Моногибридное скрещивание

Мендель взял две чистые линии гороха — с жёлтыми и с зелёными семенами — и скрестил их. Все гибриды первого поколения оказались жёлтыми. Зелёный признак исчез бесследно.

Это первый закон Менделя, закон единообразия гибридов первого поколения: при скрещивании двух гомозиготных организмов, различающихся по одному признаку, всё потомство единообразно и по фенотипу, и по генотипу.

Почему так выходит, объясняется правилом чистоты гамет. Родитель AA даёт гаметы только с A, родитель aa — только с a. При слиянии любая пара гамет даёт Aa. Все потомки гетерозиготны, а поскольку A доминирует, все выглядят жёлтыми.

Важнейшее следствие, которое и проверяют: признак не исчез, он скрыт. Аллель a целёхонек лежит в каждом гибриде и никак не испорчен соседством с A. Это и есть удар по представлению о «смешивании» наследственности: если бы признаки смешивались, гибрид был бы желтовато-зелёным, а следующее поколение не смогло бы вернуть чистый зелёный цвет.

Оговорка про неполное доминирование. Первый закон выполняется и тогда, когда доминирование неполное, — только гибриды получаются промежуточными. У ночной красавицы красный цветок (AA) и белый (aa) дают розовые гибриды (Aa). Единообразие сохраняется: все потомки одинаковы. Поэтому правильное название закона — про единообразие, а не про «доминирование»: одинаковость потомства выполняется всегда, а внешний вид зависит от типа доминирования.

Слова «доминантный аллель подавляет рецессивный» рисуют картину борьбы, которой на самом деле нет. Разберёмся, что происходит в клетке, — это объясняет сразу несколько экзаменационных фактов.

Ген — это инструкция для белка, чаще всего фермента. Типичный доминантный аллель кодирует работающий белок. Типичный рецессивный — испорченный вариант того же гена, дающий белок нерабочий или не дающий никакого.

Теперь посмотрим на три генотипа.

• • AA: обе копии рабочие, фермент есть, признак проявляется.
• • Aa: одна копия рабочая, одна испорченная. Рабочая делает своё дело, фермента хватает, признак проявляется так же, как у AA. Никто никого не подавляет — просто исправного экземпляра достаточно.
• • aa: обе копии испорчены, фермента нет, реакция не идёт, признак не проявляется.

Что это объясняет.

• • Почему большинство наследственных болезней рецессивны. Болезнь — обычно поломка, а одной исправной копии, как правило, хватает. Поэтому носитель здоров, а болеет только тот, кто получил поломку от обоих родителей. Отсюда же — почему в браках между близкими родственниками риск выше: у родни выше шанс нести ту же самую редкую поломку.
• • Почему бывает неполное доминирование. Если одной копии не хватает — например, пигмента синтезируется вдвое меньше, — гетерозигота получается промежуточной. Красный цветок ночной красавицы скрещён с белым — гибриды розовые, и во втором поколении расщепление по фенотипу 1:2:1 вместо 3:1: теперь каждый генотип виден в лицо.
• • Почему бывает кодоминирование. Если оба аллеля кодируют разные рабочие белки, у гетерозиготы проявятся оба. Классический пример — четвёртая группа крови: на эритроцитах присутствуют одновременно антиген A и антиген B, а не какой-то «средний».
• • Почему доминантные болезни тоже бывают. Если испорченный белок не просто бездействует, а мешает рабочему, одной копии хватит, чтобы возникла болезнь. Такие случаи реже, зато проявляются у каждого носителя.

Вывод для задач. Доминантность — не «сила» аллеля, а способ его проявления в гетерозиготе. Один и тот же ген может быть доминантным по одному признаку и рецессивным по другому: аллель серповидноклеточности рецессивен по анемии (болеют только гомозиготы), но по устойчивости к малярии проявляется и у гетерозигот.

Школьная запись «A и a» создаёт впечатление, что у гена всегда ровно два состояния. У особи их действительно два — по числу гомологичных хромосом. А вот у вида их может быть сколько угодно: ген мутирует по-разному, и каждый вариант остаётся в популяции. Такой набор называют серией множественных аллелей.

Пример, который приводят чаще всего, — окраска шерсти кроликов. В этой серии четыре аллеля, и они выстроены в иерархию доминирования: сплошная окраска подавляет шиншилловую, та — гималайскую, а гималайская — альбинизм. Любая особь несёт только два аллеля из четырёх, и её вид определяется старшим из них. Отсюда задачи вроде «какой окраски будут крольчата от шиншилловой матери и гималайского отца» — решаются они так же, как обычные, просто вариантов гамет больше.

Второй пример, куда более важный, — группы крови человека. Здесь три аллеля: I^A, I^B и i. Аллели I^A и I^B кодоминантны друг другу, а i рецессивен обоим. Отсюда и получаются четыре группы из шести генотипов: первая (ii), вторая (I^A I^A или I^A i), третья (I^B I^B или I^B i) и четвёртая (I^A I^B). Обратите внимание: у человека с четвёртой группой оба аллеля работают, никто никого не подавляет, — это тот самый случай кодоминирования.

Что отсюда следует для задач.

- Родители со второй и третьей группой могут иметь детей с любой из четырёх групп: I^A i × I^B i даёт I^A I^B, I^A i, I^B i и ii. - А вот у родителей с первой группой ребёнок с четвёртой родиться не может: аллелей I^A и I^B взять неоткуда. На таких невозможностях и строятся задачи на исключение отцовства.

И общее правило, которое надо помнить. Число аллелей в серии — свойство вида; число аллелей в генотипе — всегда два (у диплоидного организма). Фраза «у человека четыре аллеля группы крови» неверна дважды: аллелей три, а групп четыре.

В задачах генотип однозначно определяет внешность. В жизни связь слабее, и понимать это нужно — вопросы на объяснение строятся именно тут.

Признак может проявиться не у всех носителей. Долю носителей генотипа, у которых признак действительно виден, называют пенетрантностью. У одних наследственных особенностей она стопроцентная, у других заметно ниже: человек несёт «болезнетворный» генотип и остаётся здоровым, а болезнь проявляется у его детей. Для генетика это означает простую вещь: отсутствие признака не доказывает отсутствия гена.

Признак может проявиться не сразу. Многие наследственные заболевания дают о себе знать не при рождении, а во взрослом возрасте. Классический пример — хорея Гентингтона: доминантная болезнь, первые признаки которой обычно появляются после тридцати — сорока лет, когда человек уже успел завести детей. Именно поэтому отбор так плохо вычищает такие аллели из популяции: они успевают передаться дальше.

Признак может зависеть от среды. Тот же генотип в разных условиях даёт разный результат. У сиамской кошки и гималайского кролика фермент, отвечающий за тёмный пигмент, работает только при пониженной температуре: отсюда тёмные лапы, уши, хвост и морда — самые холодные части тела — при светлом туловище. Опыт, который это доказал, прост и красив: у гималайского кролика выбривают участок белой шерсти на спине и прикладывают лёд — на холоде вырастает чёрная шерсть. Генотип не изменился, изменилось условие.

Признак может зависеть от пола носителя. Есть признаки, которые проявляются только у одного пола, хотя гены их есть у обоих: облысение определённого типа у человека, молочность у крупного рогатого скота (гены есть и у быка, но проявиться им негде — оценивают быка по дочерям), рога у некоторых пород овец.

Вывод, который просят сформулировать. Наследуется не признак, а норма реакции — способность генотипа давать в разных условиях разный результат в определённых пределах. Отсюда и правильная формулировка ответа на вопрос «что важнее, наследственность или среда»: вопрос поставлен неверно, признак всегда есть результат их совместного действия.

Мендель скрестил гибриды первого поколения между собой: Aa × Aa. Во втором поколении зелёные семена вернулись, причём в строгой пропорции — примерно три жёлтых на одно зелёное. На 8023 семени он получил 6022 жёлтых и 2001 зелёное: соотношение 3,01 к 1.

Это второй закон Менделя, закон расщепления: при скрещивании двух гетерозигот в потомстве наблюдается расщепление по фенотипу 3 : 1 и по генотипу 1 : 2 : 1.

Теперь разберём механизм, потому что именно его требуют в развёрнутом ответе.

• • Каждый родитель Aa даёт два типа гамет — A и a — в равном количестве.
• • Встреча гамет случайна: любая мужская гамета может слиться с любой женской.
• • Возможны четыре равновероятных сочетания: AA, Aa, aA, aa.
• • По генотипу это 1 AA : 2 Aa : 1 aa — соотношение 1 : 2 : 1.
• • По фенотипу AA и оба Aa выглядят одинаково (доминантный признак), и остаётся 3 : 1.

Отсюда ключевая мысль: расщепление 3 к 1 по фенотипу и 1 : 2 : 1 по генотипу — это одно и то же расщепление, просто в первом случае мы не различаем AA и Aa внешне. И отсюда же ответ на частый вопрос: почему среди трёх особей с доминантным признаком две из трёх гетерозиготны, а гомозиготна только одна.

При неполном доминировании расщепление по фенотипу совпадает с расщеплением по генотипу: 1 : 2 : 1, потому что гетерозиготы отличаются внешне (красные, розовые, белые). Это надёжный признак в задаче: увидел в условии соотношение 1 : 2 : 1 по внешнему виду — перед тобой неполное доминирование.

Почему соотношение приблизительное. Законы генетики статистические. Три к одному получается тем точнее, чем больше потомков. У гороха с тысячами семян соотношение почти идеально; в семье с четырьмя детьми оно может быть каким угодно. Поэтому в задачах про людей правильная формулировка — не «родится один больной из четверых», а «вероятность рождения больного ребёнка 25 %», причём для каждого ребёнка независимо. Это принципиально: если в семье уже родился больной ребёнок, вероятность для следующего по-прежнему 25 %, а не меньше.

Расщепление 3:1 — не закон природы, а следствие вероятностей, и на экзамене любят случаи, когда оно нарушается. Разберём два самых частых.

Случай первый: летальный аллель. В 1905 году француз Люсьен Кюэно скрещивал жёлтых мышей и получил странность: сколько ни скрещивай жёлтую с жёлтой, чистой линии жёлтых мышей не выходит, а в потомстве расщепление всегда 2 жёлтых : 1 чёрная, а не 3:1. Вдобавок помёты оказывались меньше обычных.

Объяснение такое: все жёлтые мыши гетерозиготны, потому что гомозиготы по жёлтому аллелю погибают ещё зародышами. Схема: Aa × Aa даёт 1 AA (гибнет) : 2 Aa (жёлтые) : 1 aa (чёрные). Вместо четырёх живыми рождаются трое, отсюда и 2:1.

Интересно, что один и тот же аллель здесь ведёт себя двояко: по окраске он доминантен (гетерозигота жёлтая), а по жизнеспособности рецессивен (гибнут только гомозиготы). Похожая история известна у каракульских овец серой окраски и у платиновых лисиц. В задачах признак летальности обычно выдаёт себя расщеплением 2:1 и уменьшенным числом потомков — это и есть подсказка.

Случай второй: слишком мало потомков. Отношение 3:1 выполняется в среднем, при большом числе испытаний. Мендель получил свои красивые числа потому, что считал тысячами: в одном из опытов на 8023 семени пришлось 6022 жёлтых и 2001 зелёное — отношение 3,01:1. А в семье, где четверо детей, «положенный» один больной может не родиться вовсе или родиться трижды. Причина в том, что каждое оплодотворение — независимое событие: гаметы не помнят, что было в прошлый раз, и не «добирают» недостающее.

Отсюда правильная формулировка ответа в задачах на человека: не «один из четырёх детей будет болен», а «вероятность рождения больного ребёнка — 25 % при каждом рождении». Формулировка через проценты и слово «вероятность» — то, что ищет проверяющий.

И третий, более редкий случай — неполная пенетрантность. Бывает, что генотип есть, а признак не проявляется: сказываются условия среды и другие гены. Тогда расщепление выходит меньше ожидаемого. В школьных задачах это встречается редко, но понимать полезно: генотип задаёт возможность, а не гарантию.

В задании 28 оценивают не только ответ, но и схему решения. Баллы снимают за пропущенные части, даже если итог верен. Обязательный набор:

• • Условные обозначения генов. Записываются первыми: «A — жёлтая окраска, a — зелёная окраска». Без этого проверяющий не понимает твоих букв.
• • Генотипы и фенотипы родителей с обозначением P (от латинского parentes — родители).
• • Гаметы каждого родителя, обведённые кружком или выписанные отдельной строкой. Это тот шаг, который пропускают чаще всего, а он оценивается.
• • Генотипы и фенотипы потомства, обозначаемые F₁ (первое поколение), F₂ (второе).
• • Ответ на поставленный вопрос словами — с расщеплением или вероятностью в процентах.
• • Если вопрос требует, объяснение закона или механизма: какой закон проявился, почему получилось такое расщепление.

Знак × означает скрещивание, знак ♀ — женский пол, ♂ — мужской.

Решётка Пеннета — таблица, где по горизонтали выписывают гаметы одного родителя, по вертикали другого, а в клетках — их сочетания. Для моногибридного скрещивания она 2 на 2, для дигибридного 4 на 4. Пользоваться ей стоит всегда, когда гамет больше двух: перебор в уме даёт ошибки, а таблица нет.

Типичные потери баллов.

— Не выписаны гаметы. — Перепутаны прописные и строчные буквы: A и a должны различаться визуально, поэтому не бери букву, у которой прописная и строчная выглядят одинаково. — В гамете записаны два аллеля одного гена. — Дан ответ «25 %», но не сказано, чего 25 %. — Не сделан вывод словами: таблица есть, ответа нет.

Задание 4 — короткая расчётная задача, ответ в виде числа. Формулировок немного, и каждая решается своим приёмом.

Число типов гамет. Считаем гетерозиготные пары, возводим двойку в эту степень. AaBBCc — две гетерозиготные пары, ответ 4.

Число фенотипов и генотипов. Разбиваем на отдельные признаки. При Aa × Aa по одному признаку два фенотипа и три генотипа. При AaBb × AaBb перемножаем: фенотипов 2 × 2 = 4, генотипов 3 × 3 = 9.

Вероятность в процентах. Считаем долю нужных генотипов и переводим в проценты. Aa × Aa: доминантный признак — три четверти, то есть 75 %; рецессивный — 25 %; гетерозигот — 50 %.

Доля гомозигот. Осторожно: гомозигот в потомстве Aa × Aa две разновидности, AA и aa, вместе они составляют половину. Ответ 50 %, а не 25 %. На этом спотыкаются регулярно.

Число хромосом в гамете. Это задача из другой темы, но встречается в той же линии: в гамете гаплоидный набор, то есть вдвое меньше, чем в соматической клетке.

Три правила самопроверки.

• • Проверь, что сумма частей даёт целое. Если по твоему расчёту получилось 75 % и 50 %, где-то ошибка.
• • Проверь, не спутал ли фенотип с генотипом. Вопрос «сколько фенотипов» и «сколько генотипов» даёт разные ответы почти всегда.
• • Проверь единицу ответа. Просили число особей, долю или проценты? В бланк идёт только число, без знака процента и без слов.

Задача, которая возникает у любого селекционера: перед вами животное или растение с доминантным признаком. Оно AA или Aa? Внешне они неотличимы. Ответ можно получить только опытом.

Приём. Скрестить неизвестный организм с рецессивной гомозиготой (aa). Такой партнёр даёт гаметы только одного типа — a, — и потому не маскирует ничего: каждый потомок покажет, какую гамету дал исследуемый родитель. Скрещивание и называют анализирующим.

Как читать результат.

- Все потомки с доминантным признаком, ни одного рецессивного, — исследуемый организм гомозиготен (AA). Он даёт только гаметы A. - Примерно половина потомков рецессивна — организм гетерозиготен (Aa), и расщепление получается 1:1.

Где важна осторожность. Если потомков мало, картина может обмануть: у гетерозиготы вполне может родиться четверо доминантных подряд — вероятность такого около шести процентов. Поэтому селекционеры смотрят на большое потомство, а в задачах всегда предполагают достаточное число.

Зачем это на практике. Хозяйству нужны чистые линии: если сорт или порода «расщепляется», часть урожая или приплода уходит в брак. Анализирующее скрещивание позволяет выбраковать скрытых гетерозигот. Тем же приёмом проверяют, не несёт ли производитель скрытую наследственную болезнь: его скрещивают с заведомо больной особью или с носительницей и смотрят потомство.

Не путайте с возвратным. Возвратное скрещивание — это скрещивание гибрида с одним из родителей, каким бы тот ни был. Анализирующее — частный случай: возвратное именно с рецессивной гомозиготой. Различие мелкое, но его спрашивают.