Гибридологический метод

Грегор Мендель – основоположник учения о наследственности

Первым научным трудом, посвященным наследственности, в котором был сформулирован ряд важных генетических правил и положений, явилась работа Г. Менделя, опубликованная в 1865 году. В ней Мендель на основе многочисленных экспериментов, проведенных в течение ряда лет, доказал, что: 1) наследственные задатки передаются от родителей потомкам в виде обособленных (дискретных) единиц, которые он назвал «факторами»; 2) наследственные «факторы» представлены у особей парами, но не сливаются, а остаются дискретными и передаются потомкам в мужских и женских половых клетках по одному от каждой пары. С 1909 года наследственные единицы (задатки), выявленные Менделем как «факторы», стали называть генами.

Однако законы наследования дискретных «факторов», или генов, открытые Менделем, не были приняты его современниками, хотя были известны ряду выдающихся ботаников. Это объясняется тем, что к тому времени не была еще исследована роль ядра и хромосом при делении клетки (митоз описали в 1876 году, мейоз – в 1882-м, а термин «хромосома» появился только в 1883 году). Лишь в 1885 году А. Вейсман высказал предположение о том, что количество хромосом в половых клетках должно быть вдвое меньше, чем в соматических. Поэтому все выявленные Менделем закономерности наследования признаков были по достоинству оценены только в 1900 году, когда их вторично открыли другие ученые на примере иных объектов: Гуго де Фриз в Голландии, Карл Корренс в Германии и Эрих Чермак в Австрии. С тех пор учение Менделя прочно вошло в науку.

Особенности гибридологического метода

В 1866 году Мендель применил новый подход к скрещиванию как методу изучения наследственности: подбор материала, постоянство родительских форм, индивидуальный анализ потомства от каждого скрещивания, математическая статистика и пр. В итоге гибридологический метод (или метод скрещивания) после работ Менделя открыл целую эпоху в изучении наследственности и изменчивости. Своими опытами с горохом посевным Мендель решал четко поставленную задачу: выяснить, каковы правила наследования отдельных признаков.

В отличие от других ученых-генетиков, Мендель изучал наследование по единичным признакам, пользуясь парой их контрастирующих проявлений (например, таких, как желтая и зеленая окраска или гладкая и морщинистая форма семян), и ввел для них буквенные обозначения (Aa, Bb). Это было новаторством в генетических исследованиях, так как до него исследователи изучали наследственность как единое целое. Кроме того, он взял для исследования самоопыляющееся растение – горох, у которого хорошо различимы контрастные признаки, постоянно повторяющиеся у потомков.

Наследственные контрастные признаки гороха, изучавшиеся Г. Менделем: 1 – поверхности семян; 2 – окраска семян; 3 – окраска цветков; 4 – положение цветков на побеге; 5 – длина стебля; б – форма бобов; 7 – окраска бобов

Мендель скрещивал растения гороха с учетом отдельных признаков и проводил строгий количественный учет гибридных растений в ряду последовательных поколений отдельно по каждой паре альтернативных признаков, не рассматривая другие различия между скрещиваемыми растениями. Кроме того, Мендель осуществлял индивидуальный анализ всего потомства от каждого гибрида.

Получив результат скрещивания растений, различающихся по одной паре контрастирующих признаков, Мендель переходил к изучению следующей пары. Скрещивание, в котором родительские организмы отличались по одному признаку, Мендель называл моногибридным. Изучив поведение одного дискретного признака, он переходил к изучению передачи наследственных свойств по двум признакам (дигибридное скрещивание), а затем – по трем (тригибридное скрещивание). При этом Мендель вел точный учет наследования этих признаков у всех особей. Полученные результаты он проверял методом анализирующего скрещивания. Свою исследовательскую работу он вел в течение ряда лет, изучив более десяти тысяч растений гороха. Это дало ему возможность выявить важные статистические закономерности наследования признаков.

В качестве основы своих исследований Мендель использовал целый ряд сформулированных им принципов:

• применение скрещивания как метода выявления наследственных свойств растении;
• применение в скрещивании чистых линий растений;
• проведение анализа наследования потомством скрещиваемых растений отдельных пар альтернативных признаков;
• исследование дискретных признаков, по которым наследуется альтернативные различия;
• применение термина «признак» как дискретного показателя проявления наследственного задатка;
• проведение строгого количественного учета гибридных растений по отдельным парам альтернативных признаков;
• применение индивидуального анализа потомства от каждого гибридного растения;
• обязательное проведение анализирующего скрещивания.

Правила ведения генетических исследований

Итогом этой работы явилось не только открытие ряда закономерностей наследования, по и формулирование правил ведения гибридологических исследований: изучение наследования следует вести только путем скрещивания; брать для исследований растения с малым количеством контрастно наследуемых признаков, обозначая каждый признак буквенным выражением; следить за их количественными изменениями в ряду поколений; брать чистые линии растений, у которых возможно самоопыление (так как исследователь может его повторить или, наоборот, предотвратить); использовать большое количество особей для выявления статистических закономерностей наследования и, наконец, четко ставить задачу проведения исследования. Мендель строго следовал этим правилам в своей работе.

Позже генетиками были сформулированы правила записи гибридологических исследований. Скрещивание, производимое между двумя особями разных полов, в генетике обозначают знаком умножения (×). В схемах записи скрещивания на первом месте принято указывать женский пол, который обозначают знаком ♀, а затем мужской – знаком ♂. Пару родительских организмов, участвующих в скрещивании, обозначают латинской буквой P, их гаметы (половые клетки) – латинской буквой G. Потомство от скрещивания – гибридное потомство – латинской буквой F. Порядковый номер гибридного поколения помечают цифрой: гибрид первого поколения – F₁; второго – F₂; третьего – F₃ и т. д. Запись скрещивания и его результатов осуществляют, пользуясь схемой, которую называют решеткой Пеннета (по имени английского генетика Р. Пеннета, предложившего такую форму записи).

Материальные основы наследственности

Материальные основы наследственности долгое время изучались цитологами и генетиками независимо друг от друга. При атом исследования длительное время проводились параллельно, не пересекаясь и не интегрируясь.

Цитология – наука о клетке – устанавливала основные явления и закономерности деления ядра, наличие в нем хроматина, хромосом, а также роль отдельных клеточных структур в воспроизведении дочерних поколений. Генетика исследовала закономерности передачи признаков организма от поколения к поколению и их проявления в последующих поколениях. Однако только после того, как были установлены закономерности наследования признаков, цитология и генетика объединили свои усилия. Наследственность и изменчивость стали исследовать с учетом материальных (цитологических) носителей наследственных свойств организма.

Каждый вид животных, растений, а также человек сохраняют в ряду своих поколений характерные для него черты. Признаки вида (популяции) через родителей передаются потомству. Воспроизводство себе подобных обеспечивается наследственностью. Что же является материальной основой наследственности, обеспечивающей ее преемственность?

В основе размножения лежат клетки, и именно в них находятся основные наследственные структуры. При бесполом размножении – делении клетки надвое – воспроизводятся два идентичных организма. При половом размножении происходит, как правило, объединение двух половых клеток (гамет) – мужской и женской. Они соединяются и дают начало одной новой клетке – зиготе, которая уже затем делится и воспроизводит организм.

Усилиями цитологов, генетиков и молекулярных биологов доказано, что материальной основой наследственности служат хромосомы, состоящие из нитей, образованных двухцепочечной молекулой ДНК и специфическими белками, – хроматина. Гены, ответственные за передачу наследственных признаков, – это участки молекулы ДНК, линейно расположенные на ней. Поскольку в клетках организма, развившегося из зиготы, содержатся два набора хромосом (по одному от каждого родители), то этим и обусловлена в общих чертах вариативность проявления признаков у потомства.