Wykłady z genetyki i hodowli roślin ozdobnych, Sulechów (Kalsk), rok akademicki

2005/2006, studia dzienne i zaoczne

Wykład 4.

Podstawy cytogenetyki cd.

• chromosomowa teoria dziedziczności Morgana

• sprzężenia genów

• tworzenie map genetycznych

• aberracje chromosomowe

• zmienność liczby chromosomów i układów chromosomowych.

Twórcą chromosomowej teorii dziedziczności był Thomas Morgan.

Thomas Morgan ogłosił prawo, że geny znajdujące się w chromosomie mają swoje locus, czyli miejsce występowania i ułożone są liniowo, w określonym porządku. Morgan wykazał też, że dla każdej cechy istnieją dwa geny: 1 w chromosomie matczynym i 1 w chromosomie ojcowskim, są one dokładnie naprzeciw siebie i tworzą parę alleliczną. Geny należące do jednej pary Aa nazwał Morgan - allelomorfami, gdyż wywołują dwie postacie tej samej cechy. Między allelami istnieje współdziałanie. Jeżeli osobnik ma jeden gen o cesze recesywnej i jeden gen o cesze dominującej to jest heterozygotą. aA (lub Aa). Heterozygota Aa (lub aA) ma mniej czerwonego barwnika (antocyjanu) niż homozygota AA o cechach dominujących AA. Gen A koduje więc enzymy zapewniające syntezę barwnika nadającego barwę kwiatu. U wyżlinu można wzrokowo zauważyć mniejszą zawartość barwnika czerwonego u heterozygoty - barwa różowa. Osobniki homozygotyczne AA mają więcej barwnika, bo są aż dwa geny kodujące syntezę barwnika, stąd intensywnie czerwona barwa. U grochu heterozygotycznego też można stwierdzić mniejszą zawartość barwnika, jednakże nie wzrokowo, lecz poprzez ilościowe metody analityczne.

SPRZĘŻENIA GENÓW

Morgan wprowadził do nauki pojęcie "sprzężenia genów", definiując je jako "tendencja genów znajdujących się w jednym chromosomie do przechodzenia razem do gamet"

Zjawisko sprzężenia to tendencja alleli do przechodzenia razem z pokolenia na pokolenie. Sprzężenia wykazują jedynie geny znajdujące się na tym samym chromosomie . Sprzężenie zostaje zerwane wówczas, gdy nastąpi wymiana odcinków (crossing over). Im bliżej geny są zlokalizowane na chromosomie, tym mniej prawdopodobne jest wystąpienie między nimi crossing over.

Grupy genów, które są sprzężone nazywamy grupami sprzężeń genów. Geny znajdujące się na chromosomach niehomologicznych z definicji nie wykazują sprzężenia.

Opierając się na dwóch zjawiskach: stałości w procencie wymiany między tymi samymi parami genów sprzężonych oraz występowaniu różnic w procencie wymiany między różnymi parami genów, Morgan wysunął hipotezę, że częstość wymiany jest proporcjonalna do odległości między genami znajdującymi się w jednym chromosomie

Procent rekombinacji między dwoma genami położonymi na tym samym chromosomie informuje, jak daleko od siebie są one położone. Jeden procent rekombinacji równa się jednostce mapowej lub centymorganowi (cM). Obecnie badania sprzężeń genów przeprowadza się najczęściej z wykorzystaniem markerów molekularnych.

Mapowanie za pomocą krzyżówki dwucechowej (przykład z książki Genetyka -krótkie wyklady)

Krzyżowano pomidory: PPHH (purpurowe owoce i owłosiona łodyga)

X

Pphh (czerwone owoce, gładka łodyga)

F1 purpurowe owoce i owłosiona łodyga

Przeprowadzono krzyżowanie testowe (z homozygotą recesywną). Gdyby geny nie były sprzężone, winno się uzyskać stosunek rozszczepień między cechami 1:1:1:1

Uzyskano cztery typy potomstwa: 1 i 2 reprezentują typy form rodzicielskich (patrz tabela poniżej), klasy 3 i 4 są rekombinantami (prezentują nowe kombinacje alleli obu genów).

Fenotypy uzyskane w wyniku krzyżówki testowej między pokoleniem F1 pomidorów o purpurowych owocach i owłosionej łodydze (Pp, Hh), a podwójną recesywną homozygotą rodzicielską o czerwonych owocach i gładkiej łodydze (pp, hh)

Klasy fenotypów	Częstość
(1) Purpurowe owoce, owłosiona łodyga	220
(2) Czerwone owoce, gładka łodyga	210
(3) Purpurowe owoce, gładka łodyga	32
(4) Czerwone owoce, owłosiona łodyga	38
Ogółem	500

Ogólna liczba potomstwa wynosi 500 , z czego 32 + 38 = 70 to rekombinanty. Częstość rekombicnacji jest więc 70/500 (14%). Odległość mapowa między nimi wynosi 14 cM.

Mapowanie genów można przeprowadzać również na podstawie innych kombinacji krzyżówkowych (np. podwójnych heterozygot).

Mapowanie za pomocą krzyżowań "trójgenowych" (przykład z tego samego podręcznika)

Na podstawie krzyżowań trójpunktowych możliwe jest ustalenie kolejności genów oraz ich odległości mapowej, przynajmniej na krótkich odcinkach chromosomu.

Wykonano krzyżówkę testową: Aa Nn Rr x aa nn rr

Uzyskano osiem klas potomstwa (tabela poniżej)

 

Fenotypy potomstwa uzyskanego w wyniku krzyżówki między osobnikiem heterozygotycznym pod względem trzech genów i homozygoty recesywnej dla tych samych trzech genów

Fenotypy potomstwa	Częstości	Klasy
Rodzicielskie
A N R	347	(1)
a n r	357	(2)
Rekombinanty
A N r	52	(3)
a n R	49	(4)
A n r	90	(5)
a N R	92	(6)
A n R	6	(7)
a N r	7	(8)
Ogółem	1000

1 i 2 - potomstwo z gamet bez rekombinacji (gamety rodzicielskie)

3 i 4 - rekombinanty w genach N i R

5 i 6 - rekombinanty w genach A i N

7 i 8 - rekombinanty w genach AN i NR (podwójne crossing over)

Dla oznaczenia odległości mapowej A i N:

sumując potomstwo w klasach (5) i (6) (rekombinacja między A i N)

zsumując potomstwo w klasach (7) i (8) (podwójny cross-over, jeden z nich jest między A i N)

Otrzymujemy:

rekombinacji, lub 19,5 cM

Dla oznaczenia odległości mapowej między N i R:

Używając tej samej procedury, jak do oznaczenia odległości mapowej między A i N, odległość między genami N i R jest:

rekombinacji, lub 11,4 cM

Dla oznaczenia odległości mapowej między A i R:

Wymaga to zliczenia wszystkich rekombinantów.

rekombinacji

lub 30,9 cM

Zauważ, że odległości są wartościami addytywnymi.

A 30,9 cM R

A N R

Interferencja

Crossing over zachodzi między chromosomami homologicznymi w miejscach określanych jako hiazmy. Tworzą się one między chromatydami. W przypadku występowania interferencji pozytywnej pojawienie się jednej wymiany między chromosomami homologicznymi redukuje prawdopodobieństwo zajścia crossing over w sąsiedztwie,

Interferencja ujemna negatywna - wystąpienie jednej wymiany między chromosomami homologicznymi zwiększa prawdopodobieństwo innej w sąsiedztwie pierwszej.

Zmienność liczby chromosomów i układów chromosomowych

Genom - połowa garnituru chromosomowego obejmujący jakościowo różne chromosomy.

Gamety gatunków diploidalnych zawierają po jednym genomie, a komórki somatyczne po dwa genomy. Genomy zawierają po jednym chromosomie homologicznym z każdej pary. Liczbę chromosomów genomu oznaczamy literką n.

Obecność lub brak odcinka chromosomu oznacza zmianę liczby genów.

Podział komórek i chromosomów jest bardzo precyzyjnym procesem, lecz jednak zdarza się iż powstają formy odmienne. Zmienność liczby chromosomów może dotyczyć

1. zwielokrotnienia całego haploidalnego zespołu chromosomów, charakterystycznego dla danego gatunku

2. zmian w liczbie par chromosomowych i chromosomów w ich obrębie

EUPLOIDY - organizmy monoploidalne, diploidalne oraz euploidy poliploidalne -triploidy, tetraploidy, hekasaploidy itd. Stanowią dokładną wielokrotność całkowitej liczby genomowej lub są formami haploidalnymi

Haploidy - formy zawierające jeden genom (zredukowaną w stosunku do form wyjściowych liczbę chromosomów o połowę)

Monoploid - haploid powstały z formy diploidalnej

W warunkach laboratoryjnych otrzymuje się je na drodze androgenezy, gynogenezy lub eliminacji chromosomów.

Poliploidy - rośliny posiadające więcej niż dwa genomy

Poliploidy powstają wtedy, gdy chromosomy diploidalne ulegną podziałowi, lecz nie podzieli się komórka.

Wyróżnia się dwa procesy prowadzące do powstania poliploidów

1. Zaburzenia w mitozie, w komórkach merystematycznych

Cechą charakterystyczną jest pojawianie się chimer na roślinach

2. Zakłócenia w podziale mejotycznym a II podział odbywa się prawidłowo

Poliploidy stanowią około 30% roślin okrytozalążkowych. W wielu przypadkach są bujniejsze od form diploidalnych, nie jest to jednak reguła. Charakterystyczne są dla flor młodych

Róża - znane są gatunki diploidalne o 14 chromosomach, triploidalne o 21, tetraploidalne o 56 chromosomach.

Chryzantema - między innymi dekaploidalne o 90 chromosomach

Rodzaje poliploidów

1. Autopoliploidy - poliploidy, u których w komórkach somatycznych znajdują się te same genomy, każdy reprezentowany co najmniej dwukrotnie (np. AAAA). Powstają bezpośrednio z diploidów w wyniku zwielokrotnienia liczby chromosomów w komórkach somatycznych lub też zlania się gamet o niezredukowanej liczbie chromosomów. Poliploidy są często mniej płodne od form diploidalnych.

Przykłady:

• płodnych tetraploidów : nagietki, wyżlin

• z zaburzeniami: bieluń.

Formy ploidalne są często bujniejsze od diploidów np. narcyz 2x, 3x i 4x lub tytoń .

Dzięki ewolucji formy tetraploidalne występujące naturalnie w przyrodzie są w pełni płodne i lepiej o diploidów przystosowane do warunków środowiska.

Autotriploidy - powstają w wyniku krzyżowania tetraploida z diploidem (np. AAAA x aa daje gamety AA i a z których połączenia otrzymuje się triploidy AAa)

Przykład: triploidalne i beznasienne banany, melony oraz tulipany (charakteryzują się dłuższym okresem kwitnienia).

Autotetraploidy - powstają w wyniku zwielokrotnienia 2x liczby chromosomów do 4x .

W przypadku cechy kontrolowanej jedną parą genów Aaaa stosunek rozszczepień wynosi 1: 35

Przykłady: kawa, narcyz, hiacynty, tulipany. Autotetraploidy narcyz są zawsze niebieskie

Allopoliploidy - poliploidy, u których w komórkach somatycznych znajdują się różne genomy, każdy reprezentowany dwukrotnie (np. AABBDD). Są organizmami, w których komórkach znajdują się podwojone genomy pochodzące z różnych gatunków w różnym stopniu ze sobą spokrewnionych.

Przykłady: śliwa domowa - powstała w czasach przedhistorycznych ze skrzyżowania formy 2x z 4x i podwojenia u triploida liczby chromosomów.

Truskawka - powstała ze skrzyżowania dwóch oktoploidalnych gatunków.

Pszenica o 2n = 6 x 42 chromosomy i składzie genomowym AABBDD. Dawcą genomu A jest Triticum boeoticum, B - Aegilops speltoides a C - Aegilops squarrosa.

Pszenżyto

Autoallopoliploidy - allopoliploidy , u których niektóre genomy są reprezentowane w liczbie większej niż dwa (np. AAABB)

Przykład: tymotka

Alloploidy segmentalne - poliploidy, u których w chromosomach należących do różnych genomów występują odcinki homologiczne

.

Aneuploidy

Aneuploidy - są to formy nie będące dokładną wielokrotnością całkowitej liczby genomowej.

2n-1 - nullisomik (brak pary chromosomów homologicznych)

2n-1 - monosomik (brak jednego chromosomu z danej pary chromosomowej)

Aneuploidami nazywamy również formy o nadmiarze chromosomów homologicznych w danej parze np. trisomik (2n+1 , tetrasomik (2n+2)

Przykład: maciejka. Dodatek od 1-2 chromosomów wpływa na zwężenie liści.

MUTACJE CHROMOSOMOWE

Aberracje chromosomowe

Aby mogło dojść do zmiany w strukturze chromosomów (aberracji) muszą nastąpić w chromosomie pęknięcia

Deficjencje - utrata przez chromosomy niektórych odcinków wraz z informacją genetyczną w nich zawartą

Np. chromosom normalny ABCD --- deficjencja ABD

Duplikacja - zdwojenie niektórych odcinków w chromosomach

np. AABCD

Inwersja - odwrócenie niektórych odcinków w obrębie chromosomu

np. ADCB

Translokacja - wymiana niektórych odcinków między niehomologicznymi chromosomami

Pytania egzaminacyjne:

10. Teoria Morgana

11. Sprzężenia genów (zilustruj rysunkiem). Mapowanie genetyczne. Interferencja.

12. Poliploidy - wymień i opisz ich rodzaje, mechanizm powstawania, przykłady. Omów przebieg mejozy u tych form

13. Aneuploidy, wymień i opisz ich rodzaje, mechanizm powstawania, przykłady. Omów przebieg mejozy u tych form

14. Allopoliploidy, wymień i opisz ich rodzaje, omów na dowolnym przykładzie mechanizm ich powstawania

15. Aberracje chromosomowe, wymień i opisz ich rodzaje, mechanizm powstawania, przykłady. Omów przebieg mejozy u tych form

1

19,5 cM

11,4 cM

---