Дигибридное скрещивание. 
Генетика в 2 ч. Часть 1

Скрещивание, при котором родительские формы отличаются по двум парам альтернативных признаков, называется дигибридным (по трем — три— гибридным, по многим — полигибридным).

Для изучения дигибридного скрещивания Г. Мендель использовал две чистые линии гороха, которые отличались формой и окраской семян. Растения, имеющие желтые гладкие семена, скрещивали с растениями, у которых семена зеленые и морщинистые. Все гибридные семена F от этого скрещивания оказались желтыми с гладкой поверхностью. Следовательно, желтая окраска семян доминирует над зеленой, а гладкая поверхность — над морщинистой. Во втором поколении F₂ произошло расщепление гибридов. Образовалось четыре типа растений — с семенами:

• 1) желтыми гладкими;
• 2) желтыми морщинистыми;
• 3) зелеными гладкими;
• 4) зелеными морщинистыми.

В отличие от моногибридного скрещивания появились не только родительские формы, но и такие, у которых признаки родительских форм перекомбинируются (желтые морщинистые и зеленые гладкие семена). Числовые отношения отмеченных типов в этом и других вариантах сохраняли постоянную закономерность: 9 частей от всего количества растений имели оба доминантных признака (желтые гладкие семена), 3 части — один доминантный и один рецессивный признаки (семена желтые морщинистые), еще 3 части — один рецессивный и один доминантный признаки (зеленые гладкие семена) и одна часть сочетала в себе оба рецессивных признака (зеленые морщинистые семена). Следовательно, расщепление по фенотипу в /*2 дигибридного скрещивания составляет соотношение 9:3:3: 1.

Далее Г. Мендель провел анализ наследования каждого отдельного признака. Оказалось, что в F₂ гибриды с желтыми семенами составляли 12 частей от общего количества (9 + 3), а с зелеными семенами — только 4 части (3 + 1). Соответственно, 12 частей от общего количества растений имели гладкую поверхность семян (9 + 3), а 4 части — морщинистую (3 + 1). Огношение форм, доминантных и рецессивных по каждой паре признаков, составляет 12:4, или 3:1. Следовательно, характер наследования отдельно взятого признака отвечает закономерностям, которые были установлены для моногибридного скрещивания, а именно: в первом поколении доминирует один признак из двух (желтые семена, гладкая поверхность); во втором гибридном поколении расщепление происходит в отношении 3:1. На основе анализа данных дигибридного и тригибридного скрещивания бьш сформулирован третий закон Менделя: закон независимого наследования, или свободного комбинирования пар признаков.

Генетические закономерности расщепления признаков при дигибридном и полигибридном скрещиваниях, установленные Менделем, позже были обоснованы цитологами. Исследователи установили связь между независимым расщеплением разных пар генов и поведением негомологичных хромосом. При мейотичсском делении в профазе I гомологичные хромосомы конъюгируют; в анафазе I одна из гомологичных хромосом отходит к одному полюсу, вторая — ко второму; при расхождении к разным полюсам негомологичные хромосомы комбинируются свободно и независимо одна от другой. В результате этого образуются гаплоидные гаметы с разным сочетанием хромосом. В процессе оплодотворения гаметы сливаются и гомологичные хромосомы, которые разошлись в мейозе, опять соединяются.

При образовании гамет вместе с гомологичными хромосомами гены каждой пары отделяются один от другого, расходятся и случайно комбинируются с неаплельными генами. Появление разных сочетаний генов возможно потому, что расхождение генов одной пары (А-а) происходит независимо от расхождения генов других пар (например, В-b, С-с). У дигетерозиготы при образовании гамет две пары аллельных генов могут разойтись следующим образом:

Таким образом, возможно образование четырех типов гамет:

Все типы гамет образуются с одинаковой вероятностью, что обусловливает их равные соотношения: АВ: Ab: 1 аВ: 1 ab.

Гетерозигота по трем признакам (АаВЬСс) продуцирует соответственно восемь типов гамет: АВС, АВс_у АЬС, аВС, Abe, аВс> аЪС, аЪс. Один из них имеет все доминантные признаки; три типа сочетают по два доминантных и одному рецессивному гену; три типа — по одному доминантному и по два рецессивных; один тип — все рецессивные гены.

Количество типов гамет у гетерозигот устанавливают по формуле 2″, где п — число пар аллельных генов (или признаков). У гетерозиготы по четырем признакам количество типов гамет равно 2⁴ = 16, у гетерозиготы по пяти признакам — 2⁵ = 32 и т. д.

Если материнская и отцовская формы имеют один и тот же генотип, то сперматозоиды будут иметь такие же типы генных сочетаний, как и яйцеклетки. Во время оплодотворения любая яйцеклетка может оплодотвориться любым сперматозоидом с одинаковой вероятностью. Так, у дигетерозиготы возникает 4 типа половых клеток женских и 4 типа мужских, следовательно, от их свободных сочетаний может образоваться 16 зигот с разной комбинацией генов.

Для определения генотипического состава второго поколения при дигибридном и полигибридном скрещиваниях удобно пользоваться решеткой, предложенной английским генетиком Пеннетом. С помощью решетки Пеннета легче учесть все комбинации слияния мужских и женских гамет разных типов. В решетке количество столбцов и строк зависит от количества женских и му жских гамет. Если дигетерозиготы образуют 4 типа яйцеклеток и сперматозоидов, то решетка строится из четырех столбцов-строк, т. е. в этом случае она имеет 16 клеток:

Сверху над столбцами записывают типы мужских гамет, а слева в строках — типы женских гамет (иногда наоборот: сверху по горизонтали обозначают женские, а сбоку по вертикали — мужские гаметы). В каждую клетку решетки, которая расположена на перекрестии соответствующей строки и столбца, вписывают генотипы зигот.

В /*2 дигибридного скрещивания образуется 9 различных генотипов. Некоторые разные генотипы имеют одинаковое фенотипическое выражение. Например, генотипы ААВВ, АаВВ и ААВЬ фенотипически одинаковы (по доминантному признаку), поэтому на основе 9 различных генотипов формируются 4 различных фенотипических класса. Количество фенотипических классов в F2 равно количеству типов гамет у родительских гетерозигот, т. е. его также определяют по формуле Т.

Числовое соотношение фенотипических классов при скрещивании гетерозигот (или самооплодотворении) определяется по формуле (3 + 1)", где п означает число пар учитываемых признаков. Так, если при моногибридном скрещивании соотношение классов составляет 3: 1, то при дигибридном скрещивании — (3 + I)², или 9: 3: 3: 1, а при тригибридном скрещивании, соответственно, — (3 + I)³, т. е. 27: 9: 9: 9: 3: 3: 3: 1.

Пользуясь принятыми символами, исходные родительские формы, которые отличаются по двум парам альтернативных признаков, следует обозначить как ААВВ и aabb, а схему дигибридного скрещивания кратко записать следующим образом:

На схеме во втором поколении Fi рядом с числовыми коэффициентами отношения фенотипов проставлены символы генов, под контролем которых развивается данный фенотип.

Изучение наследования при дигибридном скрещивании проводится на мутантных линиях дрозофилы D. ebony (темное тело, крылатая) и D. vestigial (серое тело, зачаточные крылья), а также на горохе двух сортов, которые отличаются двумя парами альтернативных признаков.

Решение задач на дигибриднос и полигибриднос скрещивание.

В задачах на дии полигибридное скрещивание рассматривается наследование двух и более пар генов. Каждая пара генов прослеживается в отдельности, и задачи решаются так же, как и на моногибридное скрещивание, согласно менделевскому закону, по которому каждая пара признаков расщепляется независимо от других пар, комбинируясь с ними во всех возможных сочетаниях. По мере увеличения количества учитываемых пар генов расчеты в задачах усложняются.

При решении задач на дигибриднос и полигибридное скрещивание следует обращать серьезное внимание на образование гамет. При неправильном написании гамет весь ход задачи будет неверным. Надо помнить, что в зрелую половую клетку попадает гаплоидный набор генов, содержащий от каждой пары аллельных генов по одному. Гомозиготные организмы всегда производят один тип гамет, сколько бы признаков ни учитывалось. В отличие от них гетерозиготные организмы в результате свободного комбинирования генов из разных аллельных пар производят разные типы гамет.

Задача 1. У персика опушенный плод В доминирует над гладким b, а белая мякоть плода D — над желтой d.

Скрестили два гомозиготных растения персика: у одного плоды голые с белой мякотью, а у другого — опушенные с желтой мякотью. Каковы будут фенотипы F_x и F₂?

Приступая к решению задачи, определяем гаметы родительских форм. У гомозиготных родительских форм образуется по одному типу гамет, поэтому первое гибридное поколение единообразно:

Гетерозиготные по двум генам растения в результате свободного комбинирования генов из разных аллельных пар продуцируют 4 типа гамет. Женские гаметы — тоже 4 типа — сливаются с такими же мужскими гаметами в разных сочетаниях и образуют разные зиготы, которые удобнее всего определять с помощью решетки Пеннета:

На основании генотипов, полученных в 16 клетках решетки, производим расчет растений второго поколения, одинаковых по фенотипу. Получаем 4 фенотипических класса растений в определенном числовом соотношении: 9 частей с опушенными белыми плодами (B_D__), 3 части — с опушенными желтыми (B_dd), 3 части — с гладкими белыми (bbD_), 1 часть — с гладкими желтыми плодами (bbdd).

Задача 2. У душистого горошка высокий рост Т доминирует над карликовым г, зеленые бобы G — над желтыми g_y а гладкие семена R — над морщинистыми г. Какие фенотипы будут иметь F и Fj от скрещивания гомозиготного карликового зеленого морщинистого горошка с гомозиготным высоким желтым гладким горошком?

Запишем схему скрещивания родительских форм:

Родительские формы, гомозиготные по трем признакам, продуцируют по одному типу гамет tGr и TgR, поэтому Fj единообразно — TiGgRr.

Растения первого гибридного поколения образуют 8 типов гамет: TGR_y tGRy TgR, tgR, Tgr, tGr, tgr, TGr, — от свободного слияния которых возможно образование 32 генотипов. Если по генотипам подсчитать одинаковые фенотипы, то получается 8 разных классов в соотношении:

• 27 высоких зеленых гладких TGRj 9 высоких зеленых морщинистых T_Gjr
• 9 карликовых зеленых гладких ttG_Rj 9 высоких желтых гладких TjggRj 3 карликовых желтых гладких ttggRj 3 высоких желтых морщинистых Tjggrr;
• 3 карликовых зеленых морщинистых ttG_rr;
• 1 карликовый желтый морщинистый ttggrr.

Задачи такого типа можно решать другим способом, по формуле (3 — 1)". Так, в рассмотренной задаче гетсрозиготы F продуцируют 8 типов гамет, следовательно, в F₂ будет 8 таких же, как гаметы, фенотипических классов: T_G_R_y T_G_rr, UG_R_, Tj>gR_, ttggR_, Tjggrr _f ttG_rr_y ttggrr. Числовое соотношение этих классов устанавливаем по формуле (3 — I)³ = 27: 9: 9: 9: 3: 3: 3: 1.

Задача 3. Скрещены два гомозиготных растения, которые отличаются одно от другого пятью независимо наследуемыми признаками — AABBccddee и aabbCCDDEE. Какая часть растений во втором гибридном поколении будет похожа по фенотипу на исходную материнскую форму?

Записываем схему скрещивания родительских форм:

Решение этой задачи с помощью решетки Псннета практически невозможно, потому что она в этом случае очень громоздка. Первое поколение, гетерозиготное по пяти признакам, образует 32 гаметы (2⁵ = 32), поэтому решетка должна иметь 1024 клетки.

Есть другой, математический, способ решения таких задач, который основывается на законе совпадения независимых явлений: если явления независимые, то вероятность того, что они произойдут вместе, равна произведению вероятностей возникновения каждого из них.

Пять пар признаков, рассматриваемых в задаче, наследуются независимо друг друга. Согласно закону Менделя, каждая пара альтернативных признаков во втором гибридном поколении расщепляется в соотношении ¾ доминантных: ¼ рецессивных. Следовательно, вероятность того, что среди потомков F₂ два доминантных и три рецессивных признака, как у исходного материнского растения, проявятся одновременно, равна произведению —х—x-x-xi = — —. Соответственно закону больших чисел 4 4 4 4 1 1024.

этой вероятностью выражается часть особей, похожих на исходную материнскую форму по пяти признакам среди многочисленных (1024) потомков.

Задача 4. Скрещивание двух растений персика, имеющих опушенные плоды с белой мякотью, дало 28 опушенных белых, 9 опушенных желтых, 10 гладких белых и 3 гладких желтых потомка. Определить генотипы родителей. Обозначения генов и признаков те же, что и в задаче 1.

Записываем из условия задачи известные данные о родительских формах и потомках в виде генетической схемы, заменяя искомые гены черточками:

При решении задачи следует помнить, что фенотипически рецессивные особи всегда гомозиготны.

Эту задачу можно решать двумя способами. Первый способ состоит в анализе числового соотношения расщепившихся признаков в потомстве.

Рассмотрим расщепление в потомстве каждого признака в отдельности: сначала опушенности плодов, а потом окраски мякоти. В F появилось 37 плодов с опушенными и 13 с гладкими плодами. Такое числовое соотношение можно принять как 3:1, которое бывает при скрещивании двух гетерозиготных организмов. Отклонение от теоретически ожидаемого расщепления объясняется небольшим количеством особей. Следовательно, у материнской и отцовской родительских форм признак опушенности плодов находится в гетерозиготе — ВЬ. Признак окраски мякоти плодов в потомстве расщепился так: 38 белых и 12 желтых, т. е. также 3:1, что указывает на гетерозиготность родителей и по второму признаку — Dd

Вторым способом эту задачу можно решить по рецессивным потомкам (гладкие белые), генотипы которых обязательно гомозиготны — bbdd. Они получили по одному гену от каждого родителя. Подставляя над черточками родительских генотипов установленные гены b и d, получим ответ:

Ко второму способу приходится обязательно прибегать при решении задач, в условиях которых потомство малочисленно и расщепление признаков значительно отклоняется от классических числовых соотношений.

Эшми же способами решаются анаюгичные задачи на тригибридное скрещивание.

Задача 5. Высокое растение душистого горошка с желтыми круглыми семенами скрестили с карликовым растешем, у которого зеленые круглые семена. Это дало 58 высоких зеленых круглых, 61 высоких желтых круглых, 62 карликовых зеленых круглых, 59 карликовых желтых круглых, 19 высоких зеленых морщинистых, 20 высоких желтых морщинистых, 21 карликовых зеленых морщинистых и 20 карликовых желтых морщинистых потомков. Определить генотипы родителей.

Обозначаем гены: Т- высокий, / - карликовый, G — зеленые, g — желтые, Я — круглые, г — морщинистые.

Как и в предыдущей задаче, рассматриваем расщепление по каждому признаку: по росту, окраске, форме плодов.

В потомстве появилось 158 (58 + 61 + 19 + 20) высоких и 162 (62 + 59 + + 21 +20) карликовых растений. Соотношение близко к 1: 1, которое бывает при скрещивании гетерозиготы с рецессивной гомозиготой. Следовательно, высокая родительская форма гетерозиготна по этому признаку. По цвету плодов в потомстве появилось 219 (58 + 62 + 59 + 19 + 21) зеленых и 101 (59 + 21 +20) желтых растений. Соотношение 219: 101 сильно отклоняется от классических соотношений 3: 1 и 1: 1, поэтому генотипы родительских форм по окраске плодов можно определить вторым способом, исходя из количества рецессивных особей (gg) в потомстве, указывающих на наличие гена g у обоих родителей. Третий признак расщепился в соотношении 240 (58 + 61 + 62 + 59) круглых и 80 (19 + 20 + 21 + 20) морщинистых плодов, т. е. четкое соотношение 3: 1, а это значит, что родительские формы по этому признаку гетерозиготны. Ставим над черточками обозначения найденных генов. В результате мы определили генотипы родителей:

Женский организм — высокие растения с желтыми круглыми семенами, мужской — карликовые растения с зелеными круглыми семенами.