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

2005/2006, studia dzienne i zaoczne

Wykład 1 - 2

DZIAŁ I

G E N E T Y K A K L A S Y C Z N A

1. Wprowadzenie do przedmiotu

• historia genetyki

• powiązanie z innymi naukami biologicznymi

• cykl życiowy organizmów eukariotycznych.

2. Prawa dziedziczenia

• prawa Mendla

• dominacja i kodominacja

• niealleliczne współdziałanie genów

• crossing-over i sprzężenia genów (wiadomości wstępne)

Genetyka jest to nauka o zmienności i dziedziczności u istot żywych

Pierwszych genetyków nazywano ewolucjonistami. Szukali oni przyczyn i praw zmienności. Pierwsze teorie oparte były na idei "Wielkiego łańcucha istnień ludzkich" z mułem na początku i człowiekiem, aniołami i Bogiem na końcu.

Teoria Lamarcka

Wg tej teorii ulepszenia dokonane przez rodziców są przekazywane następnym pokoleniom (dziedziczenie cech nabytych).

Podstawowe założenia pierwszej niedarwinowskiej teorii ewolucji brzmią następująco:

• zmiany cech organizmów odbywają się w sposób ukierunkowany tak, aby zrealizować potrzeby organizmu w zmieniającym się środowisku

• cechy nabyte przez organizm w czasie życia dziedziczą się

• narządy nieużywane zanikają

Teoria Darwina

Potencjalna liczba potomstwa danego gatunku jest nieskończona. Rodzi się zawsze więcej potomstwa niż może przeżyć. Wzrost liczbowo danej populacji ograniczany jest przez kurczące się zasoby. Wymusza to ciągłą walkę organizmów żywych o przeżycie i rozród. Osobniki wykazujące cechy dziedziczne najlepiej przystosowujące je do środowiska, mają największą szansę przeżycia i przekazania tych korzystnych cech swojemu potomstwu. Dziedziczone cechy, korzystne we współzawodnictwie z innymi osobnikami będą stawały się coraz częstsze w populacji. W wyniku tego częstość tych korzystnych cech w populacji będzie się stopniowo zwiększać prowadząc w konsekwencji do powstawania nowych gatunków. Darwin uważał odmiany za początek gatunków. Pomiędzy niewiele różniącymi się rasami, a w pełni rozdzielonymi gatunkami istnieje zmienność ciągła. Ta stopniowa przemiana to EWOLUCJA.

• Teoria Darwina została opublikowana w dziele pt. "O pochodzeniu gatunków" w 1859 r. po tym jak Alfred Wallace niezależnie od niego doszedł do tych samych wniosków

• Darwin wykazał, że problem zmienności i dziedziczności może być rozwiązany przez obserwację bezpośrednią. Dowiódł, że zmienność o charakterze ewolucyjnym rzeczywiście istnieje, a zmienność ta ma charakter ciągły. Określił różnice w zmienności środowiskowej a genetycznej

Teoria Hugo de Vries (studia dzienne)

- Gatunki powstają skokowo a poszczególne skoki są zjawiskiem, które można obserwować jak każdy inny proces fizjologiczny

• Skokowe zmiany nazywa mutacjami"zwykła" zmienność jest ciągła i zachodzi stale

• cechy gatunkowe są kombinacją różnorodnych cech dziedzicznych Cechy dziedziczą się niezależnie

Mendel Gregor Johann (1822-1884)

Zakonnik czeski, opat zakonu Augustianów w  Brnie. W latach 1851-1853 studiował nauki przyrodnicze w Wiedniu, był nauczycielem fizyki i biologii w gimnazjum w Brnie, od 1857 prowadził doświadczenia nad dziedziczeniem cech przez mieszańce różnych odmian grochu siewnego (Pisum sativum). Wyniki i wnioski z tych badań, znane obecnie jako prawa Mendla, ogłosił w pracy Badania nad mieszańcami roślin... opublikowanej w 1865 r.

Poważne badania genetyczne rozpoczęły się w XIX wieku.

Koncepcja genu narodziła się dzięki pracom Grzegorza Mendla w latach sześćdziesiątych XIX wieku, choć sam termin powstał dopiero po powtórzeniu i uzupełnieniu jego odkryć na początku naszego stulecia. Słowo „gen” wprowadzono w 1910 roku na określenie abstrakcyjnej, niepodzielnej jednostki dziedziczenia, odpowiedzialnej za jakąś cechę danego gatunku. Prowadzona przez wiele pokoleń analiza statystyczna dziedziczenia się prostych cech w populacjach potwierdziła tę koncepcję genu.

Mendel badał długość pędów, kolor kwiatów oraz kolor i kształt nasion Pisum sativum. Tak więc kolor kwiatów lub nasion rozumiano jako rozróżnialne, dziedziczne cechy, nie znając procesów chemicznych i nie wiedząc nic o sposobie, w jaki geny determinują kolor.

(Mendlowskie postrzeganie dziedziczenia u eukariontów wynikało z istnienia różnych odmian rozpoznawalnych cech. Na przykład, Mendel rozumiał, że czynnik określający kolor groszku może występować w różnych wersjach. W jednej wersji powoduje on powstawanie zielonych nasion, w innej - nasion żółtych. Podobnie z powierzchnią nasion - gładką lub pomarszczoną - która również zależy od stanu czynnika wyznaczającego tę cechę. Teraz, gdy wiemy, że to geny wyznaczają cechy, określamy różne wersje jednego genu jako allele. Mendel zauważył, że każdy organizm ma dwa allele dla każdej pojedynczej dziedziczonej cechy - po jednym od każdego rodzica. W każdym pokoleniu dwa allele jednego genu są rozdzielane (segregowane niezależnie) podczas powstawania nowych komórek rozrodczych. W każdej haploidalnej komórce rozrodczej jest tylko jeden element wyjściowej pary, jeden allel. W wyniku zapłodnienia powstaje nawa kombinacja alleli. Dwa elementy z pary mogą być takie same - wtedy osobnik jest nazywany homozygotycznym pod względem tej pary alleli. I odwrotnie, osobnik może otrzymać różne allele od obojga rodziców i wtedy jest heterozygotyczny.

Natura genu oraz sposób, w jaki decyduje o określonych cechach, pozostawały jednak całkowicie nieznane.

Pierwsze sugestie co do sposobu, w jaki działają geny, pochodziły z badań nad enzymami i pojawiły się, zanim jeszcze wymyślono słowo „gen”. I tu dwa spośród licznych w XIX w. odkryć w nowej dziedzinie - biochemii, były szczególnie znaczące: opisanie białek jako pierwszych biologicznych makrocząsteczek oraz odkrycie zjawiska katalizy i biologicznych katalizatorów jakimi są enzymy.

W pierwszej dekadzie XX wieku angielski lekarz Archibald Garrod, zajmując się chorymi na alkaptonurie, zauważył, że pewne cechy i choroby ludzi dziedziczą się zgodnie z prawem Mendla. W przypadku alkaptonurii doszedł do wniosku, że ma do czynienia z mendlowską cechą recesywną, ale nie to było najważniejsze. Garrod podejrzewał , że dziedziczone cechy wynikają z niedoboru lub braku pewnych enzymów potrzebnych dla normalnych procesów chemicznych w komórce (tu: kwas homogentyzynowy nie ulegał rozkładowi). Sądził, że determinanty dziedziczności kontrolują produkcję enzymów. Wobec tego zdolność organizmu do wytwarzania enzymów byłaby uwarunkowana przez jego geny. Mówiąc ściślej, Garrod przypuszczał, że wydajność enzymu zależy od stanu tego genu, który decyduje o jego produkcji. Ze spostrzeżeń Garrod'a wynikała nowa koncepcja genu - jako przepisu na pojedynczą substancję.

Sprawdzenie koncepcji Garroda wymagało zastosowania nowych metod doświadczalnych. Metody takie pojawiły się pod koniec lat trzydziestych wraz z wykorzystaniem do badań laboratoryjnych jednokomórkowych organizmów (grzybów, bakterii, wirusów). Do połowy lat czterdziestych zgromadzono i porównano wystarczająco dużo danych genetycznych i biochemicznych, by stwierdzić, że obecność lub brak określonego enzymu jest cechą dziedziczną, determinowaną przez pojedynczy gen. George Beadle i Edward Tatum, profesorowie z Uniwersytetu Stanforda w Kalifornii, uogólnili zależność między genem a enzymem do twierdzenia: „jeden gen - jeden enzym”. Ponieważ wiadomo było, że enzymy są białkami oraz, że niektóre geny kodują białka nieenzymatyczne (np. białka strukturalne układu mięśniowego, kostnego lub hormony - jak insulina), hasło to rozwinięto do postaci: „jeden gen - jedno białko”. Jednak nawet takie określenie zależności między genem a białkiem jest nietrafne. Co więcej, istnieją geny kierujące powstawaniem cząsteczek, które nie są białkami.

Współczesna chemia genu natomiast ma swoje początki w 1869 roku, kiedy to Johann Friedrich Miescher, niemiecki chemik pracujący w Tybindze, odkrył, że materiał wyizolowany z jąder ludzkich komórek nie jest białkiem, ponieważ zawiera fosfor oraz jest odporny na działanie enzymu rozkładającego białka - pepsyny. Miescher nazwał odkrytą przez siebie substancję nukleiną, Dzisiaj nosi ona nazwę kwasu deoksyrybonukleinowego, czyli DNA. W ciągu kolejnych osiemdziesięciu pięciu lat opracowano wiele metod oczyszczania DNA i analizy chemicznej jego składników oraz charakteru łączących je wiązań. ( Badacze zidentyfikowali podstawowe elementy budulcowe DNA: cztery odrębne małe cząsteczki nazwane nukleotydami. Podczas badań właściwości fizycznych okazało się, że DNA jest polimerem, to znaczy bardzo długą, podobną do łańcucha cząsteczką zbudowaną z nukleotydów. Ponadto odkryto, że większość komórkowego DNA znajduje się w chromosomach.

W 1953 roku na podstawie dostępnych fizycznych i chemicznych informacji dwaj młodzi naukowcy pracujący w Uniwersytecie w Cambridge w Anglii, James Watson i Francis Crick ustalili, że DNA ma strukturę podwójnej helisy.

Wagę odkrycia struktury DNA dodatkowo podniosły wyniki wcześniejszych badań Oswalda Avery'ego i jego współpracowników z Instytutu Rockefellera w Nowym Jorku oraz Alfreda Hersheya i Margaret Chase z Uniwersytetu im. Waszyngtona w St. Louis w stanie Missouri, którzy dowiedli, że nośnikiem informacji genetycznej jest wyłącznie DNA. Główną rolę w dziedziczeniu, przypisywaną kiedyś chromosomom, przekazano teraz z całym zaufaniem chronosomowemu DNA.

Wnioskiem płynącym z tych badań była koncepcja genu jako informacji - takiej, która rządzi wzrostem i zachowaniem istot żywych oraz decyduje o ich cechach. Koncepcja ta zakłada zarazem, że wszystkie żywe istoty dysponują mechanizmem rozszyfrowującym albo „odczytującym” informację genetyczną, a geny przechowują stale tę informację, aby rodzice mogli przekazać ją swemu potomstwu.

Dopiero na początku lat siedemdziesiątych rewolucyjny rozwój nowych metod badawczych przełamał bariery techniczne i pojęciowe utrudniające poznanie bardziej złożonych systemów genetycznych. Tym samym nasze spojrzenie na strukturę, organizację i funkcję genów uległo gruntownej przebudowie, a co najważniejsze, gen przestał być już pojęciem abstrakcyjnym.

Pojęcia genu:

• jednostka informacji genetycznej zawierająca instrukcję dotyczącą syntezy polipeptydu lub cząsteczki strukturalnego RNA. W sensie fizycznym gen jest odcinkiem DNA o określonej sekwencji zasad. (Krótkie wykłady - Genetyka)

• podstawowa fizyczna i funkcjonalna jednostka dziedziczenia. Gen jest odcinkiem DNA o określonej sekwencji zasad zlokalizowanym w określonej pozycji, na określonym chromosomie, kodującym specyficznie funkcjonalny produkt (białko lub cząsteczkę RNA)

Gen i locus

Gen jest fragmentem DNA niosącym informację genetyczną i stanowiącym jego fizyczną oraz funkcjonalną jednostkę. Geny są umiejscowione w określonych regionach DNA określanych jako genetyczne loci (w liczbie pojedynczej: locus).

Pojęcie locus:

Locus

- pozycja na chromosomie genu lub innego markeru chromosomowego, jak również, DNA w tej pozycji. Pojęcie locus używa się czasami w odniesieniu do regionu DNA ulegającemu ekspresji.

Loci QTL - miejsca genów odpowiedzialnych za dziedziczenie poligeniczne określonych cech.

Pojęcie allel:

O ile gen jest strukturą DNA, odpowiedzialną za wykształcenie cechy, to allel jest jego realizacją. Jeden gen może występować w kilku formach; różne formy genów będą odpowiadać za wykształcenie różnych cech fenotypowych. Każda z tych form będzie allelem.

Allel

• jeden z pary lub serii genów alternatywnych w procesie dziedziczenia (wskutek usytuowania w tym samym locus w homologicznych chromosomach), wykluczających się wzajemnie w konstytucji gamety

• jedna z alternatywnych form genu występująca w tym samym miejscu genowym (locus) homologicznych chromosomów. Gdy allele są identyczne - osobnik jest homozygotą pod względem tej pary alleli, gdy różne - heterozygotą

Allele - różne formy tego samego genu. Chociaż zajmują to samo miejsce (locus) w chromosomach homologicznych, ale wywołują odmienne wykształcenie tej samej cechy. W komórce diploidalnej znajdują się dwa allele każdego genu (po jednym od każdego z rodziców). Jeden allel jest często dominujący w stosunku do drugiego nazywanego recesywnym, tzn. determinuje ujawnienie się określonej cechy organizmu.

Allele addytywne - kumultatywne w swoim działaniu

Allele kodominujące - obydwa przejawiają ekspresję u heterozygot

Allele letalne - wpływające na żywotność osobnika, często odpowiedzialne za procesy rozwojowe. (1 zmutowany allel - zmiany rozwojowe: 2 zmutowane allele - śmierć)

Allele subletalne - obniżające żywotność (szczątkowe skrzydła u muszki owocowej)

Podstawowe definicje:

Fenotyp - wygląd osobnika, czyli zespół jego dostrzegalnych własności, będący efektem działania specyficznych genów lub ich kombinacji zapisanych w genotypie

Genotyp - zespół genów danego osobnika

Mieszańce - osobniki powstałe ze złączenia się gamet o różnym składzie genetycznym

Cecha - właściwość organizmu wynikająca z interakcji genotypowo-środowiskowej

Dominowanie - forma współdziałania allelicznego, polegająca na tym, iż w stanie heterozygotycznym jeden z alleli w większym lub mniejszym stopniu przeważa nad drugim

Gameta - dojrzała komórka rozrodcza: plemnik i jajo

Pierwsze prawo Mendla zwane prawem segregacji lub prawem czystości gamet:

Każdy organizm posiada dwa czynniki (obecnie zwane genami allelicznymi), determinujące ekspresję danej cechy, które organizm otrzymuje od swoich rodziców, po jednym od każdego, natomiast w komórkach rozrodczych ( gametach) znajduje się zawsze tylko jeden taki czynnik.

II Prawo Mendla - prawo niezależnego dziedziczenia

Allele dwóch różnych genów są segregowane w gametogenezie niezależnie od siebie. Cechy dziedziczą się niezależnie, o ile geny determinujące te cechy nie są sprzężone, tzn. są zlokalizowane w różnych, niehomologicznych chromosomach.

Prawa dziedziczenia cech zostały powtórnie odkryte w 1900 niezależnie przez trzech uczonych C. Corrensa, E. Tschermaka i H. de Vriesa.

PRZYKŁDY:

5a Krzyżujemy ze sobą dwie formy homozygotyczne różniące się jedną parą cech - wysokością

Oznaczmy umownie:

formy wysokie -WW niskie -ww,

WW x ww

F₁ Ww - wysoki

F₂

Gamety	W	w
W	W W	W w
W	W w	ww

Fenotyp i genotyp: 3 formy wysokie (WW, Ww) i jedna niska (ww)

6a Krzyżujemy ze sobą dwie formy homozygotyczne różniące się dwoma cechami - wysokością i barwą

Oznaczmy umownie:

formy wysokie -WW niskie -ww,

kwiat biały -BB, kwiat kremowy - bb

WWBB x wwbb

F₁ WwBb wysokie, białe

F₂

Gamety	WB	Wb	wB	wb
WB	WWBB	WWBb	WwBB	WwBb
Wb	WWBb	WWbb	WwBb	Wwbb
wB	WwBB	WwBb	wwBB	wwBb
wb	WwBb	Wwbb	wwBb	wwbb

Fenotyp i genotyp

• 9 roślin wysokich i białych (WWBB , WWBb , WwBb, WwBB

• 3 rośliny wysokie i kremowe (WWbb , Wwbb )

• 3 rośliny niskie i białe ( wwBB , wwBb )

• 1 roślina niska i kremowa wwbb

• Schemat dziedziczenia barw i kształtów kwiatów u wyżlinu

Kwiat grzbiecisty WW i promienisty - ww

Czerwona barwa kwiatów BB i biała barwa kwiatów bb

POKOLENIE F₁

WwBb - Kwiat grzbiecisty , różowy (dziedziczenie pośrednie koloru kwiatów, dominujące kształtu)

POKOLENIE F₂ 3: 6: 3: 1: 2: 1

Gamety	WB	Wb	wB	wb
WB	WWBB	WWBb	WwBB	WwBb
Wb	WWBb	WWbb	WwBb	Wwbb
WB	WwBB	WwBb	wwBB	wwBb
wb	WwBb	Wwbb	wwBb	wwbb

1. grzbiecisty czerwony----- 3 WWBB WwBB

2. grzbiecisty różowy------- - 6 WWBb WwBb

3. grzbiecisty biały------------ 3 WWbb Wwbb

4. promienisty czerwony----- 1 wwBB

5. promienisty różowy------- 2 wwBb

6. promienisty biały------------1 wwbb

EPISTAZA

Epistaza jest to współdziałanie genów nieallelicznych lub interakcja pomiędzy produktami genów nieallelicznych

Bateson wykazał, iż obraz dziedziczności może być bardziej skomplikowany i często wybiega poza ramy schematów mendlowskich . Przykład dotyczy groszku pachnącego

WWBB x wwbb -kwiaty białe

F₁ WwBb - kwiaty czerwone

F2 - Stosunek rozszczepień 9:7

Gamety	WB	Wb	wB	wb
WB	WWBB	WWBb	WwBB	WwBb
Wb	WWBb	WWbb	WwBb	Wwbb
WB	WwBB	WwBb	wwBB	wwBb
wb	WwBb	Wwbb	wwBb	wwbb

WW, Ww - umożliwia wytworzenie chromogenu

BB - Bb - umożliwia wytworzenie oksydazy

Połączenie tych substancji powoduje na wskutek utlenienia chromogenu przez oksydazę powstanie antocjanu

Kodominacja (dziedziczenie pośrednier)- heterozygota posiada cechy równocześnie obu alleli rodzicielskich.

Modyfikatory - geny wpływające na ekspresję genu nieallelicznego

Allele wielokrotne - trzy lub więcej alternatywnych alleli danego genu, reprezentujących to samo miejsce w danej parze chromosomów homologicznych

Przykład: gen barwy kwiatów u tulipanów

Geny plejotropowe - jeden gen wpływa równocześnie na kilka własności

Przykład: 1. u wyżlinu recesywny allel barwy białej kwiatu wpływa na zmniejszenie rozmiaru rośliny i zwiększa podatność na wybrane choroby grzybowe

Pytania egzaminacyjne:

1. Teoria Hugo de Vriesa

2. Teoria Darwina (pamiętaj o podaniu przykładów)

3. Prawa Mendla

4. Omówić pojęcia: fenotyp, genotyp, mieszańce, cecha, dominowanie, allel (na rysunku), kodominacja, heterozygota, homozygota, modyfikatory, allele wielokrotne geny plejotropowe, locus, gameta, epistaza,itd.

5. Co to jest gen (rozwiń temat)

1

1

---