Основы генетики Наследственность это способность

Основы генетики

Наследственность – это способность организмов передавать следующим поколениям свои специфические признаки и особенности развития.

Материальные основы наследственности – ДНК и РНК. Ген (от греч. «генос» рождение) - участок молекулы ДНК, отвечающий за один признак, тоесть за структуру определенной молекулы белка (это единица генетической, или наследственной, информации).

Г. Мендель назвал единицы наследственности факторами. Фактор определяющий доминантный признак, обозначается «А» , а рецессивный «а» . Каждая особь имеет два фактора: один – от отца, другой – от матери. При образовании гамет происходит редукция (уменьшение) числа хромосом, и в каждую гамету попадает только один фактор.

Наследственность и изменчивость – основные признаки всех живых организмов Закономерности наследственности и изменчивости установил Г. Мендель. Эти закономерности сформулированы в виде 3 -х законов Г. Менделя

Грегор Иоганн Мендель (1822 – 1884) Австрийский естествоиспытатель, монах, основоположник учения о наследственности. 1865 г. «Опыты над растительными гибридами» . ü Создал научные принципы описания и исследования гибридов и их потомства; ü Разработал и применил алгебраическую систему символов и обозначений признаков; ü Сформулировал основные законы наследования признаков в ряду поколений, позволяющие делать предсказания. ü Высказал идею существования наследственных задатков (или генов, как их потом стали называть).

Генетика – это наука о наследственности, изменчивости живых организмов и методах управления ими. Законы генетики были открыты в 1866 г Г. Менделем (работа «Опыты над растительными гибридами» ) 1900 г. - Г де Фриз, К. Корренс, Э. Чермак переоткрыли законы Менделя.

I - ый закон Г. Менделя При скрещивании двух гомозиготных организмов, отличающихся друг от друга одним признаком, все гибриды первого поколения будут иметь признак одного из родителей, и поколение по данному признаку будет единообразным (правило единообразия гибридов первого поколения)

х Р(родители) АА ГАМЕТЫ А аа А а Аа Аа F 1 (первое поколение потомков)

II-ой закон Г. Менделя При скрещивании двух потомков(гибридов) первого поколения между собой во втором поколении наблюдается расщепление и снова появляются особи с рецессивными признаками; эти особи составляют ¼ часть от всего числа потомков второго поколения. Расщепление по фенотипу - 1: 3 Расщепление по генотипу - 1: 2: 1

Х F 1 (первое поколение потомков) А а F 2 (второе поколение потомков) АА Аа Аа аа

III-закон Г. Менделя Закон независимого наследования признаков. При дигибридном скрещивании гены и признаки, за которые эти гены отвечают, наследуются независимо друг от друга Для того, чтобы понять как будет происходить комбинация признаков при скрещивании гибридов, американский исследователь Реджинальд Пеннет предложил заносить результаты опыта в таблицу, которую назвали решеткой Пеннета

Решётка Пеннета - это 2 D-таблица, предложенная английским генетиком Реджинальдом Пеннетом в качестве инструмента для определения сочетаемости аллелей из родительских генотипов. Вдоль одной стороны квадрата расположены женские гаметы, вдоль другой — мужские. Это позволяет легче и нагляднее представить генотипы, получаемые при скрещивании родительских гамет.

Гибридизация — это скрещивание особей с контрастными, альтернативными признаками. Ø Гибриды кур с гороховидными гребнями и венчиковидными в первом поколении имеют ореховидный гребень. Внизу слева направо — основные типы куриных гребней: ореховидный, венчиковидный, простой и гороховидный. Гибридизация — важное средство повышения продуктивности сельского хозяйства.

Аллельные гены (аллели) — это разные формы одного и того же гена, расположенные в одних и тех же участках (локусах) гомологичных хромосом и отвечающие за развитие одного признака (окрас, рост и т. д. )

Хромосомы, имеющие одинаковый порядок генов, называют гомологичными. ØОни имеют одинаковое строение (длина, расположение центромеры и т. д. ). ØНегомологичные хромосомы имеют разный генный набор и разное строение.

Домининантный признак - это когда одна из форм какого-либо гена — аллель, унаследованная от отца или от матери, влияет сильнее на признаки особи, чем другой аллель.

Рецессивный признак (лат. recessus –отступление, удаление) – это признак, не проявляющийся у гибридов первого поколения.

П Р И М Е Р

Гаметы (от греческих слов gamete — жена, gametes — муж) половые, или репродуктивные, клетки животных и растений, обеспечивающие при слиянии развитие новой особи и передачу наследственных признаков от родителей потомкам. Гаметы гаплоидны, т. е. содержат одинарный набор хромосом.

Зигота — это оплодотворенная яйцеклетка, несущая диплоидный (двойной) набор хромосом (по одному от каждого родителя), образующаяся в результате оплодотворения (слияния яйцеклетки и сперматозоида).

Гомозиготный организм – это организм, имеющий одинаковые аллельные гены ( «АА» или «аа» - особи, не дающие расщепления в поколениях по этому признаку) или особи, не дающие расщепления в следующих поколениях. Для них характерно: » образуют один сорт гамет; » при их скрещивании не наблюдается расщепление признаков.

Гетерозиготный организм – это организм, имеющий различные аллельные гены ( «Аа» -особи в потомстве которых образуется расщепление по этому признаку) или особи, в потомстве которых обнаруживается расщепление. Для них характерно: » образуют два сорта гамет; » при их скрещивании наблюдается расщепление признака.

Генотип - это совокупность всех генов организма или система взаимодействующих генов организма.

Фенотип - это совокупность всех признаков и свойств данного организма, как внешних, так и внутренних. Фенотип формируется под влиянием генотипа и условий внешней среды.

Генотип как целостная система Свойства генов. На основании знакомства с примерами наследования признаков при моно- и дигибридном скрещивании может сложиться впечатление, что генотип организма слагается из суммы отдельных, независимо действующих генов, каждый из которых определяет развитие только своего признака или свойства. Такое представление о прямой и однозначной связи гена с признаком чаще всего не соответствует действительности. На самом деле существует огромное количество признаков и свойств живых организмов, которые определяются двумя и более парами генов, и наоборот, один ген часто контролирует многие признаки. Кроме того, действие гена может быть изменено соседством других генов и условиями внешней среды.

Моногибридное скрещивание. – это скрещивание, при котором родительские формы отличаются друг от друга по одной паре контрастных, альтернативных признаков. Признак — любая особенность организма, т. е. любое отдельное его качество или свойство, по которому можно различить две особи. Моногибридное скрещивание на примере гена окраски цветка гороха.

Дигибридное скрещивание - это скрещивание форм, отличающихся друг от друга по двум парам альтернативных признаков.

Основы селекции

История генетики в датах 1935 г - экспериментальное определение размеров гена 1953 – структурная модель ДНК 1961 – расшифровка генетического кода 1962 – первое клонирование лягушки 1969 – химическим путем синтезирован первый ген 1972 – рождение генной инженерии 1977 – расшифрован геном бактериофага Х 174, секвенирован первый ген человека 1980 – получена первая трансгенная мышь 1988 – создан проект «Геном человека» 1995 – становление геномики как раздела генетики, секвенирован геном бактерии 1997 – клонировали овцу Долли 1999 – клонировали мышь и корову 2000 год – геном человека прочитан!

Селекция от латинского «селекцио» - выбор, отбор. – наука о выведении новых и совершенствовании существующих сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов. Это эволюция, управляемая человеком. Ø Селекционеры занимаются выведением новых сортов растений, пород животных с нужными для человека свойствами: высокой урожайностью и плодовитостью, невосприимчивостью или устойчивостью к различным болезням, приспособленностью к определенным условиям выращивания или разведения.

Порода, сорт, штамм – это популяция организмов, полученных в результате селекции, которые характеризуются определенным генофондом, наследственно закрепленными морфологическими и физиологическими признаками и определенным уровнем продуктивности. Повышение урожайности сортов и продуктивности животных Задачи селекции Повышение устойчивости к заболеваниям Улучшение качества продукции Пригодность для механизированного или промышленного выращивания и разведения Экологическая пластичность сортов и пород

Методы селекции Традиционные ü Отбор ü Гибридизация ü Мутагенез Новые ü Клеточная инженерия основа ü Генная инженерия биотехнологии

Селекция растений

Центры происхождения культурных растений: 1 – Тропический центр; 2 – Восточноазиатский; 3 – Среднеазиатский; 4 – Переднеазиатский; 5 – Средиземноморский; 6 – Абиссинский; 7 – Центральноамериканский; 8 – Южноамериканский.

Тропический центр Включает территорию тропической Индии, Индокитая и островов Юго-Восточной Азии. Из этого центра ведет начало около 30% возделываемых в настоящее время растений. Более 1 млрд. человек до сих пор проживает на этой территории. Здесь родина: Рис Огурец риса, сахарного тростника, большого количества тропических плодовых и овощных культур (цитрусовые, баклажан, огурец и др. )

Восточнокитайский центр Включает умеренные и субтропические части Центрального Китая, Корею, Японию и о. Тайвань. Около 20% всей мировой культурной флоры ведет начало из Восточной Азии. Слива Это родина растений; соя, проса, многих овощных и плодовых культур (яблоня, груша, слива, вишня и др. ) Яблоня

Среднеазиатский центр Включает территории Ирана, Афганистана, Средней Азии и Северо. Западной Индии. Роза Это родина: Дыня Чеснок пшеницы, фасоли, гороха, ржи, льна, конопли, лука, чеснока, винограда, дыни, тюльпанов и роз (14%).

Переднеазиатский центр Территория Малой Азии и Кавказ. Родина: шпината, грецкого ореха, миндаля, пшеницы, ржи, граната, хурмы. Шпинат Грецкий орех

Средиземноморский центр Включает страны, расположенные по берегам Средиземного моря. Этот центр дал начало 10 -11% видов культурных растений. Капуста Среди них: Спаржа Петрушка маслины, капуста, спаржа, петрушка, свекла и кормовые травы (клевер и др. )

Абиссинский центр Включает территории Эфиопии, части Судана, Сомали и юга Аравийского полуострова. Здесь много эндемичных растений: Ячмень Арбуз нут, кофейное дерево, особый вид банана, арбуз, твердая пшеница, ячмень, сорго (всего 3 -4%)

Центральноамериканский центр Кукуруза Подсолнечник Охватывает большую территорию Мексики и Центральной Америки. Из этого центра ведет начало около 8% различных культурных растений. Таких как: кукуруза, подсолнечник, хлопчатник, фасоль, тыква, какао, авокадо, табак. Земляника

Южноамериканский центр Территория западного побережья Южной Америки – Колумбии, Перу и Чили. Арахис Томат Картофель Это родина: картофеля, томата, арахиса, ананаса, хинного дерева и кокаинового куста.

Селекция растений Самоопыление у перекрёстноопыляемых растений Ø Ø Выведение гомозиготных линий, с закрепленными желательными признаками (происходит резкое снижение урожайности. ) Проведение перекрёстного опыления между разными гомозиготными линиями. межлинейная гибридизация эффект гетерозиса явление гибридной силы

Эффект гетерозиса – гибридная сила. Потомки от скрещивания чистых линий превосходят по качествам родительские формы. + Чистая линия А Чистая линия В = Гибрид АВ

Полиплоидия Диплоидная рожь Тетраплоидная рожь

Отдалённая гибридизация Скрещивание особей разных видов одного рода Ø Скрещивание особей разных родов Ø рожь + пшеница = тритикале Капуста + редька = капустно – редечный гибрид рожь + пырей = гибрид Межвидовой гибрид Диплоидный набор редьки 18 хромосом Гибрид 36 хромосом

Достижения селекции растений v. Академик П. П. Лукьяненко создал ряд высокоурожайных сортов озимой пшеницы: Безостая 1 (50 ц/га), Аврора и Кавказ (100 ц/га) v. Академик В. В. Ремесло создал сорта яровой пшеницы: Мироновская 264 и 808 (60 -70 ц/га) и Ильичевка (100 ц/га). v. В. Н. Мамонтов и А. П. Шехурдин создали яровой сорт пшеницы Саратовская 29 (до 80 -90 ц/га) v. Академик В. С. Пустовойта вывел сорт подсолнечника, содержащего до 50% масла в семенах. v. Яровая пшеница Новосибирская 67 (до 45 ц/га в Западной Сибири) была получена путем искусственного мутагенеза. v. Получен сорт картофеля дающий урожай почти в 1000 ц/га, что в 4 раза выше среднего урожая по стране.

Селекция животных

Районы одомашнивания животных Селекция животных происходила в тех же центрах, что и растений и началась видимо случайно. Пойманные детеныши содержались в неволе, и те, которые смогли выжить и не вели себя агрессивно по отношению к человеку оставлялись, т. е. отбор был по поведению и способности жить в неволе. Выделяют 8 районов одомашнивания животных: 1. Передняя Азия. 9 -10 тыс. лет назад из дикого барана Муфлона была одомашнена овца.

2. Индонезийско-Индокитайский. Были одомашнены собака (от волка 10 тыс. лет), свинья (камышовый кабан 8 тыс. лет), куры (красные куры Фиджи), утки и гуси ( от диких уток и гусей). 3. Малая Азия. Из диких горных коз примерно 7 -8 тыс. лет назад одомашнены козы. 4. Евразия. Были одомашнены крупный рогатый скот (от дикого быка Тура 5 -6 тыс. лет) и свиньи (от дикого лесного кабана 8 тыс. лет). 6. Североафриканский. Около 3, 5 тыс. лет назад из дикой камышовой кошки была одомашнена кошка. 5. Степи Причерноморья. Из дикого тарпана примерно 5 -6 тыс. лет назад была одомашнена лошадь.

7. Южноамериканский. Около 1 тыс. лет назад была одомашнена лама из диких лам и морская свинка из обитающих до сих пор в этом районе диких морских свинок. 8. Центральноамериканский. Здесь около 2 тыс. лет назад была одомашнена индейка из диких индеек.

Методы селекции животных Инбридинг Скрещивание внутри одной породы между близкими родственниками для сохранения важных признаков Аутбридинг Гетерозис Скрещивание различных пород животных, отличающихся по ряду признаков для получения межвидовых гибридов Получение межпородных высокопродуктивных гибридов

Селекция животных Сельскохозяйственные животные размножаются только половым путем Ø Потомство, полученное от одной пары производителей невелико Ø Высока селекционная ценность каждой особи Ø Ø Затруднительно выведение чистых линий, так как животные не способны к самооплодотворению

ИНБРИДИНГ – близкородственное скрещивание, которое приводит к повышению гомозиготности. Применяется для получения чистых линий. ØЧасто приводит к снижению общей жизнестойкости из-за накопления вредных рецессивных аллелей. ØЕдинственный метод, используемый для сохранения породы в чистом виде. Буденовская порода лошадей

ГЕТЕРОЗИС (греч. «изменение» ) –гибридная мощь, явление повышенной жизнеспособности, высокой плодовитости гибридов первого поколения от скрещивания разных чистых линий. Потомки превышают по этим показателям обоих родителей. üУ гибридов второго поколения гетерозисный эффект почти исчезает. üГетерозис объясняется переходом большинства генов в гетерозиготное состояние, взаимодействием генов. üОчень широко применяется для получения с/х продукции в растениеводстве и животноводстве. Для его продления у животных используют скрещивание гибридов первого поколения с новой чистой линией, а их потомков с исходными породами.

Аутбридинг (отдаленная гибридизация) – скрещивание растений и животных разных видов, а иногда и родов. üПолученные таким образом гибриды бесплодны, т. к. хромосомы разных видов негомологичны и не могут конъюгировать при мейозе (не происходит образования гамет). üВ 1924 г. Г. Д. Карпеченко нашел способ преодоления бесплодия у таких гибридов растений – путем удвоения числа хромосом и получения полиплоида. В результате у каждой хромосомы появляется свой гомолог. üУ животных это достигается путем сложных заводских скрещиваний, т. к. все полиплоиды у них гибнут в эмбриональном состоянии. üПрименяется для получения высоких и стабильных урожаев растений и продуктивности животных.

Лошак -помесь жеребца и ослицы. Лошаков выводят в странах Средиземноморья и в Азии. Однако, так как они уступают мулам по работоспособности и выносливости, встречаются гораздо реже, чем мулы. Самцы лошака всегда бесплодны, самки в большинстве случаев. Мул - результат скрещивания осла и кобылы. Отличаются большей, чем лошаки, долговечностью (живут до 40 лет), меньшей восприимчивостью к заболеваниям, нетребовательностью к корму и уходу. Муловодство развито в странах Азии, Африки, юга Европы, Северной и Южной Америки.

Хонорик - это гибрид между хорьком и европейской норкой. Хонорик ( «хо» - хорек, «нор» - норка) был выведен в 1978 году Д. Терновским и произошел от скрещивания гибридного хорька-самца, родителями которого были черный и светлый хорьки, и самки европейской норки.

Зеброид - гибрид зебры с ослом. Зеброид появился на свет в заповеднике в США.

Овечки-клоны Долли и Полли. v. Тихая овечка Долли - звезда современного клонирования - дожила всего до семи не полных лет: 05. 07. 1996 - 14. 02. 2003 г. г. Появившись на Свет из клетки вымени другой овцы от отца - Рослинского института, Долли пережила всех своих 276 братьевзародышей, полученных в ходе эксперимента. v Но опухоль легких, ставшая причиной смерти, могла быть и не вызвана процессом клонирования, за два года до кончины Долли умерла от той же болезни ее соседка по камере. v

Метод использованный учёными при клонировании животного.

Селекция микроорганизмов

Микроорганизмы Бактерии Вирусы Сине-зеленые водоросли Простейшие Грибы Микроорганизмы - мельчайшие организмы, различаемые только под микроскопом

Особенности микроорганизмов 1. Повсеместное распространение 2. Высокая скорость роста и размножения 3. Высокая степень выживаемости в условиях, которые непригодны для жизни других организмов (t=70 -105 С, радиация, Na. Cl=25 -30%, высушивание, отсутствие кислорода, t=(-), и др. 4. Способы питания: автотрофы (фото- и хемо-), гетеротрофы (разлагают все виды органических веществ, неприродные соединения, нитраты. Сероводород и другие токсичные вещества) 5. Невероятная продуктивность. Например: корова весом в 500 кг. за сутки образует 0, 5 кг. белка, а 500 кг. растений сои продуцируют за тот же срок 5 кг. белка, равная же масса дрожжей способна выработать в биореакторе за сутки 50 тонн белка, что в 100 раз превышает их собственную массу и равно массе 5 взрослых слонов). 6. Чрезвычайная приспособленность микробов даёт возможность легко и быстро их селекционировать. Чтобы вывести породу животных или сорт растений нужны сотни лет, а для выведения штамма микроорганизма нужно несколько лет.

Селекция микроорганизмов Традиционные методы Новейшие методы Генная инженерия Искусственный мутагенез Отбор по продуктивности 1 способ 2 способ: Основан на выделении нужного гена из генома одного организма и введение его в геном другого Синтез гена искусственным путем и введение в геном бактерий

Традиционные методы. Традиционная селекция микроорганизмов (в основном бактерий и грибов) основана на экспериментальном мутагенезе и отборе наиболее продуктивных штаммов. Но и здесь есть свои особенности. Геном бактерий гаплоидный, любые мутации проявляются уже в первом поколении. В результате искусственного мутагенеза и отбора была повышена продуктивность штамма гриба пенициллина более чем в 1000 раз. Микроорганизмы используют для биологической очистки сточных вод, улучшения качества почвы. 69

Продукты микробиологической промышленности используются ØВ приготовлении многих молочных продуктов ØВ виноделии ØВ пивоварении ØВ хлебопечении 70

С помощью микробиологической промышленности получают ØРазличные ферменты ØАнтибиотики ØГормоны ØВитамины ØАминокислоты, белки и многое другое 71

Новейшие (основные) методы. Генная инженерия Биотехнология Клеточная инженерия

Клеточная инженерия – метод получения новых клеток и тканей на искусственных питательных средах. В основе метода лежит высокая способность растительных клеток к регенерации и из одной клетки вырастает целое растение. Методы клеточной инженерии Использование клеточных культур Слияние эмбрионов, получение химер Получение гибридом Клонирование

Клеточная инженерия Методы клеточной инженерии связаны с культивированием отдельных клеток в питательных средах, где они образуют клеточные культуры. Оказалось, что клетки растений и животных, помещенных в питательную среду, содержащую все необходимые для жизнедеятельности вещества, способны делиться. Клетки растений обладают еще и свойством тотипотентности, то есть при определенных условиях они способны сформировать полноценное растение.

Клеточная инженерия Интересен метод пересадки ядер соматических клеток в яйцеклетки. Таким способом возможно клонирование животных, получение генетических копий от одного организма. В настоящее время получены клонированные лягушки, получены первые результаты клонирования млекопитающих.

Клеточная инженерия Возможно слияние эмбрионов на ранних стадиях, создание химерных животных. Таким способом были получены химерные мыши при слиянии эмбрионов белых и черных мышей, химерное животное овца-коза.

Генная инженерия основана на пересадке генов из одних организмов в другие. Этапы генной инженерии С помощью ферментов рестриктаз выделяют гены из клеток бактерий, растений и животных С помощью ферментов лигаз соединяют отдельные фрагменты ДНК в единую молекулу в составе плазмиды Полученную конструкцию вводят в клетку хозяина, где она репрецируется и передается потомству Растения и животные, геном которых изменен таким путем, называются трансгенными. Около 40% культурных растений, выращиваемых на Западе являются трансгенными.

Излюбленный объект генных инженеров – кишечная палочка, бактерия живущая в кишечнике человека. Именно с его помощью получают гормон роста – соматотропин, гормон инсулин, белок интерферон. Кишечная палочка Соматотропин Инсулин Интерферон

Генная инженерия Перенос новых генов в геном животных возможен с помощью микроинъекции ДНК в ядро яйцеклетки. Так получили трансгенную гигантскую мышь, которой ввели ген гормона роста крысы.

Направления генной инженерии 1. Пищи: Трансгенные растения содержат все необходимые Производство аминокислоты, микроорганизмы производят все необходимые ферменты, витамины и дешевый белок, а продуктивность животных увеличилась в 3 -5 раз. Стало возможным производство пищи минуя животноводство и растениеводство, только из микроорганизмов. Пока остается главным - генная селекция растений, животных и бактерий с целью повышения продуктивности, устойчивости к болезням и абиотическим факторам и внедрения генов животных в гены растений. Новые растения: Соккура (соя + кукуруза), сотаба (соя + табак), картомидор (картофель + помидор). 2. Производство источников энергии и новых материалов: бензин заменяют этиловым спиртом, полученный бактериями из растительного сырья. Использование «биогаза» , искусственной нефти, солярки из бытовых отходов. Производство искусственных тканей с помощью микроорганизмов. Получение пластмасс путем синтеза окиси пропилена. 3. Генная инженерия в медицине: производство лекарств (инсулин, интерферон, соматотропин, антибиотики, вакцины, витамины), генная терапия: выделение поврежденного гена и переноса нормального в клетку (генные болезни обмена веществ)