Сохранить в * (402 КБ)

УДК 633.631.52:575.127
В.А.Дзюба, д-р.биол. наук, профессор,
ГНУ ВНИИ риса
аrrri-kub@ mail.ru
ЗАКОНЫ Г.МЕНДЕЛЯ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В
СОВРЕМЕННЫХ СЕЛЕКЦИОННО-ГЕНЕТИЧЕСКИХ
ИССЛЕДОВАНИЯХ
В статье описаны законы, сформулированные Г. Менделем для
растений
и
гибридных
популяций
гороха.
Приведены
примеры
их
использования при объяснении наследования признаков в гибридных
популяциях риса. Эти результаты могут быть использованы при
составлении и выполнении селекционных программ для создания новых
сортов.
In the article these are described the laws of G. Mendel for plants and peas
hybrids. These are given the examples of their use while explaining inheritance of
features in rice hybrids. These results can be applied while developing and
carrying out of selection programs for new varieties’ selection.
Ключевые слова: рис, закон, наследование, гибридологический анализ,
гибриды F1-F2, популяция, селекция сортов.
Keywords: rice, law, inheritance, hybrid analysis, hybrids F1-F2, population,
varieties’ selection.
Введение. Биологическая наука и мировая научная общественность в
этом году отметили 190-летие со дня рождения Грегора Менделя –
основоположника научного менделизма.
Мендель Грегор Иоганн родился 22 июля 1822г. и умер 06 января 1884г.
Естествоиспытатель, основоположник учения о наследственности. Окончил
философские классы при университете в г.Ольмюце (1843г.). С 1843г. –
монах августинского монастыря в г.Брно Чехии. С 1868г. – настоятель этого
монастыря, одновременно в течение ряда лет преподавал в школе
естественную историю и физику [1].
На опытном участке монастыря Г. Мендель с учениками проводил
опыты с различными культурами. Но Г.Мендель работал главным образом с
различными сортами гороха. После выращивания и изучения этих сортов он
обратил внимание, что многие из них оказались константными, но
различались по отдельным хорошо проявляющимся признакам. Некоторые
сорта имели желтые семена, а другие – зеленые; семена могли быть гладкими
или морщинистыми; цветки – белыми или окрашенными; бобы – желтыми
или зелеными и т.д. Менделю удалось подобрать пары с контрастирующими
признаками, он провел гибридизацию, вырастил растения F1, F2 и F3,
осуществил учет и анализ результатов.
Изучая результаты скрещиваний, Г. Мендель обнаружил, что гибриды по
своему проявлению признаков не являются промежуточными формами
между двумя родителями, а в большинстве случаев соответствуют одной из
них.
Цель
исследований
наследственности,
–
показать
сформулированных
содержание
Г.Менделем,
законов
на
о
гибридных
популяциях гороха и продемонстрировать возможность их использования в
современных селекционно-генетических исследованиях.
Результаты. На основании многолетних опытов по гибридизации
различных сортов гороха с точным количественным учетом всех типов
полученных
гибридов
и
рекомбинантов,
а
также
вариационно-
статистической обработки результатов экспериментов, впервые открыл
(1856-1863гг.), обосновал, сформулировал и описал в книге «Опыты над
растительными
гибридами»
(1865)
основные
закономерности
наследственности.
Основополагающим
приемом
изучения
наследования
различных
признаков растений явился метод, разработанный Грегором Менделем. О
результатах своей работы он сообщил 8 февраля и 8 марта 1865г. Обществу
естествоиспытателей в г.Брно Чехии. Мендель, в отличие от своих
предшественников, пытавшихся одновременно следить за наследованием
совокупности всех признаков гибридного потомства, положил в основу
генетического анализа принцип изучения наследования отдельных пар
признаков.
Г.
Мендель
подвергал
анализу
наследование
отдельных
пар
альтернативных качеств растений (цвет или форма горошин). Простота и
четкость
методики
применения
гибридологического
количественного
эксперимента,
вариационно-статистического
возможность
подхода
и
алгебраических символов в анализе его результатов – все это сделало метод
Менделя новым этапом в развитии биологического познания вообще, и
генетики в частности, и его особенности. Классические исследования
Менделя приподняли завесу над совсем еще неизведанной областью
микромира. Исследования Менделя не получили признания сразу же после
их опубликования (1865). Более того, биологическая наука тех лет как бы
равнодушно прошла мимо них, не заметив того огромного потенциала,
заключенного в этих исследованиях, который на новом этапе ее развития
привел к бурному продвижению вперед в познании не только микромира
живой природы, но и ее микропроцессов. Опыты Менделя уже в то время
могли бы существенно помочь в обосновании эволюционной теории Дарвина
о происхождении видов путем естественного отбора [2].
Но, к сожалению, законы Менделя не были по достоинству оценены
современниками, не нашли широкого их применения в экспериментах. Они
получили дальнейшее развитие лишь после их повторного открытия (1900).
Независимо друг от друга немецкий ботаник и генетик К.Э.Корренс,
голландский ботаник и генетик Г.Де Фриз и австрийский генетик Э.Чермак
повторно открыли и сформулировали законы Менделя. После переоткрытия
законов Менделя было положено начало бурному развитию генетики [3].
Законы Менделя открыли новый этап в исследовании проблемы
наследственности и изменчивости [4].
Отмечая их общеметодологическое значение, Н.И.Вавилов (1965) писал,
что «гению Менделя удалось с поразительной ясностью и убедительностью
экспериментально показать, что отдельные наследственные признаки ведут
себя при скрещивании независимо, свободно комбинируясь в потомстве по
законам вероятности в определенные числовые соотношения. Это явление
было
объяснено
им
обусловленностью
признаков
наследственными
зачатками, заключающимися в половых клетках (гаметах). Им дан метод
исследования наиболее запутанных биологических явлений, перед тайной
которых останавливался естествоиспытатель прошлого века. Более того,
Мендель открыл путь к планомерному управлению наследственностью на
основе установленных им закономерностей» [5].
В результате этих работ Г.Мендель пришел к выводу о существовании
ответственных за признаки наследственных факторов, которые позднее были
названы генами [6].
Особенностью исследований Менделя был метод подбора родительских
особей. Для скрещивания он брал растения, различающиеся по одному, двум
или трем контрастным, альтернативным признакам в каждом поколении (F1,
F2 и
F3). Мендель вел учет растений отдельно по конкретной паре
альтернативных признаков. Он проводил количественный учет гибридных
растений, различающихся по отдельным признакам в ряду последовательных
поколений. Мендель применил индивидуальный анализ потомства от
каждого растения в ряду поколений. Все эти простые приемы и методы
исследования явились новым направлением изучения наследственности,
открывшим целую эпоху.
Мендель сформулировал три основных закона [7].
ПЕРВЫЙ ЗАКОН однородности и реципрокности, относящийся к
первому
поколению
(F1),
гласит,
что
гибриды,
происходящие
от
наследственно чистых (гомозиготных) родителей, являются однородными, то
есть совершенно единообразными, и эта генотипическая и фенотипическая
однородность не зависит от направления скрещивания (А х В или В х А).
Иногда бывают различия признаков между реципрокными гибридами. Эту
изменчивость значений признаков можно отнести за счет влияния
материнской плазмы. На этой основе было сформулировано явление
доминирования, которое показывает преобладающее действие (проявление)
одного признака над другим. Преобладающий признак принято называть
доминантным, а фактор, который подавляется, рецессивным.
Доминирование можно подразделить на следующие формы:
- частичное, когда гибрид превосходит лучшую родительскую особь по
изучаемому признаку незначительно (меньше 50%);
-
полудоминирование,
в
тех
случаях,
когда
гибрид
занимает
промежуточное положение по отношению к родительским формам;
- неполное – гибрид по изучаемому признаку значительно превышает
худшую родительскую особь, но близок к лучшей;
- полное доминирование – величина признака гибрида равна значению
лучшего родителя;
- сверхдоминирование – гибрид превосходит лучшего родителя по
величине конкретного признака.
Доминирование может быть как положительным, так и отрицательным.
ВТОРОЙ ЗАКОН расщепления относится к растениям гибридов
второго поколения (F2), полученным в результате самоопыления (для
перекрестников) или скрещивания в пределах одной семьи типа сестра х брат
особей F1. Этот закон Менделя утверждает, что во втором поколении
гибридных растений признаки исходных родителей вновь появляются с теми
же значениями количественных факторов, какие были у исходных
родительских особей. Если родительские формы имели высокорослый и
карликовый габитус, то в F2 будут как высокорослые, так и карликовые
особи.
Для иллюстрации жизненности закона Менделя о расщеплении гибридов
в F2 нами были проведены скрещивания между высокорослыми и
карликовыми образцами риса. В F1
все растения были высокорослые.
Значит, закон доминирования работает надежно. В F2 наблюдалось
расщепление
на
высокорослые
и
карликовые
растения.
Результаты
гибридологического анализа показаны в таблице 1.
1. Расщепление гибридов риса в F2 по высоте растений*
Всего
растений,
шт.
Гибрид
Эрби х Мутант Шиловского
Краснодарский 424 х Анао
Мутант Шиловского х ВИР 4872
ВИР 4790 х Анао
1412
1476
1452
1382
Количество
растений в
классах, шт.
высококаррослые
лики
1076
336
1089
387
1067
385
1078
304
Х2
3:1
1,09
1,17
1,77
1,80
Вероятность
0,50>Р>0,25
0,50>Р>0,25
0,25>Р>0,10
0,25>Р>0,10
* - Образцы: Эрби, Краснодарский 424, ВИР 4872 и ВИР 4790 - высокорослые;
Анао и Мутант Шиловского – карлики.
Результаты
гибридологического
анализа
показывают,
что
в
F2
происходит расщепление на высокорослые и карликовые растения. Это
расщепление наблюдается по фенотипу. Среди высокорослых особей
имеются гомозиготные и гетерозиготные растения. В F3 гомозиготные
растения не расщепляются – в потомстве все высокорослые. Гетерозиготные
растения расщепляются по типу F2: высокорослые и карлики.
Таким образом, в F2 по генотипу происходит расщепление в отношении
1:2:1 или 50% гомозигот и 50% гетерозигот. Среди гомозигот количество
высокорослых и карликовых растений теоретически бывает поровну. Среди
гомозиготных семей в F3 возможно проводить отбор как высокорослых, так и
карликовых
растений.
Такие
отборы
в
селекционном
питомнике
расщепления не дадут. Каждую семью нужно оценивать по хозяйственноценным признакам, выделять лучшие из них, которые отвечают модели
идеального сорта риса, проводить испытание в контрольном питомнике.
Можно провести генетический анализ и по другим признакам.
В F2 мы провели гибридологический анализ по размеру колосков. Все
растения каждого гибрида были убраны с корнями, отмыты от остатков
почвы, высушены и разделены на два класса: класс с округлыми колосками и
с удлиненными. Результаты анализа приведены в таблице 2.
2. Расщепление гибридов риса в F2 по размеру колосков*
Всего
растений,
шт.
Гибрид
Прикубанский х Славянец
Кубань 3 х Прикубанский
Снежинка х Славянец
Солярис х Изумруд
1248
1276
1124
1196
Количество
растений в классах,
шт.
округлые
удликолоски
ненные
колоски
958
290
948
328
839
285
911
285
Х2
3:1
Вероятность
0,25>Р>0,10
0,75>Р>0,50
0,95>Р>0,75
0,50>Р>0,25
2,07
0,33
0,08
0,87
* - Сорта: Славянец, Кубань 3 и Солярис имели округлые колоски;
Прикубанский, Снежинка и Изумруд – удлиненные.
На основе результатов гибридологического анализа установили, что
округлая зерновка (колосок) контролируется одной парой доминантного гена
Lk (Long Kernel), а удлиненная – моногенно, рецессивным аллелем гена 1k
(long kernel).
При
создании
новых
сортов
риса
с
удлиненными
зерновками
(колосками) достаточно взять в качестве одного из родителей образец с
удлиненными колосками. В F2 возможно проводить отбор нужных генотипов
с удлиненным зерном. Таких генотипов в каждой гибридной популяции
будет примерно ¼, или около 25%. Отобранные растения с удлиненным
зерном подвергают биометрическому анализу, бракуют по признакам:
пустозерность более 10%, количество зерен с главной метелки меньше 110,
высота стеблей больше 110 см. Оставленные индоотборы испытывают в
селекционном
питомнике.
Во
ВНИИ
риса
созданы
новые
сорта:
Прикубанский, Кулон, Снежинка, Изумруд и др. с удлиненной формой
зерновки.
ТРЕТИЙ
ЗАКОН
независимого
распределения
или
новых
комбинаций наследственных факторов относится к потомкам гибридов,
родители которых различались более чем по одной паре генов. В этом случае
родительские рекомбинации генов или признаков не соответствуют закону
расщепления как целое, а каждая пара признаков подчиняется ему
независимо, в результате чего могут возникать новые рекомбинации
признаков, не встречавшиеся ни у одного из родителей. Закон независимой
рекомбинации
генов
неограниченно
справедлив
только
для
генов,
относящихся к разным группам сцепления.
Например, было проведено скрещивание между растениями риса, у
которых материнская особь ВИР 1075 была безостой, с соломенно-белыми
цветковыми чешуями, апикулюс (верхушка цветковой чешуи) окрашен в
черный цвет, высокорослый габитус. Примерный генотип материнской
формы выражен символами международной генетической номенклатуры:
ananBfBfPP--DD,
ботанической
разновидности
nigro-apiculata
Gust.
Отцовская форма ВИР 4984 на метелке имела ости и цветковые чешуи
коричневого цвета, карликовый габитус. Примерный генотип был определен
AnAnbfbf--BanBandd, ботанической разновидностью amaura Alef.
Растения F1 ВИР 1075 х ВИР 4984 были остистые, цветковые чешуи
имели
соломенно-белую
окраску,
ости
были
фиолетовые,
стебли
высокорослые. Примерный генотип растений F1 был AnanBfbfBan-P-Dd,
ботаническая разновидность была janthoceros
Korn. На основе анализа
растений F1 можно отметить, что остистость доминирует над безостостью,
соломенно-желтая окраска цветковых чешуй доминирует над коричневой.
Доминантный ген Р (Purple apiculus), контролирующий черный апикулюс,
распространяет свое влияние на окраску остей, проявляет их фиолетовый
цвет. Высокорослость также доминирует над карликовостью. Растения F1
были высокорослые, остистые, окраска цветковых чешуй была светлая, остей
– фиолетовая.
В F2 на основе рекомбинации генов, контролирующих признаки
ботанических
разновидностей,
получено
расщепление
в
отношении
896:2203:626:171:71. Получены растения ботанических разновидностей,
которые имели обе родительские формы. Из 3967 особей F2 отобрано 896
растений, аналогичных фенотипу F1. Кроме того, появились растения новых
ботанических разновидностей: vavilovi Brsches и cinnamomea Bat. Среди
растений каждой ботанической разновидности имелись карликовые формы.
В каждом классе растений была определена величина рекомбинации
генов по формуле [8]:
R=
А
.100,
Е
где А – количество кроссоверных особей;
R - величина рекомбинации генов, выраженная в процентах;
Е - всего особей гибридной популяции F2 (табл. 3).
3. Величина рекомбинации генов, контролирующих признаки
ботанических разновидностей в различных классах растений гибрида F2
ВИР 1075 х ВИР 4984
Ботаническая
разновидность
растений
Janthoceros Korn
Amaura Alef
Vavilovi Brsches
Nigro-apiculata Gust
Cinnamomea Bat
Для растений всей
популяции
а
в
896
22,60
2203
55,53
626
15,78
171
4,31
71
1,78
Для высокорослых
растений
а
в
703
22,79
1676
54,37
493
15,98
148
4,79
64
2,07
Для карликовых
растений
а
в
193
21,85
527
59,70
133
15,06
23
2,60
7
0,79
Примечание: а – количество растений;
в – рекомбинация, %.
По величине рекомбинации можно судить о расстоянии между генами,
контролирующими признак в хромосоме. Между близко расположенными
генами в хромосоме вероятность кроссинговера значительно меньше, чем
между локусами, находящимися далеко друг от друга. Эту особенность
необходимо учитывать при подборе родительских пар для гибридизации.
Вероятность
получения
желаемой
рекомбинации
между
генами,
локализованными далеко друг от друга, значительно быстрее, чем тесно
сцепленными генами.
Частота рекомбинации между генами, контролирующими любой
признак, зависит от количества генов, детерминирующих его и поколения
гибрида. С увеличением поколения частота рекомбинаций между генами
возрастает. Мы определили, если признак контролируется моногенно, то в F2
количество гомозиготных особей с рецессивным геном составит 25% всей
популяции; в F3-37,5%, в F4 – 43,75%, в F5 – 46,87%.
С увеличением
количества
генов,
контролирующих
признак,
уменьшается
частота
проявления гомозиготных особей с рецессивными факторами в гибридной
популяции. Если за признак несут ответственность 6 пар генов, то в F2
гомозигот будет 0,024%, в F3 – 0,036%, в F4-0,042%, в F5 – 0,045%. Это
указывает на тот факт, что при работе с гибридной популяцией
исследователь может рассчитать размер выборки растений и нужное
поколение,
в
котором он
отберет гомозиготную
особь
с
нужной
рекомбинацией генов.
Это яркие примеры использования законов Менделя в практической
генетике и селекции. Все три закона Менделя будут четко работать при трех
биологических условиях:
1. равновероятное образование гамет в гибриде;
2. равновероятное соединение мужских и женских гамет;
3. равновероятное выживание зигот.
Зная
особенность наследования
количественных
и
качественных
признаков у риса, возможно прогнозировать расщепление их в F2 c учетом
рекомбинации генов. Число рекомбинаций генов, полученных в результате
гибридизации, зависит от трех факторов: числа генов, по которым
различаются родительские особи; расстояния между генами или силы
сцепления в единицах кроссинговера, находящихся в одной группе
сцепления; числа аллелей каждого гена.
Если исходная популяция гибрида была гетерозиготной по трем парам
генов, а ее выращивание проведено в течение четырех поколений, то в F4 мы
получим 4096 растений. Это значит, что можно отобрать одно гомозиготное
растение по трем парам генов из 4096 особей. В этом гибриде будет
встречаться по одному растению: в F2 – из 64 особей, в F3 – из 512, в F4 – из
4096 и т.д.
Гомозиготные
растения
отбирают,
анализируют
и
включают
в
селекционный питомник, где дается оценка данной семьи по хозяйственноценным признакам. Лучшие семьи переводят в контрольный питомник, а те,
которые
не
удовлетворяют
селекционера
по
каким-то
признакам,
выбраковывают.
Выводы
1. Установлено четкое статистически достоверное проявление признаков
в гибридных популяциях: доминированное – высокорослые растения и
округлые зерновки; рецессивное -
карликовые растения и удлиненные
зерновки.
2. На основе знания генетики количественных признаков, изменчивости
их в гибридных популяциях, ряда поколений строятся стратегия и тактика
селекционного процесса любой сельскохозяйственной культуры, в том числе
и риса.
Литература
1.
Бабий,
Т.П.
Биология/Т.П.
Бабий,
Л.Л.
Коханова
и
др.//Биографический справочник. – Киев, 1984.–168с.
2. Дарвин, Ч. Происхождение видов /Ч.Дарвин// Соч. том 3., 1939. –270 с.
3.Мюнтцинг,А. Открытие Менделем стабильных генов/ А.Мюнтцинг//
Генетика, общая и прикладная. – 1967. – С.416-417.
4. Лобашов, М.Е. Основные этапы развития генетики /М.Е.Лобашов//
Генетика. -1967. – С.15-20.
5. Вавилов, Н.И. Избранные труды /Н.И.Вавилов.– Л.: Наука, 1965.–
С.416-417.
6. Ригер, Р. Менделя законы /Р.Ригер, А.Михаэлис// Генетический и
цитогенетический словарь.– М.,-1967. –223с.
7. Мендель, Г. Опыты над растительными гибридами /Г.Мендель.– М.:
Наука, 1965. – 158с.
8. Дзюба, В.А. Генетика риса /В.А.Дзюба. – Краснодар,–2004.–283с.