Пример решения задач. Приведите графическую модель гена, если белковая молекула имеет следующий состав и последовательность аминокислот: глицин – лизин – пролин – серин.

Приведите графическую модель гена, если белковая молекула имеет следующий состав и последовательность аминокислот: глицин – лизин – пролин – серин.

Белок синтезируется по матрице, роль которой выполняет и-РНК, образуемая в процессе транскрипции с определённого участка ДНК (гена). Запишем возможную последовательность нуклеотидов соответствующего участка и-РНК в соответствии с генетическим кодом, приведённым в таблице 13.

Приведенные данные свидетельствуют, что участок белка с указанной последовательностью аминокислот мог образоваться в процессе трансляции у 192 вариантов и-РНК (4 × 2 × 4 × 6 = 192), равно как и такого же разнообразия генов. Следовательно, графически можно изобразить 192 варианта гена, содержащих информацию о данной молекуле белка.

Возьмём один из возможных вариантов триплетов и-РНК и по нему построим последовательность нуклеотидов исходной нити ДНК (гена) и комплементарной ему нити.

В ряде случаев бывает необходимо определить последовательность аминокислот синтезируемого белка по кодонам и-РНК. Для этого удобно пользоваться рисунком 41.

Первая буква кодона расположена в центральном круге, вторая – в первом кольце и третья – во втором. В наружном кольце записаны сокращенные названия аминокислот.

Задачи

1. В одной из цепочек молекулы ДНК нуклеотиды расположены в такой последовательности: ТАГАГТЦЦЦГАЦАЦГ. Какова последовательность нуклеотидов в другой цепочке этой же молекулы? (ответ)

2. Белковая цепочка состоит из следующих аминокислот: валин – лейцин– гистидин – серин – изолейцин. Какова последовательность нуклеотидов в составе гена, кодирующего данный белок? (ответ)

3. В состав белка входят 400 аминокислот. Определить какую длину имеет контролирующий его ген, если расстояние между двумя нуклеотидами в молекуле ДНК составляет 0, 34 нм? (ответ)

4. Определите порядок чередования аминокислот в молекуле белка, если известно, что он контролируется такой последовательностью азотистых оснований ДНК: ЦЦТАГТТТТААЦ.... Какой станет последовательность аминокислот при удалении из гена четвертого азотистого основания? (ответ)

5. Участок молекулы ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: АГТАГЦЦЦТТЦЦ.... Напишите схему транскрипции и трансляции. Как она изменится при инверсии участка хромосомы между 4 и 8 нуклеотидом? (ответ)

6. Химическое обследование показало, что 30 % общего числа нуклеотидов информационной РНК приходится на урацил, 26 % на цитозин и 24 % ‑ на аденин. Что можно сказать о нуклеотидном составе соответствующего участка двухцепочечной ДНК? (ответ)

Тема 12. Цитоплазматическая наследственность

Задания

1. Выявить структуры клетки, имеющие ДНК.

2. Уяснить особенности механизма передачи потомству цитоплазматических наследственных факторов.

3. Особенности строения женской и мужской половых клеток растений.

4. Выясните возможности цитоплазматической мужской стерильности (ЦМС) в получении гетерозисных гибридов.

5. Решение задач.

Литература

1. Гуляев Г.В. Генетика. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Колос, 1984. – С. 114-124.

2. Абрамова З.В. Практикум по генетике. – 4-е изд., перераб. и доп. – Л.: Агропромиздат, Ленингр. отд-ние, 1992. – С. 109-113.

3. Гуляев Г.В. Задачник по генетике. – М.: Колос, 1973. – С. 27-28.

Пояснение к заданиям. Известно, что некоторое количество наследственного материала клетки находится в виде кольцевых молекул ДНК митохондрий и пластид, а также некоторых других внеядерных генетических элементов. Цитоплазматические гены не подчиняются менделевским закономерностям наследования, которые определяются поведением хромосом при митозе, мейозе и оплодотворении. В связи с тем, что организм, образуемый вследствие оплодотворения, получает цитоплазматические структуры главным образом с яйцеклеткой, цитоплазматическое наследование признаков осуществляется по материнской линии. Такой тип наследования впервые был описан в 1908 г. К. Корренсом.

Одним из ярких примеров цитоплазматической наследственности является цитоплазматическая мужская стерильность (ЦМС), обнаруженная у многих растений (кукурузы, лука, свёклы, льна и др.) и используемая в получении гетерозисных гибридов (рисунок 46).

Цитоплазматическая мужская стерильность была открыта у кукурузы в 30-х годах одновременно в СССР М.И. Хаджиновым и в США М. Родсом. Установлено, что цитоплазма, обусловливающая стерильность пыльцы (Cyt^S) может проявить своё действие только при сочетании с рецессивными ядерными генами (rf) в гомозиготном состоянии (rfrf). Если же этот ядерный ген представлен доминантной аллелью Rf, либо цитоплазма обеспечивает формирование фертильной пыльцы (Cyt^N), то растения Cyt^s RfRf или Cyt^s Rfrf, Cyt^N rfrf и др. имеют нормальную пыльцу. При этом ген Rf не изменит структуру и специфичность цитоплазмы Cyt^S, а лишь затормозит проявление её действия. Поэтому считают, что фертильная отцовская форма Cyt^N rfrf является «закрепителем» стерильности, а фертильная форма Cyt^N RfRf – «восстановитель»

У кукурузы известно несколько типов ЦМС, например, техасский (Т), при котором полностью стерильные пыльники не выступают наружу, и молдавский тип, или USDA (S), при котором часть или все пыльники выступают наружу.

Задачи

У кукурузы фертильная пыльца образуется на основе нормальной цитоплазмы (Cyt^N), а наследственная стерильность пыльцы обусловлена наличием стерильной цитоплазмы (Cyt^S). Доминантный ген (Rf) восстанавливает фертильность, и стерильная цитоплазма проявляет свое действие только в сочетании с рецессивными аллелями этого гена (rfrf).

1. Определите соотношение фертильных и стерильных растений в следующих скрещиваниях: а) Cyt^Srfrf × Cyt^SRfRf; б) Cyt^Srfrf × Cyt^NRfrf; в) Cyt^SRfrf × Cyt^NRfrf; г) Cyt^S rfrf × Cyt^Nrfrf. (ответ)

2. При скрещивании растений со стерильной пыльцой с растением, у которого нормальная пыльца, получено потомство, состоящее на ½ из фертильных и на ½ из стерильных растений. Определить генотипическую систему отцовского родителя. (ответ)

3. У пшеницы развитие признака стерильности цитоплазмы находится под контролем двух пар генов. Взаимодействие двух доминантных генов Rf₁ и Rf₂ восстанавливает фертильность и Cyt^S проявиться не может. Растения с одним доминантным геном (Rf₁ или Rf₂) в гетерозиготном или гомозиготном состоянии – полустерильны. Определить характер расщепления по фертильности-стерильности при самоопылении указанных ниже растений: а)Cyt^SRf₁rf₁rf₂rf₂; б)Cyt^SRf₁Rf₁rf₂rf₂; в)Cyt^SRf₁rf₁Rf₂rf₂; г)Cyt^SRf₁Rf₁Rf₂rf₂. (ответ)

Тема 13. Генетическая структура популяции

Задания

1. Уяснить понятие популяции.

2. Запомнить формулы для определения частот доминантного и рецессивного генов одной аллельной пары, уравнение Харди-Вайнберга.

3. Решение задач по вычислению генной, генотипической и фенотипической структуры популяции.

Литература

1. Гуляев Г.В. Генетика. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Колос, 1984. – С. 311-327.

2. Гуляев Г.В. Задачник по генетике. – М.: Колос, 1973. – С. 31-33.

3. Абрамова З.В. Практикум по генетике. – 4-е изд., перераб. и доп. – Л.: Агропромиздат, Ленингр. отд-ние, 1992. – С. 164-167.

4. Щеглов Н.И. Сборник задач и упражнений по генетике (с решениями). – Краснодар: МП «Экоивест», 1991. – 34 с.

Пояснение к заданиям. Популяция – это совокупность особей одного вида, заселяющих определённую территорию, свободно скрещивающихся друг с другом и в той или иной степени изолированных от других совокупностей. У перекрёстноопыляющихся растений популяция формируется путём свободного скрещивания особей с разным генотипом. Наследственная структура следующего поколения воспроизводится на основе разнообразных сочетаний гамет при оплодотворении. Поэтому численность особей того или иного генотипа в каждом поколении будет определяться частотой встречаемости разных гамет, произведённых генотипически различными родительскими особями.

Математическую зависимость между частотами аллелей и генотипов в популяции установили два учёных, в честь которых она и была названа законом Харди-Вайнберга. Из этого закона следует, что состав популяции в отношении исходного соотношения аллелей остаётся постоянным от одного поколения к другому. Поэтому, если обозначить частоту доминантного аллеля А, равную p, а частоту рецессивного аллеля а, равную q, то pА + qа = 1. Это уравнение позволяет определить генную структуру популяции. Зная частоту одного из генов, можно вычислить частоту другого гена и частоты всех генотипов и фенотипов.

Несмотря на то, что закономерности, установленные Харди-Вайнбергом, правильны только для идеальной популяции, этот закон очень важен и для анализа динамики генетических преобразований естественных популяций и для изучения эволюционных процессов.

Из закона Харди-Вайнберга вытекает следующее:

а) число гомозиготных доминантных особей равно квадрату частоты доминантного гена (p²);

б) число гомозиготных рецессивных особей равно квадрату частоты рецессивного гена (q²);

в) число гетерозиготных особей равно удвоенному произведению частот обоих аллелей (2рq).

Процессы формирования популяции и её динамика составляет микроэволюцию. Движущими эволюционными факторами, которые определяют изменение генетического состава популяции из поколения в поколение, являются следующие:

1) мутации,

2) естественный отбор,

3) дрейф генов,

4) миграция.

Мутации привносят в популяцию новый генотип, который будет вовлечён в систему скрещиваний и полученное потомство подвергнуто отбору. Если мутационное изменение имеет преимущество над другими признаками, то эта форма получит распространение в данной популяции, а если мутантная форма уступает ранее существовавшим (а такое случается чаще), то она будет сразу или постепенно элиминирована (устранена).

Дрейф генов можно представить при изоляции группы организмов на каком-нибудь небольшом острове или при уничтожении большинства особей на какой-либо территории в результате стихийного бедствия (пожар, эпифитотии вредных микроорганизмов, массовое распространение вредителей и др.). Дальнейшее размножение организмов и эволюция популяции пойдёт на основе случайно оставшегося количества некоторых представителей бывшей сбалансированной популяции по различным группам растений.

Миграции. В любую популяцию путём скрещивания могут включиться, мигрировать генотипы из другой пограничной популяции. Это приведёт к изменению частоты имевшихся аллелей и к сглаживанию границ между популяциями. В популяцию могут также мигрировать из другой новые, ранее отсутствовавшие в ней гены. Это ещё в большей степени усиливает генетическое разнообразие популяции. Наследственная структура каждого следующего поколения воспроизводится на основе разнообразных сочетаний гамет при оплодотворении. Поэтому численность особей того или иного генотипа в каждом поколении будет определяться частотой встречаемости разных гамет, произведённых генотипически различными родительскими особями.