Лекция Изменчивость, ее причины и методы изучения изменчивости организмов
План лекции
Изменчивость, виды изменчивости. Методы изучения наследственности и изменчивости.
Мутационная изменчивость. Классификация мутаций
Модификационная изменчивость
Изменчивость, виды изменчивости. Методы изучения наследственности и изменчивости
Под термином изменчивость понимают свойство, противоположное наследственности; оно заключается в способностях организмов изменяться под действием наследственных и ненаследственных факторов. На основе изменчивости организмов появляется генетическое разнообразие форм, которые в результате действия естественного отбора преобразуются в новые подвиды и виды.
Изменчивость может быть наследственной - онтогенетической, мутационной, коррелятивной – и ненаследственной – модификационной.
Наследственная изменчивость — свойство организмов приобретать новые признаки в процессе онтогенеза и передавать их потомству. Материальные основы наследственной изменчивости — изменение генов, генотипа; ее индивидуальный характер (проявление у отдельных особей), необратимость, передача по наследству.
Онтогенетическая изменчивость – совокупность последовательных изменений признаков и свойств особи в процессе ее индивидуального развития (онтогенеза). В онтогенезе особи происходит реализация наследственной информации, полученной от родителей, путем последовательного совместного действия комплекса генов. В процессе онтогенеза каждый признак формируется самостоятельно, но в строгом соответствии с генетическим планом развития данной особи.
Комбинативная изменчивость — результат перекомбинации генов при скрещивании организмов. Причины перекомбинации генов — перекрест и обмен участками гомологичных хромосом, случайный характер распределения хромосом между дочерними клетками в ходе мейоза, случайное сочетание гамет при оплодотворении, взаимодействие генов. Пример: появление дрозофил с темным телом и длинными крыльями при скрещивании серых дрозофил с длинными крыльями с темными дрозофилами с короткими крыльями.
Мутационная изменчивость (мутация)— внезапное, случайное возникновение стойких изменений генетического аппарата, вызывающее появление новых признаков в фенотипе. Процесс возникновения мутацй называется мутагенезом, а организм, у которого мутировал тот или иной признак – мутантом. Примеры: шестипалая рука, альбиносы.
Коррелятивная (соотносительная) изменчивость может быть положительной или отрицательной в зависимости от изменчивости или развития другого признака. (с увеличением жирности молока падает удой) Коррелятивная изменчивость оказывает большое влияние на онтогенетическую, комбинативную и мутационную изменчивость.
Ненаследственное изменение признака или свойства в онтогенезе, возникающее в результате влияния внешних условий называют модификационной изменчивостью. Характерной особенностью данного типа изменчивости является соответствие условиям, ее вызывающим (адекватность). Она, как правило, носит приспособительный характер.
Методы изучения наследственности и изменчивости
Современная генетика изучает явления наследственности и изменчивости, опираясь на достижения различных отраслей биологии – биохимии, биофизики, цитологии, эмбриологии, микробиологии, зоологии, ботаники, растениеводства и животноводства.
Наиболее старым методом является гибридологический метод.
Он впервые разработан и применен Г. Менделем в 1856 – 1863 гг. для изучения закономерностей наследования того или иного признака или группы признаков. Для этого проводится скрещивание особей, различающихся по этим признакам, и изучается полученное от них первое, второе и последующие поколения.
Одним из вариантов гибридологического метода является генеалогический метод.
При использовании этого метода наследование изучается путем анализа передачи его от родителей потомкам. Это достигается с помощью изучения родословных, то есть сведений о комплексе признаков предков и потомков разных поколений. Этот метод используется в первую очередь в животноводстве, он является основным элементом племенной работы.
Родословные – документ, удостоверяющий происхождение животных в котором все его предки расположены в определенном порядке.
По родословным можно установить происхождение, породу, наличие инбридинга, выявить лучших предков, их количество и ряды, в которых они встречаются, как унаследовались их качества. На основании этого метода можно установить и наследственные нарушения в организме. Для этого составляют родословную на всех аномальных животных по трем – четырем и более рядам предков.
3. Для характеристики групп животных (растений) по степени изменчивости различных признаков, связи между признаками и их наследованию применяют популяционный метод.
Он базируется на использовании математики и дает возможность определить частоту распространения признака (гена) в группах особей, определить степень гетерозиготности и гомозиготности по учтенным признакам, генетическое сходство между группами особей, установить генетическую структуру популяции по частоте генов, генотипов и влияние на эти показатели мутаций, отбора, родственного и неродственного спаривания, миграций членов популяции.
4. Феногенетический метод. Основу этого анализа составляет изучение влияния условий кормления и содержания сельскохозяйственных животных на формирование у них наследственно обусловленных признаков и свойств. Метод важен при разведении животных и совершенствовании пород. В условиях, благоприятных для раскрытия наследственных возможностей животного, получают крепкий здоровый молодняк, в меньшей степени подверженный действию отрицательных факторов внешней среды. Известно, что условия кормления и содержания оказывают огромное влияние на количество и качество продукции (молоко, мясо, шерсть и др.), получаемой от животных. В настоящее время при переводе скотоводства и птицеводства на промышленную основу значение использования феногенетического метода существенно возросло.
5. Рекомбинационный метод. Данный метод направлен на изучение эффекта новых генных сочетаний как результата обмена между разными нитями ДНК, а в широком смысле слова — при любом скрещивании. Он включает изучение эффекта замены генов в ДНК низших органических форм (бактерии, вирусы, плазмиды) и эффекта обмена генами между хромосомами высших организмов. Рекомбинационный метод является средством картирования хромосом, выявления места локализации в них тех или иных генов, а также одним из способов анализа тонкой структуры гена. Он имеет практической значение, так как открывает возможности для отбора новых рекомбинантных форм.
6. Мутационный метод. Этот метод основывается на сравнении эффекта мутации с исходным действием гена. Он позволяет выявить различия в чувствительности разных генов к факторам, вызывающим мутации, вскрыть частоту и особенности процесса мутирования, оценить развитие мутантных форм в разных условиях среды. В этом случае мутационный анализ сближается с феногенетическим методом. Наиболее эффективен мутационный анализ в генетике микроорганизмов и вирусов.
Его используют и для изучения хромосомных и геномных мутаций при изменении строения или числа хромосом в хромосомных наборах. В этом случае он сближается с цитогенетическим методом генетики.
7. Цитогенетический (цитологический) метод. Основой этого метода служит кариологический анализ, то есть исследование числа, размеров и формы, физико-химических характеристик и изменений хромосом, структур цитоплазматических органоидов клетки, а также ДНК митохондрий и пластид. С помощью цитогенетического анализа можно выявить генетические причины различных наследственных болезней, оценить мутагенную опасность факторов, воздействующих на клетку и организм, установить степень родства разных форм по поведению хромосом при образовании зародышевых клеток у гибридов. Цитогенетический анализ включает и такие методы исследования генетических структур, как дифференциальная окраска хромосом, электронно-микроскопическое исследование хромосом высших организмов и ДНК низших.
8. Биохимический метод в сочетании с гибридологическим и цитологическим методами применяется для более детального изучения процессов происходящих в клетке, а также химическое строение генетического материала. С помощью этого метода можно диагностировать наследственные болезни обмена веществ и болезни с наследственным предрасположением.
9. Близнецовый метод применяется при изучении влияния определенных факторов внешней среды и их взаимодействия с генотипом особи.
10. Статистический метод. Статистический (биометрический) анализ представляет собой ряд математических способов оценки результатов исследования, позволяющих сделать выводы о достоверности полученных данных, о вероятности различий между показателями опытных и контрольных групп, о соответствии или несоответствии распределения экспериментальных данных теоретически ожидаемому распределению и т. д.
Следует отметить, что обычно сочетают несколько методов генетики. К примеру, популяционный анализ стад сельскохозяйственных животных сочетается с генеалогическим и невозможен без биометрической обработки полученных данных.