організмів: чорний — чорн., білий — біл. і т.п.

Приклад 1. При схрещуванні сірих мишей з білими в F₁ всі миші були сірими, а в F₂ спостерігається розщеплення: 30 сірих і 9 білих. Як успадковується ознака?

Розв'язок

1. Одноманітність першого покоління свідчить про гомозиготність батьківських організмів.

2. Розщеплення 30:9 =~3:1 у другому поколінні відповідає моногібридному схрещуванню.

3. Прояв у першому поколінні сірого забарвлення доводить, що сірий колір — домінантна ознака.

Дано:

А — сірий колір

а — білий

Р ♀АА × ♂ аа

Гамети ♀А ♂а

F₁: Аа - сірі

Схрещування на F₂: ♀Аа × ♂Аа

гамети ♀А, а ♂А, а

F₂: 1АА : 2Аа :1аа

сірі білі

Розщеплення за фенотипом: 3:1, тобто ¾ мишей мали сірий колір і ¼ - білий;

Розщеплення за генотипом: 1:2:1, тобто ¼ мишей були гомозиготні за домінантною ознакою, ½ гетерозиготні і ¼ гомозиготні за рецесивною ознакою.

Відповідь: Забарвлення шерсті у мишей контролюється одним геном. Сірий колір — домінантна ознака, білий — рецесивна.

Приклад 2.У квасолі чорне забарвлення насіння домінує над білим. Схрещування двох рослин дало 3/4 чорних і 1/4 білих насінин. Визначити генотипи обох батьків.

Розв'язок

Розщеплення в першому поколінні свідчить про гетерозиготність батьків і підпорядковується другому закону Менделя. Тому можна відразу сказати, що вихідні рослини квасолі є гетерозиготами.

Дано:

А – ген чорного забарвлення насіння

а –ген білого забарвлення насіння

F₁ – 3:1

Р - ?

Р ♀ Аа × ♂ Аа

Гамети: ♀ А, а ♂ А, а

F₁: АА, Аа, Аа, аа

Фенотипний і генотипний аналіз потомства:

Розщеплення за фенотипом: 3:1, тобто ¾ насінин мали чорний колір і ¼ - білий;

Розщеплення за генотипом: 1:2:1, тобто ¼ насінин були гомозиготні за домінантною ознакою, ½ гетерозиготні і ¼ гомозиготні за рецесивною ознакою.

Відповідь: Вихідні форми квасолі є гетерозиготними - Аа.

Запитання для самоконтролю

1. Яке схрещування називається моногібридним?

2. Дайте визначення понять «генотип» і «фенотип». Наведіть приклади.

3. У чому суть першого та другого законів Менделя?

4. Які особини називаються гомо- і гетерозиготними? Чому гетерозиготний організм утворює гамети різного типу?

5. У чому суть гібридологічного аналізу?

6. Чи має значення напрямок схрещування для прояву менделівських закономірностей.

7.З якою метою використовують метод χ²?

8. Який висновок слід зробити, якщо при обчисленні χ² для проміжного успадкування при моногібридному схрещуванні отримано такий результат: а) χ² = 5,95; б) χ²= 7,95.

Задачі і вправи

1. У томатів нормальна висота, рослин А домінує над карликовістю а. Визначити: а) генотипи батьківських рослин, якщо серед їхніх нащадків спостерігається розщеплення за цими ознаками у відношенні 1:1; б) те ж при розщепленні у відношенні 3:1.

2. У людини карий колір очей (К) домінує над блакитним (k). Кароока жінка, у батька якої були блакитні, а в матері карі очі, одружилася з блакитнооким чоловіком, батьки якого мали карі очі. У них народилася кароока дитина. Визначити генотипи всіх зазначених осіб.

3. При схрещуванні рослини квасолі, що виросла з чорного насіння, із білонасінною рослиною завязалось 176 чорних і 198 білих насінин. Визначити генотипи вихідних форм і c². Як називається даний тип схрещування?

4. Альбінізм у рослин летальний, але у багатьох видів він проявляється у потомстві нормальних рослин. Якщо альбіноси гинуть, то чому ж вони не елімінуються повністю із популяції?

5. У одній із порід овець є тварини сірої і чорної масті. При схрещуванні чорних овець між собою одержують тільки чорних ягнят. Схрещування чорних із сірими дає половину ягнят чорних, половину сірих. При розведенні в собі сірих овець постійно одержують сірих і чорних, причому сірих у два рази більше ніж чорних. Як успадковується зафарбування шерсті?

Лабораторна робота №2

Поиск по сайту: