Лекція № 2 Тема: «Закони Менделя»

Питання:

1. Роботи Менделя. І закон Менделя.

2. ІІ закон Менделя.

3. ІІІ закон Менделя. Розщеплення за генотипом і фенотипом.

4. Поняття «чистоти гамет».

5. Гібридологічний аналіз, його значення.

6. Аналізуюче схрещування.

Основні види схрещувань - моногібридне, полігібридне та аналізуюче. Далі будуть розглянуті й роз'яснені при вивченні законів Менделя. Він вніс дуже важливий внесок у з'ясування сутності спадковості, досвіди якого по схрещуванню рослин лежать в основі більшості сучасних досліджень. Застосовуючи схрещування рослин, що розрізняються по контрастних ознаках, Мендель в 1865 р. сформулював ідею про існування спадкоємних факторів. Гибридологічний метод, пов'язаний з вивченням характеру спадкування окремих ознак і властивостей, значною мірою визначив успіх досліджень Менделя й дозволив йому виявити й сформулювати основні правила спадковості.

До основних особливостей гибридологічного методу вивчення спадковості відносять: 1) використання як вихідні форми схрещування рослин, що відрізняються друг від друга порівняно невеликою кількістю (одна, дві або три пари) контрастних ознак, і ретельний облік характеру спадкування кожного з них; 2) точний кількісний облік гібридних рослин, що розрізняються по окремих ознаках, у ряді послідовних поколінь; 3) індивідуальний аналіз потомства від кожної рослини в ряді послідовних поколінь; 4) неприпустимість впливу чужорідного генетичного матеріалу на батьківські раси й гібриди; 5) збереження здатності до розмноження в гібридів і їхніх нащадків.

Схрещуючи рослини, що розрізняються між собою по одній парі альтернативних ознак, (таке схрещування називають моногібридним), Мендель виявив, що гібриди першого покоління проявляють тільки одну ознаку з альтернативної пари. Taк, при схрещуванні сорту гороху, що має жовті насіння, із сортом, що мав зелені насіння, всі гібридні насіння були жовтими, поза залежністю від того, який сорт використали в якості материнського. При схрещуванні високих рослин з низькорослими в першому поколінні всі рослини були високорослими й т.д. На підставі цих досвідів він дійшов висновку, що при схрещуванні сортів, що відрізняються по одній парі ознак, у гібридів першого покоління (F₁) завжди є ознака тільки одного з батьків. Такі ознаки Мендель назвав домінантними (лат. dominantis - пануючий). Ті ознаки, які в гібридів першого покоління не проявлялися, Мендель назвав рецессивными (лат. recessus-відступ).

Це явище Мендель назвав правилом домінування, що у цей час прийнято називати першим законом Менделя або законом однаковості гібридів першого покоління.

Піддавши гібридні рослини самозапиленню, Мендель виявив, що серед нащадків таких гібридів поряд з особинами, що несуть домінантна ознака, з'явилися особини з особливостями іншого батька, що раніше не виявилися. Відзначений Менделем факт того, що рецесивна ознака в схованому виді проходить через покоління гібридів і знову виникає в їхніх нащадках, привів ученого до ідеї про існування відповідальних за ці явища спадкоємних факторів. Для зручності обробки отриманих даних Мендель застосував літерне позначення спадкоємних факторів: для домінантної ознаки А, для рецессивного - а. Спадково чисті домінантні особини одержали позначення АА, а чисті рецессивные особини— аа. Альтернативні спадкоємні фактори стали називати аллелями. Аллели можна охарактеризувати як різні (контрастні) форми одного гена, або інакше в результаті модифікації гена, або як ознаки, обумовлені однією парою аллельных генів. Надалі організми, що мають пару однакових аллелей (АА або аа), стали називати гомозиготними, а особин з набором Аа — гетерозиготними. Шляхом самозапилення рослин першого покоління Мендель одержав насіння. Три чверті цих насінь мали жовте фарбування й одна чверть — зелену. При вирощуванні й самозапиленні рослин із зелених насінь було виявлено, що всі ці рослині утворять тільки зелені насіння. Рослини, отримані з жовтих насінь, при самозапиленні виявили інші властивості. З жовтих насінь Мендель виростив і піддав самозапиленню певна кількість рослин. Одна чверть цієї кількості утворила тільки жовті насіння, у той час як три чверті рослин утворили як жовті, так і зелені насіння в кількостях, що наближаються до співвідношення 3:1. Таким чином, рослини третього покоління розділилися на дві групи: групу рослин, що утворила тільки жовті насіння, і групу рослин, подібно гібридам що дав як жовті, так і зелені насіння в співвідношенні 3:1. Неконстантні й константні рослини в F₂ минулого виявлені в співвідношенні, близькому 2:1.

На підставі проведених досвідів Мендель сформулював друге правили, або закон розщеплення ознак у гібридів другого покоління. Другий закон спадковості - основний внесок Грегора Менделя в експериментальне вивчення спадковості.

Третій закон Менделя — закон незалежного спадкування — був сформульований їм на підставі вивчення потомства від дигибридных схрещувань. Так, при схрещуванні сорту гороху, що мав гладкі жовті насіння (ААВВ), із сортом, що мав зелені зморшкуваті насіння (aabb, гібриди F, мали жовті гладкі насіння, тому що гладка форма насінь домінує над зморшкуватою. В F₂ серед отриманих насінь Мендель виявив кілька фенотипів, що можна виразити співвідношенням 9:3:3:1. При розгляді цього співвідношення видно, що поряд з насіннями, що володіють сполученнями ознак, характерними для вихідних форм (гладкі жовті й зморшкуват зелені), в F₂ з'являються насіння з новими сполученнями ознак — гладк зелені й зморшкувата жовті, тобто відбувається перекомбінація ознак вихідних форм.

На підставі докладного аналізу даного досвіду й ряду аналогічних схрещувань Мендель дійшов висновку, що фактори А и В у гібридів Аавь при утворенні полових клітин розподіляються між собою зовсім незалежно друг від друга й дають різні сполучення з однаковою частотою. Тому серед полових клітин, утворених гібридами fj, одна половина містить фактор А, інша - а. Така сама ситуація й з факторами В и Ь. Кожна полова клітина містить тільки по одному представнику від пари факторів Аа й по одному представнику від пари ВЬ, тому можливі тільки чотири сполучення - АВ, Ab, a, ab. Це рівною мірою відносячи як до жіночих полових клітин, так і до чоловічого. Сполучення гамет з різними генотипами відбуваються зовсім випадково, тому утворення зигот у гібридів при дигібридних схрещуваннях математично можна виразити в такий спосіб: (AB + Ab + a+ab) х (AB + Ab + a + + АВ). Після розкриття дужок і об'єднання зигот формула здобуває наступний вид: 9АВ : ЗАЬ : Зав : ab, що повністю відповідає емпірично знайденому співвідношенню: 9 гладких жовтих (АВ) : 3 зморшкуватим жовтим (Ab) : 3 гладким зеленим (ав) : 1 зморшкуватому зеленому (ab).

Якщо припустити, що фактори А и В розташовані в різних негомологічних хромосомах (незалежний розподіл спадкоємних факторів має місце тільки при цьому умові), те, користуючись сучасною термінологією, весь процес розщеплення можна описати за допомогою ґрат Пеннета. Для наочності пари хромосом, у яких розташовані гени А к а, зображена у вигляді палочковидних тіл, а пари хромосом, у яких розташовані гени В и Ь, - у вигляді округлих. Хромосоми домінантного предка пофарбовані в чорний цвіт, а хромосоми рецесивного залишені білими. Тому що після мейозу число хромосом зменшується вдвічі, те гамети домінантного батька мають генотип АВ, а гамети рецесивного - генотип ab. З'єднання гамет дає зиготу F, з генотипом АаВь. Під час мейозу в гібридів F, батьківські й материнські хромосоми розходяться в дочірні клітини зовсім незалежно друг від друга.

Для досвідів по схрещуванню Мендель вибрав 22 сорту гороху, які мали чіткі альтернативні розходження по ряду ознак: круглі або зморщені насіння, жовті або зелені сім'ядолі, високі або карликові рослини. Досліджуючи ці сорти методом самозапилення, Мендель переконався, що вони являють собою спадково чисті форми в ряді поколінь вони не давали ніяких відхилень від стандартних ознак сорту. Мендель схрещував рослини, що відрізняються друг від друга по одному, двох або трьох парах контрастних ознак. Частина гібридних рослин Мендель схрещував з вихідними сортами, а інші піддав самозапиленню. У другому поколінні гібридів він уважно вивчав всі рослини й записував результати своїх спостережень. Отримані дані Мендель обробив математично й у результаті виявив чітку закономірність передачі окремих ознак від батьківських форм до нащадків у ряді послідовних поколінь.

Мендель відкрив закони успадкування ознак у гібридів першого, другого та наступних по­колінь. Але це епохальне відкриття привернуло до себе увагу вчених лише через 35 років, тобто в 1900 р. Саме тоді Е.Чермак в Австрії, К.Корренс в Німеччині І Г.Де Фріз в Голландії, незалежно один від одно­го, одночасно відкрили закономірності успадкування, тобто перевідкрили закони Менделя. Згодом з'ясу­валось, що закономірності, які Мендель відкрив на рослинах гороху, підтвердились на Інших рослинних і тваринних об'єктах. Розгорнуті широкі дослідження показали, що закони Менделя характерні для всіх диплоїдних видів рослинних і тваринних організмів, тобто вони універсальні. Таким чином, відкриття Мен­деля значно випередило рівень розвитку сучасної йому біології. Тодішні біологи були неспроможні осмис­лити чи зрозуміти факти матеріальності існування спадкової субстанції, а тому й відкриті закони вияви­лись для них незрозумілими.

Досліди Менделя характеризувались принципово новими підходами до їх проведення та теоретич­ного узагальнення результатів. Ознайомившись з методами роботи Й.Кельрейтера, У.Герберта, Х.Лекока та інших дослідників, які створювали і вивчали гібридні форми організмів, Мендель відзначив, що жо­ден з них не попробував вивчити гібридних нащадків у наступних поколіннях. Саме цей факт блокував можливість творчих підходів та узагальнень при аналізі результатів подальших етапів досліджень, оскільки етапи залишались поза увагою вчених. Свої дослідження Мендель розпочав з вибору об'єкта, який мав відповідати таким вимогам:

• вихідні пари особин, які будуть залучатись до схрещувань, повинні стабільно успадковувати один з альтернативно можливих станів досліджуваної ознаки (наприклад, ознаки забарвлення пелюсток). Один з вихідних партнерів повинен стабільно успадковувати в ряду поколінь, скажімо, тільки червоні пелюстки, а його партнер — тільки білі тощо;

• в особин рослинного об'єкта квітки мають бути надійно захищені від випадкового потрапляння стороннього пилку;

• одержані гібриди, а також їхні нащадки повинні характеризуватись високою плодючістю.

На думку Менделя, цим вимогам добре відповідали бобові рослини. У гороху, наприклад, легко іден­тифікуються альтернативні ознаки. Пилки квіток дозрівають, розтріскуються і відкривають приймочку ма­точки задовго до розпускання квіток, тобто горох відноситься до рослин-самозапилювачів. Гібридні нащад­ки в нього добре плодоносять. Всі ці факти спонукали Менделя обрати саме горох об'єктом своїх дослідів.

Насіння кожного з 34 зразків гороху посівного Мендель висівав окремими ділянками протягом двох поколінь, не втручаючись у процеси запилення. В результаті з 34 зразків насіння було відібрано 22, в яких стабільно успадковувались ознаки в певних альтернативних формах. Серед них бу­ли відібрані пари вихідних форм з такими альтернативними ознаками:

• форма насіння - гладеньке або зморшкувате;

• забарвлення насіння — жовте або зелене;

гни-забарвлення недозрілих бобів — зелене або жовте; - місце розміщення квіток — пазушне або верхівкове;

• забарвлення насінних оболонок — забарвлені або прозорі;

• форма дозрілих бобів — з рівною поверхнею або з ум'ятинами між сусідніми насінинами, які на перетяжки;

– висота рослин — висока або низька, тощо.

Побачивши, що кожна ознака може виступати в двох або декількох альтернативних станах, Мендель значив ознаки символами латинського алфавіту. При цьому домінантний стан ознаки він позначив ве­ликою, а рецесивний — малою літерою. Це дозволило в стислій формі запису досягнути високої інформативності. Разом з цим буквова форма запису генів за характером фенотипового проявлення ознак дозволила у високоінформативній формі записувати схеми схрещувань, систематизувати сукупності нащадків цих схрещувань у групи за теоретично очікуваними комбінаціями генів, які вивчаються дослідником.

Вже згадувалось, що кожну ознаку Мендель умовно позначав будь-якою літерою, а альтернативний прояв цієї ж ознаки тією самою літерою, але великою чи малою, у залежності від стану домінування. Наприклад, схрещування жовтонасіниих рослин гороху із зеленонасінними в першому поколінні дало лише жовтонасінних нащадків, а при самозапиленні їх у другому поколінні, крім жовтого насіння в бобах з'явилось зелене насіння у співвідношенні 3:1. Аналогічні факти були виявлені в дослідах для вивчення успадкування інших ознак рослин гороху.

Аналіз експериментальних даних привів Менделя до розуміння того, що спадковий фактор, напри-ознаки забарвлення насіння, може існувати і локалізуватись в організмі у двох альтернативних станах — жовтому і зеленому. Але в гібридному організмі жовте панує, або домінує над зеленим. Тому спад­ковий фактор жовтого забарвлення, як домінантний, можна позначити великою літерою А, а зеленого, як рецесивний, — малою літерою а. Звідси випливає, що гібридна особина у своїх спадкових структурах контролюється двома екземплярами спадкового фактора забарвлення насіння. Тому в гібридної особини генотип ознаки забарвлення насінин можна записати символами Аа. Аналогічно з цим вихідна батьківська звивчаста форма, в ряду поколінь якої народжуються лише жовтонасінні нащадки, повинна мати АА-, і зеленонасінна форма — аа-спадконі фактори. Парність однойменних спадкових факторів дістала назву алельних (від грецького алелос - протилежний). Таким чином алелізм означає можливість існування одних генів в різних станах (алелях). Бо і справді, в генетиці визначити наявність будь-якого гена можна не в тому разі, коли він у сукупності однотипних організмів фенотипово проявляється в двох або кількох альтернативних формах. Наприклад, забарвлення пелюсток, скажімо, в айстр буває білим, жовтим, синім, червоним, брунатним. Коні бувають сірої, мишастої, буланої, гнідої масті тощо. І це відно­ситься до всіх ознак, якими характеризуються всі види живих організмів.

У 1902 р. В.Бегсон запропонував називати непридних особин, які характеризуються АА- чи аа- або чи ЬЬ-генотипами гомозиготними, а гібридних особин з Аа- або Вв-факторами — гетерозиготними. З 1909 р. В.Йогансен запропонував менделівські спадкові фактори називати генами. Символи, якими позначають гени певної ознаки, складають її генотип, а характер зовнішнього прояву даної ознаки на тілі організму — її фенотип.

На відміну від своїх попередників, Мендель спочатку піддав аналізу закономірності успадкування лише однієї окремої ознаки, яка проявлялась у двох альтернативних станах, а не всю їх сукупність. Вивчаючи закономірності, він перейшов до вивчення закономірностей успадкування одноразово двох або трьох неальтернативних ознак, кожна з яких існує у двох — домінантному та рецесивному станах. Таким чином, Мендель практично розробив методи гібридологічного аналізу при моногібридних (АА х аа), дигібридних (ААВВ х аавв), тригібридних (ААВВСС х ааавсс) та полігібридних схемах схрещувань.

І закон Менделя. Мендель виконав штучні схрещування між рослинами, що характеризувались різними альтернативними станами однієї і тієї ознаки, яку залучали до гібридизації. Від цих моногібридних схрещувань він одержував насіння, а потім І рослини Р, (першого гібридного покоління). Спостерігаючи за характером прояву фенотипових ознак, Мендель помітив, що в рослин першого гібридного покоління з двох альтернативних станів кожної ознаки фенотипово проявляється лише один альтернативний стан. Наприклад, як у прямо­му, так і в реципрокному (зворотньому) схрещуваннях рослин гороху, які мають гладеньке насіння, з осо­бинами зі зморшкуватим насінням — форма всього гібридного покоління (Р,) насіння завжди буває тільки гладенькою. Аналогічні результати були одержані Менделем і в гібридів Р,, в яких він вивчав успадкуван­ня інших ознак. Скажімо, в гібридів Р, за ознаками забарвлення насіння, чи пелюсток або ж форми бобів тощо завжди проявлялась лише одна альтернативна форма відповідної ознаки. Отже, залучені до схре­щування партнери, що відрізняються між собою характером фенотипового проявлення альтернативної оз­наки, народжують нащадків Р,, у яких фенотипово формується і проявляється лише один з алельних станів цієї ознаки і яким володіла лише одна з двох батьківських особин. Такі дані дозволили Менделю зроби­ти висновку про одноманітність гібридних нащадків першого гібридного покоління.

Явище одноманітності гібридних нащадків Р, від схрещування між собою гомозиготних особин, які залучені до вивчення, настільки чітко проявляється в усіх видів організмів, що в науці воно набуло сили закону. Виходячи з сучасного рівня наших знань, цей закон можна сформулювати так: гібриди першого покоління, що походять від гомозиготних батьківських особин, які відрізняються один від одного аль­тернативним станом певної ознаки, є повністю одноманітними за генотиповими і фенотиповими структурами відповідної ознаки.

Наприклад, дві особини, гомозиготні за різними альтернативними станами А-ознаки, залучені до схрещувань між собою:

Р АА х аа

Гамети а а

F₁ Аа.

З наведеної схеми видно, що нащадки F₁ при будь-якій чисельності їх (за фенотипово проявленою домінантною А-ознакою) матимуть гетерозиготний Аа-генотип. Це означає, що особини з однаковим ге­нотипом мають характеризуватись однаковим фенотипом. Виявлена закономірність так само відноситься до двох АВ-ознак, або до декількох, скажімо, АВС-ознак. Наприклад, при схрещуванні гомозиготної осо­бини ААввСС-генотипу з особиною ааВВсс-генотипу одержимо:

Р ААввСС х ааВВсс

Гамети A a B b C c

F₁ АаВвСс

З наведеної схеми знову можна бачити, що гібридні нащадки F₁ які походять від гомозиготних батьків, характеризуються однаковими генотипами і фенотипами за ознаками, які вивчаються.

ІІ закон Менделя. Вивчивши ріст і розвиток гібридних особин першого покоління, Мендель, на відміну від своїх попе­редників, пішов далі і продовжив вивчення закономірностей успадкування ознак гібридних особин у дру­гому, третьому та наступних поколіннях. Серія цих досліджень була суттєво спрощена тим, що Мендель спочатку прослідкував закономірності успадкування в ряду поколінь окремої ознаки, яка проявляється двома алельними формами. Такими ознаками були: забарвлення насіння — жовте чи зелене; форма насіння — гладеньке чи зморшкувате; забарвлення недозрілих бобів — зелене чи жовте; форма бобів гладенька чи "перешнурована" між насінинами тощо. Аналізуючи характер успадкування алельного ста­ну окремої ознаки, Мендель не звертав уваги на характер проявлення на цих самих рослинах інших оз­нак. У ході досліджень Мендель встановив, що нащадки другого гібридного покоління, які походять від вільного розмноження гібридів Р, у межах власної сукупності, розщеплюється на дві фенотипові групи, одна з яких представляє відтворену ознаку, характерну для батьківського організму жіночої статі, а дру­га — чоловічої. 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 в три рази більша, ніж у групі з рецесивним проявом цієї ж ознаки. Серія досліджень, проведених Менделем, підтвердила, що гібридні нащадки в Р_г за своїми алельними станами окремої оз­наки розщеплюються у відношенні 3:1.

Аналіз результатів схрещувань показує, що від схрещування жовтозерних рослин із зеленозерними всі гібридні нащадки виявляються жовтозерними. Розмножуючись у межах власної сукупності, вони утворюють у другому гібридному поколінні нащадків уже із жовтим і зеленим насінням у відношенні 3:1. Отже, спадкові структури гібридів є подвійними. Цей факт послужив базою для висновку Менделю, що таке відношення гібридних нащадків Р₁ може виникати лише за умови, що гібридні рослини Р, у про­цесі розмноження утворюють дві рівновеликі, але генетично різні групи гамет. На схемі (рис. VI.!) чітко видно, що кожна гетерозиготна особина утворює А-домінантну і а-рецесивну групу гамет. Як зазначалось раніше, це забезпечується процесами мейозу Якщо в мікроспорогенезі мейотична клітина Аа-генотипу вступає в мейоз, то при редукційному поділі на кожну гаплоїдну клітину домінантного А-генотипу утворюється гаплоїдна клітина з рецесивним а-генотипом. Тому кількість А- і а-клітин завжди однакова. Що ж до макроспорогенезу (овогенезу), то хоч після завершення мейотичного поділу вихідної Аа-клітини з утворених чотирьох клітин (дві А- і дві а-генотипу) ли­ше одна започаткує майбутню яйцеклітину, генотип останньої з однаковою ймовірністю може виявитись домінантним або рецесивним за будь-яким піддос­лідним геном А. Тому в сукупностях кількість яйцеклі­тин домінантних А- і в-ґенотипів завжди однакова.

Оскільки в процесі запліднення гамета жіночої статі А-домінантного чи а-рецесивного генотипу мо­же з однаковою ймовірністю зустрітися з А-домінантною або з а-рецесивною гаметою чоловічої статі, то за генними комбінаціями цих гамет нащадки другого покоління будуть утворювати чотири рівновеликі гру­пи АА-, Аа-, аА- і аа-генотипів. Зрозуміло, що особи­ни Аа- і аА-генотипів однакові. Це дає підстави вважати, що нащадки Р_г розщеплюються на три генотипові групи у відношенні АА : 2Аа : аа, тобто 1:2:1. Крім того, оскільки ген А у своєму прояві домінує над геном а, то внаслідок цього на кожних три особини з домінантною ознакою відтворюється одна особина з рецесивним проявом цієї ж ознаки. В другому гібридному по­колінні 1/4 частина нащадків народилась з АА-домінантною вихідною батьківською формою, а 1/4 части­на нащадків — з аа-рецесивною вихідною батьківською формою, тим часом як половина (2/4) нащадків F₁ успадкувала нову комбінацію Аа-генів. У разі повного домінування А-гена над алельним а-геном, фенотипи особин з АА- і Аа-генотипами є однаковими.

Таким чином, якщо йдеться про теоретично очікувані відношення фенотипово неоднакових груп на­щадків у другому поколінні, то вони мають очікуватись за генотипом 1 : 2 : 1, а за фенотипом як 3 : 1. Проте слід пам'ятати, що комбінування гамет чоловічої та жіночої статі в процесі запліднена підпорядковане закону ймовірностей. З цієї причини кожна комбінація утворюється з частотою, яка впри­тул наближається до теоретично очікуваної, але з деяким відхиленням від неї в той чи інший бік. ЦІ відхи­лення обумовлюються не тільки закономірностями реалізації імовірностей, але й тим, що в процесі роз­витку і росту живих організмів окремі особини з різних причин можуть загинути.

Наприклад, у дослідах Менделя від схрещування жовтонасінних рослин з зеленонасінними в Г-_; з 8023 насінин виявилось 6022 жовтих і 2001 — зелених, тобто у відношенні —9 : 3 : 3 : 1. За ознакою забарв­лення насінних оболонок це відношення становило 3,15 : 1, а за ознакою забарвлення недозрілих бобів -2,82 : 1. Такі відхилення від теоретично очікуваних відношень мають місце завжди.

Всебічне вивчення Менделем закономірностей успадкування семи різних ознак у гороху, кожна ч яких проявлялась у двох альтернативних формах, привело його до розуміння того, що розщеплення на­щадків у другому гібридному поколінні за фенотиповим проявленням різних ознак є не безладним, а упорядкованим. Ця упорядкованість проявляється у формі закону, який можна сформулювати так: моногібридне схрещування гомозиготних за альтернативними формами певної ознаки особин обумовлює роз­щеплення нащадків у другому поколінні на дві фенотипово різноманітні за цією ознакою групи у відношенні 3:1.

Вивчення успадкування цих ознак в ряду наступних поколінь показало, що домінантний І рецесивний алелі кожної ознаки в процесі розмноження активно переходять з гетерозиготного а гомозиготний стан. Спираючись на закон розщеплення, Мендель допустив, що кожний з нащадків Р_; має однакову можли­вість розмножуватись І утворювати однакову кількість своїх нащадків. Наприклад, особина Аа-генотипу в новому поколінні народжує чотири рівновеликі групи нащадків (АА, Аа, аА, аа}. Якщо тепер кожна з цих груп має можливість родити однакову кількість своїх нащадків, То легко можна підрахувати їхні кількісні відношення в кожному поколінні.

Спадкові фактори, які вивчав Мендель, характеризу­вались повним переважанням домінантного гена над алельним до нього рецесивним геном. Проте існує вели­чезна кількість генів, котрі в комбінації зі своїми алельни-ми партнерами дають проміжне домінування. Це особливо характерно для генів, які обумовлюють формування кількісних ознак, таких, як розміри організмів, їхніх органів, вміст жирів, білків, вуглеводів тощо. Але і серед генів, що обумовлюють формування якісних ознак, також трапляють­ся алелі з проміжним домінуванням. Наприклад, у нічної красуні бувають червоноквіткові і білоквіткові рослини. Якщо білоквіткову форму схрестити з червоноквітковою, то всі нащадки, як від прямих так і від зворотних схрещувань, будуть лише рожевоквітковими, а нащадки другого покоління роз­щеплюються на три групи: з червоними, рожеви­ми і білими квітками. В разі проміжного до­мінування, характер фенотипового розщеплення нащадків у другому поколінні повністю збігається з характером генотипового розщеплення.

ІІІ закон Менделя. Ми прослідкували закономірності успадку­вання окремої ознаки, яка виступає в двох альтер­нативних формах. Проте організми перших-ліпших таксономічних видів характеризуються не однією, а багатьма неалельними ознаками, кожна з яких може виступати в двох або в декількох альтерна­тивних формах. Зіткнувшись з цим фактом, Мен­дель перейшов до вивчення закономірностей ус­падкування двох, а потім і трьох неальтернативних ознак у гороху.

Наприклад, в одному з дослідів він схрещував рослини, які характеризувались жовтим і гладень­ким насінням з рослинами, що мали зелене і зморшкувате за формою насіння. В результаті бу­ло одержано насіння першого гібридного поко­ління, жовте за забарвленням і гладеньке за фор­мою. При дальшому розмноженні було одержане насіння другого гібридного покоління, яке за за­барвленням і формою розщепилось таким чином: жовте, гладеньке — 315, жовте, зморшкувате — 101, зелене, гладеньке — 108, зелене, зморшкувате — 32. Щоб вивести певну залежність, позначимо ознаку жовтого забарвлення насіння символом А, зеленого — а, гладенького насіння — В, а зморш­куватого — в. після чого запишемо схему схрещувань у формі, запропонованій англійським генетиком Р.Пеннетом, а саме: групи генетичне однотипних нащадків Р_г, які походять від однакових комбінацій га­мет, впишемо в окремі клітинки решітки.

Аналіз цієї схеми показує, що від схрещування гомозиготних рослин, в яких насіння жовте і гладень­ке з рослинами, в яких насіння зелене і зморшкувате, всі нащадки в Г, виявились дигетерозигоіними: фенотипово всі вони мали жовте і гладеньке насіння. Ці дигібридні рослини, виконуючи функцію батьків Р_г, утворили по чотири генотипові групи гамет. У загальній сукупності цих гамет (як жіночої, так і чо­ловічої статі) кількісно всі чотири групи мають бути рівновеликими. Це знову ж таки обумовлене законо­мірностями мейозу. Те, що кожна з гамет однієї статі має однакову можливість зустрітись з будь-якою з чотирьох типів гамет протилежної статі статистичне сталі відношен­ня фенотипово неоднакових груп нащадків Р₂, які утворюються 16-ма комбінаціями гамет. Якщо проаналізу­вати характер фенотипового прояву ознак забарвлення та форми насіння, то можна зробити висновок, що за ци­ми ознаками вся сукупність нащадків Р₂ розділиться на чотири фенотипові групи: 9А-В- : ЗА-вв : ЗааВ- : Іаава. Прочерки у формулах гено­типів означають, що в цих місцях може бути як домі­нантний, так і рецесивний алельний ген. Також зро­зуміло, що домінантний АВ-генотип має утворювати жовте, гладеньке насіння, комбінація домінантного А-гена з рецесивним в-геном - жовте, зморшкувате, а комбінація рецесивного а-гена з домінантним В-геном — зелене, гладеньке насін­ня. Нарешті, рецесивні ав-гени обумовлюють форму­вання зеленого, зморшкува­того насіння.

Отже, вивчення Менделем характеру розмноження нащадків у другому поколінні показало, що тут з'явля­ються особини з новими комбінаціями ознак. Напри­клад, в однієї з вихідних батьківських форм, які залучались Менделем до дигібридного схрещування, ознака жовтого забарвлення насіння комбінувалась з ознакою гладенької форми, а в другої — ознака зеленого забарвлення комбінувалась з ознакою зморшкуватої форми. Проте в нащадків другого По­коління крім груп особин, в яких повторились батьківські комбінації ознак, з'явились дві групи особин, в яких ознака жовтого забарвлення насіння, як зазначалось вище, комбінувалась з ознакою зморшкуватої форми, а ознака зеленого забарвлення — з ознакою гладенької форми.

Зі схеми тригібридних схрещувань видно, що від такого схрещування в першому поколінні з'являються генотипово і фенотипово однакові тригібридні нащадки, а при подальшому розмноженні кожен утворює по вісім генотипово неоднакових, але рівновеликих груп гамет відповідної статі. Оскільки будь-яка з цих гамет однієї статі має однакову ймовірність зустрітися з будь-якою з восьми га­мет протилежної статі, цілком зрозуміло, що внаслідок цього може утворитись 64 комбінації гамет. У да­ному разі решітка Пеннета повинна складатись з 64 клітинок. Якщо ж згрупувати нащадків Р_; за феноти-повим проявом ознак, то, на відміну від дигібридного схрещування, тут вже з'явиться вісім фенотипово неоднакових групнащадків у співвідношенні 27:9:9:9:3:3:3:1.

Таким чином, якщо при дигібридному схрещуванні нащадки F₂ розщеплюються на чотири фенотипово неоднакові групи у співвідношенні 9 : 3 : 3: 1, і в двох із них проявляються нові комбінації неалельних ознак, то при тригібридному схрещуванні нащадки Р_а розщеплюються на вісім груп, при цьому у двох них повторюються комбінації неалельних ознак батьків, а в шести — з'являються нові комбінації таких Зауважимо, що в усіх випадках частота нових комбінацій ознак свідчить про рівновеликість гено-»о різних груп гамет, які утворюються полігібридними особинами, та про вільне комбінування генів між собою в процесі розмноження.

Аналіз результатів, одержаних при ди- та тригібридних схрещуваннях, привів Менделя до вис­новку про вільне, незалежне комбінування спадкових факторів, які успадковуються нащадками другого по­коління. З цього висновку випливає третій закон Менделя, який можна сформулювати так: при схре­щуванні організмів, гомозиготних за двома або декількома алельними ознаками, і при подальшо­му розмноженні нащадків, гени, що обумовлюють формування цих ознак, вільно і незалежно ком­бінуються між собою, локалізуючись у генотипах нащадків другого покоління відповідно законів ймовірностей.

Гіпотеза чистоти гамет. Факт подвійності спадкових факторів, локалізованих в організмах, навів Менделя на думку про те, що вільне комбінування цих факторів у процесі розмноження гібридів можливе лише за умови розходження (відокремлення) алельних генів один від одно­го в процесі гаметогенезу. Цей висновок він експери­ментально перевірив шляхом схрещування гібридів першого покоління з однією з вихідних батьківських форм, гомозиготних за рецесивними генами даних ознак. Такі схрещування були названі зворотними. Виходячи з цих теоретичних посилок випливає, що гетерозиготна Аа-особина може утворити два генотипово різні типи гамет А- і а-генотипів, тимчасом як гомозиготна за рецесивним а-геном батьківська аа-форма може утворити лише один тип а-гамет. Взявши це до уваги, розглянемо схему зворотного схре­щування. Вона підтверджує висновок про те, що гете­розиготні за окремим геном особини утворюють два типи гамет, а гомозиготні за відповідним геном — лише один тип гамет.

Від здійсненого Менделем зворотного схрещування утворилась сукупність нащадків, одна половина яких харак­теризувалась домінантним проявом ознаки, а друга — рецесив­ним. Це могло статись за умови що, на відміну від гетерозигот­них Аа-організмів, гамети гомозиготних аа-організмів виявились "чистими" в тому розумінні, що в їхніх генотипах кожний спадко­вий фактор представлений лише одним екземпляром. У межах генотипу окремої гамети його не може прикрити (або модифіку­вати його дію) алельний партнер. Тому з генетичної точки зору кожний ген, який міститься в генотипі гамети, перебуває там у чистому вигляді, тобто в гомозиготному стані.

Виходячи з викладеного, гіпотезу про чистоту гамет, описа­ну Менделем, можна сформулювати так: у гетерозигот об'єднані домінантний та рецесивний спадкові фактори в процесі гамето­генезу відокремлюються один від одного і розходяться в окремі гамети, де кожний з них перебуває в чистому вигляді.

Аналізуючі схрещування. Перевіряючи правомірність гіпотези про чистоту гамет експериментальне, Мендель здійснив ряд зво­ротніх схрещувань, які показали, що на генотиповому фоні рецесивних гамет вихідної батьківської форми, як на лакмусовому папері, проявляються генотипи та частота генотипів гамет гібридних особин, котрі залу­чаються до генетичного аналізу. Тому ці схрещування Мендель назвав аналізуючими схрещуваннями.

Одержані нащадки Аа- і аа-генотипів проявились рівновеликими гру­пами у співвідношенні 1 : 1. Ця закономірність зберігається і в разі аналізуючих схрещувань за дигібрид-ною або полігібридною схемою. Наприклад, результати аналізуючого схрещування дигібрида гороху за ознаками забарвлення та форми насіння показали, що на фоні рецесивного генотипу однієї з батьківських форм, яка виступала в ролі ана­лізатора, одержані нащадки утворили чотири рівновеликі фенотипові групи у співвідношенні 1:1:1:1. Лег­ко зрозуміти, що така рівновеликість має очікуватись, якщо дигетерозигота утворить чотири рівновеликі групи га­мет АВ-, Ав-, аВ- та ав-генотипів. У цьому зв'язку ще раз повторимо, що однаковість розмірів груп гамет різних генотипів обумовлена тим, що а про­цесі редукційного поділу на кожну А-домінантну або В-домінантну гамету утворюється одна а-рецесивна або в-рецесивна гамета. Оскільки домінант­ний А-ген з однаковою ймовірністю комбінується як з В-домінантним, так і з в-рецесивним геном, АаВв-дигетерозигота утворює чотири генотипово різні типи гамет у рівновеликих кількостях. І хоча Мендель не міг знати про закономірності мейозу, він уже тоді передбачив закономірності редукційного поділу клітинку процесі гаметогенезу.

Вивчення Менделем типів гамет, які утворює тригетерозигота АаВаСс, за ознаками забарвлення і форми насіння та забарвлення насіннєвих оболонок, показало, що тригетерозигота утворює вісім гено­типово різних, але за чисельністю рівновеликих типів гамет.

З наведених прикладів видно, що співвідношення нащадків, одержаних від аналізуючих схрещувань, характеризується однаковими кількостями особин у кожній фенотипово відмінній групі лише в разі вільно­го, незалежного комбінування неалельних генів. Якщо можливість вільного комбінування генів пригнічена якимись факторами, то аналізуюче схрещування одразу виявить цю ситуацію порушенням рівновеликості груп нащадків у поколінні, котре аналізується. Наприклад, в одному з експериментів ми одержали дигетерозиготну форму кукурудзи, яка характеризувалась чорним, гладенької форми насінням

Позначимо домінантний ген забарвлення насіння символом С а рецесивну ознаку білого, незабарвленого насіння — с. Аналогічно цьому, гладеньку поверхню насіння позначимо символом п, а рецесивний ген зморшкуватого насіння — символом П. Звідси генотип дигетерозиготної особини можна записати як сзп/Свп, а рецесивної гомозиготи — як свп/сзп. Проведене аналізуюче схрещування дало такі результати:

чорне, гладеньке СЗЬ — 2497 — 48,39% сзп

чорне, зморшкувате СвН — 78 — 1,66% сзп

біле, гладеньке оЗЬ — 74 — 1,43% СвП

біле, зморшкувате овГІ — 2509 — 48,62% СзП

Результати цього схрещування показали, що дигетерозигота кукурудзи за ознаками забарвлення і форми насіння утворює чотири генотипових типи гамет. Це й очікувалось теоретично. Тим часом очіку­вана рівновеликість фенотипових груп нащадків виявилась порушеною: замість співвідношення 1:1:1:1, одержали співвідношення 32,3 : 1 : 1 : 32,3. Тобто ознаки забарвлення та форми насіння в кукуруд­зи не можуть вільно комбінуватись між собою. Забігаючи наперед, зазначимо, що гени С та 5п локалізо­вані в одній і тій самій хромосомі, а тому, виявившись зчепленими і не можуть вільно комбінуватися між собою.

Застосування статистики для генетичного аналізу. Мендель першим у біологічній науці застосував методи варіаційної статистики для аналізу законо­мірностей успадкування ознак. Звідси вчення про закономірності спадковості, яке поклало початок гене­тиці як науці, було назване менделізмом. Менделізм відіграв революціонізуючу роль у біології, довівши, що спадкові фактори мають корпускулярну, дискретну природу, а їхній перехід від покоління до покоління.

визначається статистичними закономірностями. З розвитком генетики розроблено багато способів ста­тистичного аналізу явищ, які відбуваються в процесах розвитку біологічних систем. В сукупності ці спо­соби складають предмет біометрії, або варіаційної статистики, яка широко застосовується в біологічних дослідженнях.

Щоб переконатись у доцільності використання статистичних методів аналізу, розглянемо декілька прикладів. Аналіз моно-, ди- і тригібридних схрещувань показав, що гетерозигота за однією ознакою ут­ворює два типи гамет, за двома ознаками — чотири типи, а за трьома — вісім типів гамет. Проте ор­ганізми можуть бути гетерозиготними за багатьма десятками різних ознак, тому розібратись у характері розщеплення дуже складно. Однак задача суттєво полегшується, якщо використати виявлений Менделем факт, що кожна полігетерозиготна особина утворює 2" генотипово відмінних один від одного типів гамет. У свою чергу, кількість фенотипових груп нащадків у другому гібридному поколінні також визначається формулою 2", кількість генотипових груп нащадків Р_г — формулою 3", а кількість можливих комбінацій га­мет від гетерозиготних особин першого гібридного покоління — формулою 4".

У всіх чотирьох формулах символом п позначають кількість різних ознак, за якими гібридні особини виявляються гетерозиготними.

При моногібридному схрещуванні нащадки другого покоління утворюються чотирма комбінаціями га­мет, при дигібридному — 16-ма, при тригібридному — 64-ма комбінаціями і т.д. Отже, при полігібридних схрещуваннях для аналізу незручно використовувати решітку Пеннета через її громіздкість. Проте характер розщеплення нащадків Р_г на групи за фенотиповими ознаками можна визначити, застосувавши статистичний метод перемноження ймовірностей частоти неалельних генів, які комбінуються між собою в процесі розмноження. Розглянемо послідовність обчислення частоти фенотипового прояву певних комбінацій ознак (генів). Наприклад, потрібно визначити відносні розміри групи особин у другому гібридному поколінні, в яких фенотипово проявилась комбі­нація двох домінантних АС-генІа з Р_г, які з'являються в процесі рецесивним в-геном, тобто необхід­но визначити розміри очікуваної групи А-ввС-генотипу. З табл.VI.2 видно, що домінантна ознака А ком­бінується з ймовірністю 3/4. З та­кою самою ймовірністю комбінується І домінантна С-ознака, а рецесивна в-ознака комбінується з імо­вірністю 1/4. Отже відносні розміри групи особин АввС-фенотипу будуть: 3/4 х 1/4 х 3/4 - 9/64.

Фенотипи нащадків Р_г:

А-В-С- — 3/4 х 3/4 X 3/4 = 27/64 А-В-сс — 3/4 X 3/4 X 1/4 = 9/64

А-ВВС- — 3/4 х 1/4 X 3/4 = 9/64 ааВ-С- — 1/4 х 3/4 х 3/4 = 9/64

ааВ-сс— 1/4 X 3/4 х 1/4 = 3/64 А-ввсс —3/4x1/4x1/4 = 3/64

ааввС- — 1/4 х 1/4 х 3/4 = 3/64 ааввсс — 1/4 х 1/4 х 1/4 - 1/64

Співвідношення генотипів у Р_г — 27: 9:9:9:3:3:3:1

Аналіз сутності відкриттів, зроблених Менделем, з позицій сучасного рівня генетичних знань пока­зує, що закони Менделя зберігають своє значення у випадках, коли:

• види організмів, які залучаються до вивчення, диплоїдні;

• гени, що вивчаються, локалізовані в різних негомологічних хромосомах;

• функціональна активність гена, який вивчається, однозначна, тобто відповідний ген діє лише в на­прямку формування одної ознаки і не впливає на формування інших ознак.

Мендель першим з природодослідників експериментально довів, що:

• живі організми характеризуються наявністю у них спадкових факторів (генів);

• спадкові фактори успадковуються дискретно, не зникаючи при гібридизації;

• спадкові фактори здатні необмежене комбінуватись між собою в найрізноманітніших варіантах:

• у сукупностях організмів кожний спадковий фактор фенотипово може проявлятись у декількох (але не менше як у двох) альтернативних формах.

Мендель розробив і продемонстрував у класичній формі методи гібридологічного аналізу. Він ввів у генетику математичну символіку І довів високу пізнавальну силу статистичних методів у гібридологічному аналізі закономірностей спадковості.

Як відзначив академік Б.Л.Астауров, "Мендель охопив саму сутність спадковості, продемонстрував деякі з її найбільш типових і важливих закономірностей і дав для вивчення останніх найпростіші і не­обхідні методи".