УДК 631.52(075.8) :
ББК41.3я73
Г 34
Авторы: академик РАСХН, доктор биологических наук, профессор А. А. Жу-
ченко, доктор биологических наук, профессор Ю. Л. Гужов, доктор
биологических наук, профессор В. А. Пухальский, доктор биологических наук, профессор
А. В. Смиряев, кандидат биологических наук, доцент Л. И. Долгодворова,
кандидат биологических наук, доцент С. В. Иванова, кандидат биологических наук,
доцент Н. А. Корябин, кандидат биологических наук С. В. Клицов, кандидат
биологических наук А. А. Соловьев
Рецензенты: академик РАН, доктор биологических наук, профессор С. В. Шес-
таков (зав. кафедрой генетики МГУ); доктор биологических наук, профессор
М. М. Асланян (кафедра генетики МГУ); доктор биологических наук, профессор
С. А. Гостимский (кафедра генетики МГУ)
Редактор И. А. Фролова
Генетика/А. А. Жученко, Ю. Л. Гужов, В. А. Пухальский и
Г 34 др.; Под ред. А. А. Жученко. — М.: КолосС, 2004. — 480 с: ил. —
(Учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб.
заведений).
18ВЫ 5-9532-0069-2.
Учебное пособие написано в соответствии с программой курса генетики
для агрономических специальностей сельскохозяйственных вузов.
На уровне современных знаний изложены вопросы цитологических и
молекулярных основ наследственности, генетические закономерности
внутривидовой и отдаленной гибридизации, хромосомная теория и
нехромосомная наследственность. В главах, посвященных гетероплоидии, мутагенезу,
гетерозису, значительное внимание уделено практическому использованию
достижений генетики в селекции растений. Рассмотрены вопросы
онтогенетической адаптации и реализации генетической программы
индивидуального развития, механизмы и роль рекомбинаций в эволюции и селекции
растений, основные понятия и факторы генетического состава популяций.
Для студентов высших учебных заведений по агрономическим
специальностям.
Учебное издание удК 631.52(075.8)
Жученко Александр Александрович, Гужов Юрий ШЖ. 41.3я73
Леонидович, Пухальский Виталий Анатольевич и др.
ГЕНЕТИКА
Учебное пособие для вузов
Технический редактор М.А. Шуйская
Компьютерная верстка //. Н. Лопашовой. Корректор Г. Д. Кузнецова
Подписано в печать 22.04.04. Формат 60 х 88У16.
Бумага офсетная. Гарнитура Ньютон. Печать офсетная.
Усл. печ. л. 27,9. Уч.-изд. л. 31,98. Изд. № 09. Доп. тираж 3000 экз.
Заказ № 1371
ООО «Издательство «КолосС*, 101000, Москва, ул. Мясницкая, д. 17.
Почтовый адрес: 129090, Москва, Астраханский пер., д 8
Тел. (095) 280-99-86, тел./факс (095) 280-14-63, е-таП: ко1о55@ко1о55.ш,
наш сайт: \"/у™.ко1о5$.ги
Отпечатано с готовых диапозитивов
в ГУП РМЭ «Марийс.кий полиграфическо-издательский комбинат»,
424000, г. Йошкар-Ола, ул. Комсомольская, 112
13ВМ 5-9532-0069-2
9 "У85953"200691"
13ВК 5-9532-0069-2
© Коллектив авторов, 2003
© Коллектив авторов, 2004
Глава 1
ЦИТОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
НАСЛЕДСТВЕННОСТИ
1.1 КЛЕТОЧНОЕ СТРОЕНИЕ ОРГАНИЗМОВ
Первые сведения о том, что живые организмы состоят из клеток,
появились в XVII в. в работах А. Левенгука (1665). Однако теория
клеточного строения организмов была разработана значительно
позднее. Возникновение ее связывают с именами М. Я. Шлейдена
(1838) и Т. Шванна (1839), но окончательное оформление этой
теории следует отнести к 1858 г., когда Р. Вирхов сформулировал
принцип: «каждая клетка из клетки». Развитие клеточной теории
было обусловлено совершенствованием методов изучения клеток, в
первую очередь модернизацией микроскопа — прибора,
позволившего не только «открыть» клетку (световой микроскоп), но и
детально разобраться в ее строении (электронный микроскоп).
Было установлено, что существует два типа живых организмов,
имеющих клеточное строение.
Первый тип — прокариоты (предъядерпые). К ним относятся
бактерии, включая цианобактерий. Размеры бактерий
(бактериальных клеток) варьируют от 0,2 до 10 мкм. По форме они
подразделяются на сферические (кокки), палочковидные, некоторые
из которых извиты спирально (спириллы), и нитевидные.
Основные особенности прокариотической клетки — се простая
структура и, что очень важно, отсутствие ядра. Как правило,
единственная хромосома (генофор) представляет собой молекулу ДНК, не
связанную с каким-либо белком. В генетических исследованиях
из бактерий чаще всего используют кишечную палочку (Езскеп-
сЫа сой) и возбудителя бактериальной пневмонии (Рпеитососсш
рпеитотаё).
Бактериям свойственно прямое деление клетки, которое
происходит после редупликации хромосомы.
Второй тип живых организмов — эукариоты (собственно
ядерные). К ним относятся как одноклеточные, так и многоклеточные
организмы. В генетических исследованиях из одноклеточных
чаще всего используют дрожжи (8ассНаготусез сегеушае),
инфузорию (Раттесшт аигеНа) и водоросль хламидомонаду (СЫатуйо-
топаз гетНагёи); из грибов — Иеигохрога сгажа и АезрещИш пШШат.
Из растений к классическим генетическим объектам следует
отнести горох (Ршт зайшт), кукурузу (2еа тауз) и арабидопсис
. : 3

(АгаЫйорт 1каНапа). Много важных исследований выполнено и на
других сельскохозяйственных и декоративных культурах. Из
древесных пород абсолютное первенство по использованию в
генетических экспериментах принадлежит различным видам хвойных.
Из насекомых классическим объектом генетических
исследований следует признать плодовую мушку (БгозорННа теШпо^азгег), а
из животных — домовую мышь (Мш тизсШиз).
1.1.1. СТРОЕНИЕ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ
Растительная клетка, как и животная, имеет очень сложное
строение (рис. 1.1). Ее основные компоненты — оболочка,
цитоплазма и ядро.
Оболочка меристематической клетки (первичная оболочка)
состоит из гемицеллюлозы и фибрилл целлюлозы. Оболочки двух
смежных меристематических клеток плотно соединены тонким
слоем пектинового межклеточного вещества. Первичные
оболочки соседних клеток вместе с межклеточным веществом образуют
трехслойную клеточную стенку толщиной 0,5—1 мкм. В процессе
дифференциации клетки оболочка постепенно утолщается за счет
вторичных отложений.
Оболочка растительной клетки имеет
поры, через которые из клетки в
клетку проходят цитоплазмати-
ческие тяжи (плазмодесмы),
соединяющие протопласты двух
соседних клеток.
Цитоплазма состоит из
полужидкой массы и органоидов. К
последним в растительной
клетке прежде всего следует отнести
рибосомы, митохондрии, аппарат
Гольджи, пластиды и вакуоли.
Рибосомы участвуют в
синтезе белка. У всех
растительных и животных организ-
Рис. 1.1. Схема строения растительной
клетки:
1—2 — стенки клетки; 3—пора в оболочке;
4 — оболочка ядра; 5 — эндоплазматическая
сеть; б— аппарат Гольджи; 7— ядро с
ядрышком; 8 — пропластида; 9 — жировые капли
(капли жира); 10 — вакуоль; 11 —
крахмальное зерно; 12— хлоропласт; 13 —
митохондрия (Атабекова А. И., Устинова Е. И.
Цитология растений. — М., 1967. — С. 15)
мов они построены одинаково и выполняют идентичную
функцию. В состав рибосомы входят четыре молекулы РНК,
различающиеся по длине (120—5 000 нуклеотидов), и рибосомные
белки. Число рибосом в клетке, как правило, чрезвычайно
велико (до 107).
Митохондрии, основная функция которых связана с
синтезом АТФ (аденозинтри фосфат), представляют собой чаще
всего гранулы, реже нитевидные образования. Длина
гранулярных митохондрий 0,5—7 мкм, нитевидных — может достигать
60 мкм. Митохондрии состоят из наружной и внутренней
мембран, а также внутренних гребней — крист. В состав
митохондрий входят липопротеиды и нуклеиновые кислоты (ДНК,
РНК). ДНК митохондрий по своему строению напоминает
ДНК прокариот.
Аппарат Гольджи в клочках животных и человека
известен с 1898 г., а в растительных клетках был обнаружен только в
1957 г. Бюва и Портером. Он выполняет секреторные функции, а в
растительной клетке участвует и и построении клеточной
перегородки при делении клетки, вырабатывая полисахариды матрик-
са. Тонкое строение аппарата Гольджи представляет собой
систему уплощенных цистерн, небольших пузырьков и вакуолей,
ограниченных мембранами.
Пластиды — органеллы, наличие которых служит одним из
основных отличий растительной клетки от животной. К ним
относятся хлоропласты, лейкопласты и хромопласты. Пластиды
осуществляют функции фотосинтеза (х/ю/юпласты), синтеза крахмала
из Сахаров (лейкопласты) и каротипоидов каротина и ксантофилла
(хромопласты). Цепочку образования различных пластид можно
представить следующим образом:
Пропластида -> Лейкопласт —> Хлоропласт - > Хромопласт.
Онтогенез хлоропластов идет па свечу и в темноте
по-разному (рис. 1.2). Генетическая система хлоропластов
представлена молекулами ДНК, которые в отличие от ядерных не
образуют комплексов с гистонами. В хлоропластах выявлены все
типы РНК и рибосомы, участвующие в синтезе хлоропластных
белков.
Ядро почти у всех растительных клеток имеет сферическую
форму и состоит из кариолимфы (ядерного сока), ядерного
белкового матрикса, хромосом и ядерной оболочки. У растений ядро
клетки включает также небольшое сферическое тельце,
получившее название ядрышка. У некоторых видов растений в ядрах
клеток имеется несколько ядрышек. Диаметр ядра у высших
организмов обычно составляет 10...30 мкм. Основная масса ядра (~80 %)

5 мкм
Рис. 1.2. Онтогенез хлоропласта:
1 -инициальная частаца; 2- выпячивание внутренней мембраны; 3- крахмальное зерно-
4 -образование внутренней ламеллярной системы; 5-грана; 6-ламелла; 7-пластида с
множеством пузырьков, образованных из выпячиваний внутренней мембраны- 8- проламел-
лярное тело; 9- образование ламелл ; Ю- полностью сформированный хлоропласт// -
капельки жира (Мюлеталер и Фрей-Висслинг из кн.: Атабекова А. И , Устинова Е И' Питало
гая растений. - М., 1980. -С. 81) ' '
состоит из комплекса нуклеиновых кислот с
низкомолекулярными белками (гистонами). Комплекс носит название нуклеопроте-
ида, или нуклеогистона. В ядре есть и другие
высокомолекулярные белки, связанные в комплекс с гистонами (липопротеиды)
или с нуклеогистонами.
1.1.2. ХРОМОСОМЫ, ИХ ТИПЫ И СТРОЕНИЕ
Наиболее важные компоненты ядра — хромосомы. Они играют
ведущую роль в явлениях наследственности. Хромосомы хорошо
видны под световым микроскопом в момент деления клетки.
Хромосомы ядра неделящейся клетки не видны, поскольку они декон-
денсированы. В то же время показано, что чем выше степень декон-
денсации хромосом, тем активнее протекают метаболические
процессы в самом ядре. Морфологически хромосомы растений чаще
всего имеют нитевидную или палочкообразную форму.
Большинство хромосом разделено первичной перетяжкой на
два плеча. Под микроскопом первичная перетяжка представлена
светлой (неокрашенной) зоной, получившей название
центромеры, которая играет основную роль в перемещении хромосом при
делении ядра. Центромера занимает на каждой из хромосом
строго определенное место. По положению центромеры хромосомы
делят на метацентрические (приблизительно равноплечие), суб-
метацентрические (неравноплечие) и акроцентрические (головчатые),
у которых центромера сдвинута к одному из концов (рис. 1.3). У
некоторых хромосом имеется и вторичная перетяжка. Она, как
правило, располагается у дистального конца хромосомы и отделяет
небольшой ее участок, носящий название спутника. Вторичная
перетяжка не участвует в движении хромосом при делении ядра. Она
получила название ядрышкового организатора, поскольку в месте ее
локализации происходит образование ядрышка. Концевые участки
хромосомы называют теломерными. Они препятствуют ее
соединению с другими хромосомами.
Каждому из населяющих нашу планету видов растений и
животных свойствено строго определенное число хромосом,
обозначаемое 2л (диплоидный набор) (табл. 1.1). В половых клетках
число хромосом в два раза меньше и равно л (гаплоидный набор).
В соматических клетках организма каждая хромосома имеет
пару, идентичную как морфологически (рис. 1.4), так и
генетически (гомологичные хромосомы). Исключение из этого правила
составляют половые хромосомы у гетерогаметиых особей.
Специфический для определенного вида по числу и структуре набор
хромосом получил название кариотипа (рис. 1.5)
1 2
Рис. 1.3. Формы хромосом на стадии метафазы (схема):
/, 6— равноплечие; 2, 3 — неравноплечие; 4, 5—головчатые (Левитский из кн.: Пет-
:\1 д, ров Д. Ф. Генетика с основами селекции. — М., 1976. — С. 29)

1.1. Диплоидный набор хромосом некоторых видов растений
Вид
Число хромосом (2«)
Пшеница мягкая (ТпИсит аезпуит)
Пшеница твердая (ТгШсит ёигит)
Ячмень (НоЫеит уи1§аге)
Рожь {8еса1е сегеак)
Овес (Ауепа зайуа)
Кукуруза (2еа тауз)
Рис (Огуза зайуа)
Горох (Пзит заНуит)
Бобы конские (Ута/аЬа)
Соя (О1усте ЫзрШа)
Арабидопсис (АтЫйорт {каНапа)
Люпин узколистный (Ьиртиз ап^изН/оИиз)
Люпин белый (Ьиртиз а1Ьиз)
Люпин желтый (Ьиртиз 1и(еиз)
Картофель (5о1апит ШЬегозит)
Лук (АШит сера)
Свекла (Ве(а уи1%апз)
Подсолнечник (НеНаШкиз аппииз\
Топинамбур (НеНапЛиз ШЬегозиз)
Верба белая (ЗаИх а1Ьа)
Люцерна (МесИса§о за1па)
42
28
14
14
42
20
24
14
12
40
10
40
50
52
48
16
18
34
102
72
32
Графическое изображение кариотипа, показывающее его
структурные особенности (рис. 1.6), называется идиограммой. В
последние годы получил распространение метод дифференциального
окрашивания хромосом. При этом на каждой из хромосом
прокрашиваются специфические, характерные для нее полосы (бэнды), что
значительно облегчает идентификацию отдельных хромосом
кариотипа (рис. 1.7). Хромосомы, определяющие пол особи, называют
половыми хромосомами, а все остальные — аутосомами.
Внутреннее строение хромосом чрезвычайно сложно. По
химическому составу они на 40 % состоят из ДНК и на 60 % из
белков, в среднем около 60 % из которых приходится на гисто-
ны. Строение метафазной хромосомы при исследовании с
помощью светового микроскопа представляется следующим образом
(рис. 1.8). Каждая хромосома состоит из двух хроматид,
спирально закрученных и располагающихся параллельно оси
хромосомы. Для прокрашивающихся в интерфазном ядре участков
хромосом используют термин «хромонема» — красящаяся нить.
Утолщения на хромонемах получили название хромомер.
Особенность вышеописанного строения хромосом зависит от
уровня компактизации хроматина (комплекс ДНК с гистонами),
который меняется при переходе от интерфазного состояния хро-
Рис. 1.4. Диплоидный набор мета-
фазных хромосом в клетке СгерЬ са-
рИагк (2п = 6). Одинаковыми
буквами помечены гомологичные
хромосомы (Лобашев М. Е. Генетика. — Л.,
1967. - С. 60)
Рис. 1.5. Хромосомы твердой
пшеницы сорта Каппели на стадии метафазы
! В. АпаНы сапойрка (И Т. йигит
Г. уаг. СарреН//СепеМса Аргала. —
1964.-Уо1. 19.-Р. 177)
10
9
8
42
1
I
I
5 6 7 8 9
Хромосомы
10 11 12 13 14
Рис. 1.6. Идиограмма хромосом твердой пшеницы сорта Каппели (Сюг^! В. Ала1ш
сапойрка <Н Т. йигит Бе«Г. уаг. СарреН//Сепейса А^гат. — 1964. — Уо1.19. —
Р. 177)

Рис. 1.7. Дифференциально окрашенные хромосомы вида ТгШсит Лигит (фото
любезно предоставлено Е. Д. Бадаевой)
Рис. 1.8. Схема строения хромосомы:
а— эухроматиновые участки; 6—
гетерохроматиновые участки; 1 — хроматиды; 2 — хро-
момеры; 3 — матрикс; 4— центромера; 5—
ядрышко; 6— спутник (рис. из кн.: Атабе-
коваА. И., Устинова Е. И. Цитология
растений. - М., 1971.-С. 72)
1-4 2-
Рис. 1.9. Схема различных уровней компактизации хроматина:
1 — нуклеосомный; 2 — нуклеомерный; 3 — хромомер, петлевой домен; 4 — хроматида (Чен-
цов Ю. С. Общая цитология. - М., 1995. — С. 129)
мосом к метафазному. Процесс компактизации хроматина
проходит следующие уровни (рис. 1.9).
Первый, получивший название нукяеосомного, определяет
скручивание ДНК по поверхности гистоновой сердцевины. Второй —
объединение нескольких нуклеосом (до 10) в бусину — называется
нуклеомерный. Третий уровень — объединение скрепками из негис-
тоновых белков фибрилл дезоксирибонуклеопротеида в петлевой
домен, называемый хромомером. Четвертый — образование хромо-
нем. Далее, по-видимому, хромонема укладывается в виде спирали
в хроматиде, хотя весьма вероятно, что это еще один уровень —
«петлистых структур».
1.2. ДЕЛЕНИЕ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ
Деление растительной клетки начинается с деления ядра.
Деление ядра соматической клетки носит название митоза
(рис. 1.10). Он протекает в меристсматических тканях. В
результате этого деления из одной клетки образуются две дочерние с
тем же числом хромосом, что и у родительской клетки. Между
двумя клеточными делениями проходит определенный период
времени, в течение которого клетка, рассматриваемая под
микроскопом, как бы находится в состоянии видимого покоя
{интерфазы). Одна-ко это только внешнее впечатление, поскольку в
клетке на молекулярном уровне интенсивно протекают
процессы, подготавливающие вновь образовавшуюся клетку к новому
делению. Период от окончания одного митоза до окончания
следующего получил название клеточного цикла (рис. 1.11). Он
включает следующие периоды.
11

. .4
■ '•* '.
'*
,:' *
■ !
а
ю
щ
а
я
*=«.■':•:■'■"■■: ;■: -я**.-!^?--^-» :/.•.-.;.■■■■•'■,.■•". ,-1..7..
Пресинтетический (С^в течение
которого продолжается рост клеток,
синтезируются специфические
белки и РНК.
Синтетический (8), который
характеризуется синтезом ДНК (ее
количество в клетке удваивается) и гис-
тонов. Удвоение содержания ДНК
связано с репликацией хромосом. В
результате в конце этого периода
каждая хромосома состоит из двух
хроматид.
Постсинтетический (С2),
который характеризуется накоплением
некоторых веществ и энергии,
необходимых для протекания митоза. В
этот период начинаются процессы
конденсации хромосом. Перед
последующим в митозе расхождением
в дочерние клетки хромосомы по-
Рис. 1.11. Клеточный цикл
(оригинал автора)
степенно переходят в метаболически неактивное состояние.
Митоз, в свою очередь, подразделяется на следующие фазы.
Профаза, на протяжении которой продолжается процесс
конденсации хроматина, в результате чего хромосомы становятся
видимыми под световым микроскопом, и происходит процесс
разрушения ядрышка.
Метафаза, к началу которой ядерная оболочка
разрушается, а хромосомы достигают максимального уровня конденсации.
В это же время образуется веретено деления, состоящее из пучков
протеиновых нитей, идущих от полюса к полюсу (опорные) и от
полюсов к центромерам хромосом (тянущие). В результате
хромосомы располагаются перпендикулярно к нитям веретена на
равном удалении от полюсов, образуя метафазную пластинку.
Анафаза, во время которой центромеры, удерживающие
сестринские хроматиды, делятся в продольном направлении и хрома-
тиды (теперь это самостоятельные хромосомы) под действием
тянущих нитей веретена начинают движение к полюсам. Деление
центромер происходит синхронно. К концу анафазы в экваториальной
плоскости клетки на опорных нитях веретена образуются
небольшие узелки, которые в дальнейшем (по завершению телофазы)
сливаются и дают начало клеточной перегородке.
Телофаза — заключительная фаза митоза. Вэтовремя
начинается деконденсация хромосом, формируются ядрышки и
ядерная оболочка.
Продолжительность каждого из периодов клеточного цикла
зависит от типа клеток, в которых происходит митоз. Так, по
данным К. Свенсона и П. Уэбстера, в кончиках боковых корешков
,' •"■■■■■■■' .-■.; ; '■■.".. 13

конских бобов (Ута/аЬа) средняя продолжительность клеточного
цикла в меристематических клетках при 22 °С составляла 14 ч:
период Су продолжался 2,5 ч; 8— 6 ч; (72 — 3,5 ч и собственно
митоз — 2 ч.
Все процессы, протекающие в период клеточного цикла и в
митозе, контролируются определенными генами. Мутации этих
генов, как было показано в опытах на дрожжах и других низших
эукариотах, приводят к нарушению клеточного цикла на разных
его этапах.
Митоз свойственен всем эукариотам. Его биологическое
значение заключается в том, что в результате этого процесса все
дочерние клетки имеют одинаковое с родительской число хромосом.
Индивидуальность хромосом полностью сохраняется. В этом
состоит и генетическое значение митоза, поскольку каждая из
возникающих в результате деления клеток несет полный набор генов,
свойственных инициальной клетке. Последнее очень важно при
все более широком внедрении в практику биотехнологических
методов, благодаря которым из отдельных соматических клеток
развиваются нормальные фертильные растения.
1.2.1. ОТКЛОНЕНИЯ ОТ ТИПИЧНОГО ПРОТЕКАНИЯ
МИТОЗА
Помимо митоза существуют еще два типа деления ядра
соматических клеток: эндомитоз и амитоз.
Эндомитоз. При этом типе деления ядерная оболочка не
распадается. Редупликация хромосом происходит так же, как и при
митозе. В результате многократно возрастают число хромосом
в ядре и размеры самого ядра. Эндомитоз впервые был описан
в клетках тапетума шпината (Зртааа заЦуа), а затем обнаружен
в антиподах семейств сложноцветных (А81егасеае) и лютиковых
(Капипсшасеае).
Амитоз, или прямое деление ядра. При амитозе ядро делится
на две части перетяжкой. Затем происходит деление
цитоплазмы клетки и возникает клеточная перегородка. Амитотическое
деление приводит к неравномерному распределению ДНК в
дочерних клетках. Амитоз свойственен, как правило,
дифференцированным клеткам, таким как клетки стенок завязи, крах-
малообразующие клетки клубней картофеля, клетки
перисперма и др.
Политения. Ее можно рассматривать как частный случай эн-
домитоза. При политении образуются гигантские хромосомы за
счет многократной редупликации хроматид, но без разделения
центромеры. При этом степень конденсации хроматид ниже,
чем у митотических хромосом. Многочисленные хроматиды
плотно прилегают друг к другу, их хромомеры образуют
поперечные диски и пуффы (рис. 1.12). Впервые политенные хромосо-
14 - ■ -■:■ ■•■■■■ ■■■:■.[. .-■ .■/.. .■'.-
.V- •:' ' ..- \., '<■''"" ''''
л} \:> " у
Г™С1 Политенные хромосомы из клеток слюнных желез ОгозоркИа теЫпоеШег
(Лефевр, из кн.: Айала Ф., КайгерДж. Современная генетика. — М 1987 —
Т. 1.-С. 146)
мы были обнаружены в слюнных железах личинки комара, а
затем в ядрах эндосперма и антипод различных семейств
растений.
1.3. МЕЙОЗ
{. 5,!;"' ■
Мейоз, или редукционное деление, — особый тип деления
клеток, характерный только для спорогенных тканей. При этом число
хромосом в дочерних клетках уменьшается вдвое, т. е. происходит
редукция числа хромосом. Мейозу предшествует интерфаза,
которая аналогична таковой при митозе. В 5-период интерфазы
происходит редупликация хромосом, поэтому хромосомы,
вступающие в процесс мейотического деления, состоят из двух
хроматид. Мейоз (рис. 1.13) состоит из двух ядерных делений, которые
следуют одно за другим. При первом делении (мейоз I)
происходит редукция числа хромосом, т. е. число хромосом в клетке
уменьшается в два раза. Второе деление (мейоз II) протекает по
типу митоза. Как и митоз, первое и второе деления мейоза
подразделяют на следующие фазы: профаза, метафаза, анафаза и тело-
фаза. Соответственно эти фазы обозначают: метафаза I метафаза II
анафаза I и т. д. -±-1
.л. ■■■■; .- 15

I
н
I
2
X
а
о
а.
2
ев
ё
<
1
&
а
мейоз
5
гп
М е й о з I начинается с профазы I. Это наиболее
продолжительная фаза мейоза, которая, в свою очередь, подразделяется на
стадии лептотена, зиготена, пахитена, диплотена и диакинез.
На стадии лептотены в ядре появляются слабоспира-
лизованные хромосомы. Постепенно они приобретают
нитевидную форму.
Зиготена начинается с постепенного попарного
соединения (конъюгации, синапсиса) по длине параллельно уложенных
гомологичных хромосом. Соединенные попарно хромосомы
образуют биваленты. В связи с тем что перед началом мейоза произошла
редупликация хромосом, каждый бивалент состоит из четырех
хроматид. Функцию синапсиса выполняет синаптонемный
комплекс (СК)— белковое образование (рис. 1.14), входящее в состав
бивалента и имеющее вид трехслойной ленты, располагающейся
между конъюгирующими хромосомами. СК формируется
постепенно по принципу застежки-молнии на протяжении всей стадии зи-
готены. Образование бивалентов создает предпосылки для
возможности обмена гомологичными участками между
гомологичными хромосомами (кроссинговера), что представляет важное
генетическое событие. В то же время продолжается процесс
конденсации хромосом.
Пахитена — это стадия, на которой СК сформирован по
всей длине хромосом (стадия стабильного синапсиса). Она
характеризуется продолжающимся утолщением хромосом в результате
непрерывной конденсации хроматина. 11а этой стадии происходит
обмен гомологичными участками хроматид (кроссинговер) и, как
следствие, рекомбинация сцепленных генов.
На следующей за пахитепой стадии, получившей название
диплотены, продолжается конденсация хромосом, но при
этом начинается процесс расхождения гомологичных хромосом,
которые удерживаются в точках обмена участками, возникшими
при кроссинговере. Они получили название хиазм (рис. 1.15).
Диакинез — последняя стадия профазы I. Она
характеризуется максимальной конденсацией хромосом. Исчезает ядрышко, а
биваленты располагаются по периферии ядра. При этом
гомологичные хромосомы удерживаются в составе бивалентов благодаря
хиазмам.
Далее следует метафаза I. Ее началу соответствует распад
оболочки ядра и формирование веретена деления. Биваленты
располагаются в экваториальной плоскости.
Анафаза I— стадия, на которой гомологичные хромосомы
расходятся к полюсам. В результате число хромосом во вновь
образующейся клетке (п) будет в два раза меньше, чем в
родительской (2и). В этом отличие анафазы I мейоза от анафазы
митоза.
Окончательное расхождение хромосом к полюсам
свидетельствует о том, что началась телофаза I.
■т,

1 мкм
Рис. 1.14. Синаптонемный комплекс (СК):
а- вид под электронным микроскопом; 6~схема; й-модель; /-хроматин; 2 —осевой
элемент; .7- боковые элементы (Ченцов Ю. С. Общая цитология. — М., 1995. - С. 381)
Б В Г
Рис. 1.15. Типы хиазм:
А — одиночная хиазма; Б — две хиазмы, затрагивающие пару хроматид; В — две хиазмы,
связывающие три хроматиды; Г—две хиазмы, связывающие все четыре хроматиды (Айала Ф., Кай-
гер Дж. Современная генетика. — М., 1987. — Т. 1. — С. 30)
За ней у ряда видов следует очень короткий интеркинез, во время
которого синтез ДНК и редупликация хромосом не происходят, и
начинается второе деление мейоза (м е й о з П). В этом случае
хромосомы не деконденсируются. Однако у некоторых видов растений
интерфаза между первым и вторым делением мейоза продолжается
довольно долго. В этом случае хромосомы деконденсируются,
образуются два ядра, разделенные клеточной перегородкой (диадамикро-
ют макроспор). Второе деление мейоза протекает довольно быстро
по типу обычного митоза, но уже и клетках с гаплоидным числом
хромосом. В тех случаях, когда интерфаза короткая, профаза
//выпадает и второе деление начинается с метафазы II, во время
которой происходит образование веретена деления и хромосомы
располагаются в экваториальной плоскости. В анафазе //центромеры
делятся и начинается расхождение хроматид к полюсам, которое
заканчивается на стадии телофазы II На этой стадии происходит
полная деконденсация хроматина, образуются ядра и клеточные
перегородки. В конечном итоге, и результате мейоза образуется
4 клетки {микро- или макроспоры), каждая из которых содержит в
ядре гаплоидное (я) число хромосом.
5 1.3.1. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ МЕЙОЗА
В генотипе каждого растения присутствует большое число
генов, контролирующих прохождение различных фаз мейоза. Их
описание стало возможным при обнаружении мутантных форм с
нарушенным мейозом. Такие мутаптпые формы были найдены у
кукурузы (табл. 1.2), томата, ржи, гороха и других культур. Они
получили название тег-мутантов.
Мутации отдельного гена могут иметь плеотропный эффект,
т.е. нарушаются одновременно несколько идущих друг за другом
мейотических событий. Например, у кукурузы обнаружен мутант а/а1
(аЬзепсе оГ 1пе йгй ёгазюп), у которого выявлены следующие
нарушения в первом и втором делениях мейоза: в профазе I отсутствует
конъюгация гомологичных хромосом, в анафазе I происходит
деление центромеры и к полюсам отходит по 20 хроматид вместо 10
гомологичных хромосом, что вызывает аномальное расхождение
хроматид в анафазе II. В результате образуются многоядерные тетрады.
19

1.2 Мейотические мутанты кукурузы* (по Голубовской, 1989)
Цитогенетический эффект отет'-гена
Ген
Хромосомная
локализация
Замена мейотического деления на митотическое
Замена первого деления мейоза на митоз
Слипание хромосом
Десинапсис хромосом
Аномальная хромосомная сегрегация
Нарушения второго деления мейоза
Нарушенный цитокинез
Множественный митоз в процессе формирования
пыльцевого зерна
ат
а/а
51
ёу
йу
е/
\а
ро
6Ь
45
-
55
81
71
65
' Ь—длинное плечо хромосомы, 5—короткое плечо хромосомы.
1.3.2. ГЕНЕТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ МЕЙОЗА
Генетическое значение мейоза состоит, во-первых, в том, что в
результате редукционного деления половые клетки эукариот
получают гаплоидный (я) набор хромосом. После слияния в результате
оплодотворения половых клеток образуется зигота, несущая
диплоидный набор хромосом (2л), свойственный особям данного
вида. Во-вторых, материнские клетки пыльцы или микроспор
содержат наборы хромосом, попавшие к ним в процессе оплодотворения
от отцовской и материнской особей. В процессе анафазы I каждая
материнская и отцовская хромосома имеют равновероятные
возможности отойти к тому или иному полюсу. Вероятность того, что
к одному полюсу отойдут только материнские хромосомы, а к
другому только отцовские, чрезвычайно мала и составляет (1/2)""1, где
п — гаплоидный набор хромосом. В результате образовавшиеся
гаметы содержат новое сочетание генов по сравнению с гаметами,
давшими начало данному организму. И в-третьих, благодаря
процессу кроссинговера при мейозе возможность перекомбинации
генов в образующихся гаметах практически бесконечна.
1.4. МИКРОСПОРОГЕНЕЗ И РАЗВИТИЕ
МУЖСКОГО ГАМЕТОФИТА
На ранних этапах развития конуса нарастания происходит
заложение тычиночных бугорков. В дальнейшем из верхней части
этих бугорков развивается пыльник, а из нижней — тычиночная
нить. Вначале в четырех участках пыльника образуются крупные
клетки мужского археспория с большими ядрами и густой цитоп-
20
лазмой. Затем археспориальные клетки делятся путем мейоза и
образуется тетрада микроспор, четыре клетки которой окружены
общей оболочкой. После чего начинается процесс образования
пыльцы, или микрогаметогенез. Оболочка, окружающая тетраду
микроспор, распадается. Вокруг каждой микроспоры постепенно
образуется по две оболочки: внутренняя (интина) и наружная (экзи-
на). Ядро переходит из центра к периферии клетки. Затем ядро
делится по типу митоза и образуются две клетки: вегетативная
(большая) и генеративная (малая). Далее происходит
митотическое деление ядра генеративной клетки и образуются два спермия.
На этом заканчивается образование мужского гаметофита
(пыльцевого зерна, состоящего из вегетативной клетки и двух сперми-
ев — мужских гамет).
1.5. МЕГАСПОРОГЕНЕЗ И РАЗВИТИЕ
ЖЕНСКОГО ГАМЕТОФИТА
В завязи пестика образуется семяпочка. Вначале появляется
небольшой бугорок, который быстро увеличивается в размерах. Из
верхней части бугорка образуется тело семяпочки (нуцеллус), а из
нижней — ножка семяпочки (фуникулюс). По бокам нуцеллуса
возникают специфические образования — покровы семяпочки,
называемые интегументами. Они не срастаются на верхушке
семяпочки и образуют пыльцевход (микропиле) (рис. 1.16).
В дальнейшем в субэпидермальном слое закладывается крупная
археспориальная клетка (у некоторых растений закладывается
несколько таких клеток), которая затем претерпевает деление пугем
мейоза. В результате образуется тетрада мегаспор (макроспор),
характерным признаком которой является линейное расположение
мегаспор, определяющееся расположением веретен деления при
первом и втором делении. В дальнейшем происходит дегенерация
трех мегаспор, в результате остается одна. Ядро этой клетки делится
путем митоза, и образуется двухьядерный зародышевый мешок. При
этом ядра отходят к полюсам клетки, а цитоплазма перегородкой не
делится. Далее происходят еще дна митотических деления ядер
зародышевого мешка и последовательно образуются четырехъядерныи
и восьмиядерный зародышевые мешки. В восьмиядерном
зародышевом мешке у каждого полюса, т. е. на микропилярном и халазаль-
ном его концах, располагаются по четыре ядра.
Затем от каждого полюса по одному ядру отходит к центру
зародышевого мешка, где они обычно сливаются, образуя
центральное ядро зародышевого мешка. В этом случае в центральном ядре
зародышевого мешка число хромосом равно 2п, тогда как в других
его образованиях оно равно п. Затем происходит образование
клеток на противоположных концах зародышевого мешка. У микро-
пилярного конца формируется яйцевой аппарат: яйцеклетка и две
21

Рис. 1.16. Развитие зародышевого мешка РоИдапит-тжа у покрытосеменных растений:
1 — материнская клетка мегаспоры; 2 — метафаза I; 3 — интеркинез; 4 — метафаза И; 5 —
тетрада мегаспор; 6—И — деление ядер мегаспоры; 12— сформировавшийся зародышевый
мешок (Шарп, из кн.: Петров Д. Ф. Генетика с основами селекции. — М., 1976. — С. 46)
синергиды, а у халазального — три антиподы. На этом заканчивается
формирование зародышевого мешка, или женского гаметофита.
Женской гаметой является яйцеклетка. Подобный тип формирования
зародышевого мешка называется нормальным, или Ро1у§опит-типом.
1.6. ТИПЫ РАЗМНОЖЕНИЯ РАСТЕНИЙ
Растения размножаются преимущественно половым путем,
хотя в отличие от животных могут и вегетативно, т. е. частями
растения. При этом даже из отдельных клеток можно получить
нормальные растения, продуцирующие половые клетки — гаметы.
Эту способность растений широко используют в биотехнологии,
когда из отдельных клеток, и даже пыльцы, получают нормально
развитые растения.
22
При половом размножении в жизненном цикле высших
растений имеют место дипло- и гаплофазы (рис. 1.17).
Эволюционные процессы, приведшие к становлению высших растений, а
также животных и человека, обусловили преобладание дипло-
фазы в их жизненном цикле. Гаплофаза свойственна только
половым клеткам.
Спорофит (2я)
Семя
Эндосперм (Ъп)
Пыльники:
материнские
клетки
микроспор
(2и)
Семяпочка:
материнская
клетка
мегаспор
(2л)
1 нлн.цепос :>српо
(гаплоид; п)
Центральное
ядро зародышевого
мешка (2я)
Зигота
(2л)
Ядро
эндосперма
(Зя)
Рис. 1.17. Жизненный цикл растения (оригинал)
23

1.6.1. ОПЛОДОТВОРЕНИЕ, РАЗВИТИЕ ЭНДОСПЕРМА
И ЗАРОДЫША
У большинства растений процесс оплодотворения происходит
следующим образом. Пыльца, попав на рыльце пестика, начинает
прорастать, образуя пыльцевую трубку Содержимое пыльцевого
зерна (два спермия и ядро вегетативной клетки) постепенно
переходит в пыльцевую трубку. Через некоторое время, прорастая в
тканях столбика, пыльцевая трубка достигает зародышевого
мешка и врастает в него. У большинства растений пыльцевая трубка
проникает в зародышевый мешок через микропиле (порогамия),
но отмечены случаи, когда она врастает в него через халазу
(халазогамия) или через интегументы (мезогамия). При попадании в
зародышевый мешок пыльцевая трубка лопается и изливает в него
свое содержимое. Далее происходит процесс так называемого
двойного оплодотворения. Один из спермиев внедряется в яйце-
В Д Е
Рис. 1.18. Стадии развития зародыша у пастушьей сумки (СарзеНа Ьиг$а-ра$1оп5):
А—Е— последовательные стадии развития (Мегешвари П. Эмбриология покрытосеменных. —
М., 1954. - С. 264)
24 - ■■' ■■' "'; ■'■
клетку, и его ядро сливается с ядром яйцеклетки. В результате
образуется зигота с числом хромосом, равным 2«. В дальнейшем из
зиготы развивается зародыш семени. Второй спермий сливается с
центральным ядром зародышевого мешка, имеющим 2и
хромосом, в результате новое ядро приобретает тройной набор
хромосом (Зй). Деление этого ядра дает начало развитию эндосперма,
поэтому его ядра всегда триплоидны. Эндосперм начинает
развиваться раньше, чем зародыш. Развитие протекает в два этапа: рост
эндосперма и накопление в нем запасных питательных веществ.
Формируется ткань, питающая зародыш при его развитии.
Описано три типа образования эндосперма: иуклеарный, целлюлярный
и базальный.
При нуклеарном типе в отличие от цеялюлярного деление ядер
вначале не сопровождается образованием клеточных перегородок.
Они появляются позже. Базальный тип занимает промежуточное
положение между нуклеарным и цсллюлярпым. У некоторых
видов растений питательные вещеетва накапливаются в клетках ну-
целлуса и образуется так называемый перисперм.
Развитие зародыша (рис. 1.18) начинается после того, как
сформируется эндосперм.
1.6.2. ЯВЛЕНИЕ КСЕНИЙНОСТИ
Процесс двойного оплодотворения у растений обусловливает
сравнительно редкое явление, получипшес пашапие ксенийпости,
при котором признаки отцовского растении проявляются уже на
гибридных зернах, развивающихся на материнском растении. Так,
у кукурузы окраска зерен зависит от циста алейрона, а не
семенной оболочки — перикарпа (материнское обра кжапис). Если
растение с белыми зернами опылить пыльцой растения с
фиолетовыми зернами, то гибридные зерна на початке будут фиолетовыми
(алейрон фиолетового цвета).
1.6.3. АПОМИКСИС
У некоторых видов растений отмечено развитие зародыша
без оплодотворения — апомиксис. Существует четыре типа апо-
миксиса.
Партеногенез. Описано два типа партеногенеза:
редуцированный и нередуцированный. При редуцированном партеногенезе
зародыш развивается из неоплодотворен ной яйцеклетки, имеющей
число хромосом, равное п. В дальнейшем из такого зародыша
развивается гаплоидное растение. Такое растение полностью
стерильно. Нередуцированный партеногенез свойственен видам из
родов Роа, КапипсиШз, Тагахасит и др. При этом типе партеногенеза
.25

в развитии зародышевого мешка мейоз отсутствует, его заменяет
митоз. В этом случае яйцеклетка в зародышевом мешке имеет
нередуцированный набор хромосом 1п. Из такой яйцеклетки при
нередуцированном партеногенезе развивается вполне плодовитое
растение.
Апогамия. При этом виде апомиксиса развитие зародыша
происходит из синергид или антипод. Подобный тип развития
зародыша отмечен у льна и кукурузы. Растения при этом, как правило,
гаплоидны, т. е. имеют редуцированный набор хромосом (п).
Апоспория. Зародышевый мешок развивается из клеток
семяпочки, нуцеллуса или интегументов. Редукции числа хромосом при
этом не происходит. Как правило, такие зародышевые мешки
после образования отмирают.
Адвентивная змбриония. Это развитие зародыша из клеток
нуцеллуса (нуцеллярная эмбриония) или из клеток интегумента (ш-
тегументальная эмбриония). Первая встречается в семействах
пасленовых (8о1апасеае), орхидных (ОгсЪМасеае), мятликовых (Роа-
сеае) и др., а вторая — гвоздичных (СагуорпуМасеае), луковых
(АШасеае) и др.
Эволюционное значение апомиксиса до сих пор не получило
полной оценки. Большинство исследователей согласны с
гипотезой о вторичности явления апомиксиса по сравнению с
процессами нормального оплодотворения {амфимиксиса).
Вопросы и задания. 1. Каково строение растительной клетки? 2. Какие из
органоидов растительной клетки несут ДНК? 3. Что подразумевают под
понятиями кариотип и идиограмма? 4. Каковы химический состав и строение
хромосом? 5. Какие хромосомы называют гомологичными? 6. В чем заключается
принципиальное различие между митозом и мейозом? 7. В чем заключается явление,
получившее название кроссинговера? 8. Каково генетическое значение мейоза?
9. Как происходит формирование мужского гаметофита? 10. Опишите, как
формируется зародышевый мешок Ро/у^опит-тпа! 11. В чем сущность процесса
двойного оплодотворения у растений? 12. Что такое апомиксис?
Литература
АйалаФ., КайгерДж. Современная генетика. — М.: Мир, 1987. — Т. 1.
Атабекова А. И., Устинова Е. И. Цитология растений. — М.: Колос, 1980.
ЖимулевИ. Ф. Общая и молекулярная генетика. — Новосибирск: Сибир.
Университет, изд-во, 2002.
Льюин Б. Гены. — М.: Мир, 1987.
Чепцов Ю. С. Общая цитология. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1995.
Глава 2
МЕНДЕЛИЗМ. ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ
ГЕНЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
Начало XX в. ознаменовалось выходом в свет (1900 г.) работ
трех ученых: голландца Хуго Де Фриза, немца Карла Корренса и
австрийца Эриха Чермака, в которых авторы изложили
результаты, независимо друг от друга проведенных исследований по
изучению закономерностей наследования гибридами признаков
родительских форм|/Однако оказалось, что еще в 1866 г. в
малоизвестном издании Общества естествоиспытателей в Брюнне (ныне
г. Брно) была опубликована работа монаха августинского
монастыря Грегора Менделя под названием «Опыты над
растительными гибридами». В этой работе Мендель изложил результаты
своих исследований по скрещиванию гороха и вывел законы
наследования признаков гибридными организмами. Приоритет
Менделя в этом вопросе неоспорим и признан учеными всего мира.
По выражению Н.И. Вавилова, законы наследования, открытые
Грегором Менделем, «рассматриваются в современной биологии
как основной ключ к пониманию явлений наследственное™»^
Следует отметить, что и до Менделя многие ученые пытались
понять закономерности, лежащие в основе наследственности.
Однако отсутствие четкой методики исследований гибридных
поколений приводило к обескураживающим результатам. В одном
случае признаки потомков соответствовали признакам одного из
родителей, в другом —другого, в третьем проявлялись признаки обоих
родителей, а иногда возникали признаки, вообще
отсутствовавшие у родительских форм.
Мендель разработал собственную методологию проведения экс-^
периментов, которая позволила избежать ошибок,
присутствовавших в работах предшественников и современников. Ее сущность
заключалась в следующем:
» во-первых, в скрещивания брались растения,
различающиеся по одному или очень немногим признакам, и учитывалось
наследование каждого отдельного признака;
♦ВавиловН.И. Менделизм и его значение в биологии и агрономии/Дрегор
Мендель. Опыты над растительными гибридами. — М., 1965. — С. 98.
27

• во-вторых, при анализах рассматривалось в отдельности
каждое из растений и также в отдельности высевались семена от
каждого из гибридных растений;
• в-третьих, им был применен математический анализ
изучения частот проявления альтернативных признаков (цветки
красные — цветки белые, семена гладкие — семена морщинистые,
семена желтые — семена зеленые и т. п.).
Закономерности, выявленные Менделем, легли в основу прин- "^
ципов генетического анализа, до сих пор используемого в генети-^
ческих исследованиях.
Прежде чем приступить к детальному изложению
закономерностей наследования, открытых Менделем, следует ознакомиться
с принятой в настоящее время генетической символикой, которая
отличается от использованной Менделем. Итак, родительские
формы при скрещиваниях обозначают латинской буквой Р (лат ра-
геШ — родители). Если берут несколько родительских форм, то Р
снабжают цифровыми индексами: Рх, Р2, Р^, ... Р„. Материнскую
форму обозначают значком § (зеркало Венеры), отцовскую — в
(щит и копье Марса), скрещивания — х, например Р\ х Ръ.
Родителя, используемого в качестве материнской формы, всегда
записывают первым, а после значка х — родителя, взятого в качестве
отцовской формы. Гибриды обозначают латинской буквой Р (лат.
/1Нш — сын), тогда первое поколение будет Ръ второе Р2, третье Р^
и так далее до Р„. При использовании в гибридизации
обоеполых (гермафродитных) форм растения, берущиеся в качестве
материнских, подвергают кастрации, т. е. удаляют из каждого
цветка тычинки, чтобы предотвратить самоопыление. Кастрированные
цветки тщательно изолируют.
2.1. ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАСЛЕДОВАНИЯ
ПРИ МОНОГИБРИДНОМ СКРЕЩИВАНИИ,
ОТКРЫТЫЕ МЕНДЕЛЕМ
2.1.1. ДОМИНАНТНОСТЬ И РЕЦЕССИВНОСТЬ.
ЕДИНООБРАЗИЕ ПЕРВОГО ПОКОЛЕНИЯ
Одним из основных объектов опытов Менделя был горох. Эта
культура — самоопылитель, поэтому, используя ее в опытах, легко
проводить скрещивания, получать гибридное потомство и
наблюдать за ним. Мендель отбирал для своих экспериментов сорта,
различающиеся по окраске семенной кожуры (серая, прозрачная),
окраске незрелого боба (зеленый, желтый), длине стебля
(длинный, короткий), типу семян (гладкие, морщинистые), окраске
семян (желтые, зеленые), расположению соцветий (пазушное,
верхушечное). Первым его открытием было выявление того, что из
двух альтернативных (контрастирующих) признаков при скрещи-
28
вании в первом поколении проявляется только один. Так, при
скрещивании растений с незрелыми зелеными бобами
(материнская форма) с растением, незрелые бобы которого были жёлтыми
(отцовская форма), в первом поколении у всех растений незрелые
бобы были зелеными ( рис. 2.1). Аналогичную картину ученый
наблюдал, если в качестве материнской формы использовал
растения с желтыми бобами, а в качестве отцовской — с зелеными.
Подобные результаты были получены Менделем и по другим
изучавшимся признакам. Так, в Р\ проявлялись только такие признаки,
Родители
X
Зеленый
Желтый
Зеленый
Зеленый Зеленый Зеленый
Желтый
Рис. 2.1. Наследование окраски незрелого боба у гороха (Р\вит Шп>ит)
;;,,:.; (оригинал автора)
29

как серая окраска семенной кожуры, лущильный тип боба,
гладкие семена, желтая окраска семян, пазушное расположение
соцветий, длинный стебель. Признаки, которые проявлялись у
гибридов в Р\, Мендель назвал доминантными (преобладающими), а
альтернативные — рецессивными (отсутствующими). Явление
единообразия всех особей первого поколения по изучаемому признаку
было названо полным доминированием. В дальнейшем были
обнаружены факты, свидетельствующие о том, что полное
доминирование — неуниверсальное явление. Так, при скрещивании линии
львиного зева (Апп'ггЫпит та}и5) с красными цветками с линией,
образующей белые цветки, все растения в /\ сформировали
розовые цветки (рис. 2.2). Наследование признаков подобного типа
было названо неполным доминированием. Аналогичное
наследование было выявлено и у андалузских кур с голубым оперением.
При скрещивании породы кур с черным оперением и кур с белым
Родители
X
Красный
Белый
Розовый
Красный Розовый Розовый Белый
Рис. 2.2. Наследование окраски цветка у львиного зева (Апйггктит /иа/и?)
(оригинал автора)
1 А
Рис. 2.3. Наследование окраски оперения у андалузских кур (Айала Ф., Кайгер Дж.
Современная генетика. — М., 1987. — 'Г. 1. — С. 45)
«забрызганным» оперением все потомки в первом поколении
имели голубое оперение. Результаты, полученные при скрещивании
между собой особей Ръ хорошо видны на рисунке 2.3.
И наконец, в потомстве могут одновременно проявляться
признаки обоих родителей. Этот тип наследования получил название
кодоминирования. Его примером может служить наследование групп
31

1 *
1 и»-
Рис. 2.4. Наследование гордеинов ячменя,
контролируемых локусом Нгй.
Электрофоретические спектры гордеина: 1 —
родительская форма (Р\)\ 2— Гх от скрещивания Р1 х Р2; 3 — Г\ от
скрещивания Р2Х ръ 4 — родительская форма Р2 (фото
любезно предоставлено А. А. Поморцевым)
§»„:; крови у человека (в системе АВО). Если
II один из родителей имеет группу крови А
II - {1А1А), а другой В (1В1В), то в крови детей
|К присутствуют антигены, характерные как
II для группы А, так и для группы В. На-
Л личие этих антигенов определяют спе-
щ циальной антигенной реакцией. При-
"Т': менительно к растениям это —
наследование различных типов запасных
белков, выявляемых методом электрофореза (глиадины, глютенины и
гордеины) (рис. 2.4). На рисунке видно, что на электрофореграм-
мах гордеинов гибридов как от прямого, так и от обратного
скрещивания, присутствуют белковые компоненты от обоих
родителей. Иными словами, электрофоретический спектр белков
гибридов представляет собой сумму всех белков, присущих
родительским формам. Вместе с тем, как можно заметить, электрофоре-
граммы гордеинов гибридов от прямого и обратного скрещиваний
различаются между собой по относительной интенсивности
белковых полос. У гибрида Рх х Р2 (прямое скрещивание) интенсивнее
выражены белковые компоненты первой родительской формы, а у
гибрида Р2 х Р\ (обратное скрещивание) — компоненты второй
родительской формы. Это обусловлено тем, что гордеины — ткане-
специфичные белки и синтезируются только в эндосперме,
который формируется в результате двойного оплодотворения из
клетки, возникающей после слияния диплоидного центрального ядра
зародышевого мешка со спермием. Таким образом, эндосперм —
триплоидная ткань (Зп), в клетках которой присутствует двойной
набор (2л) хромосом от материнской формы (центрального ядра
зародышевого мешка) и одинарный (п) — от отцовской формы (спер-
мия). Следовательно, аллели материнской формы у гибрида
представлены в двух дозах, а отцовской — в одной. Именно по этой
причине на электрофореграммах гибридов белковые компоненты
материнской формы проявляются более интенсивно, чем отцовской.
При анализе электрофореграмм запасных белков отдельных зерен Р2
можно не только различить родительские классы (гомозиготы), но
и разделить гетерозиготы на два различных класса, учитывая дозы
аллелей (табл. 2.1). В этом случае расщепление в Р2 как по
генотипам, так и по фенотипическим классам (элетрофоретическим
спектрам) будет соответствовать отношению 1:1:1:1.
32
2.1. Расщепление по аллелям локуса, контролирующего гордеин А, в
Генотип
центрального ядра
Генотип спермия
Р2Р2
РХР2Р2
Р2Р2Р2
Следует отметить, что явление доминирования, открытое
Менделем, не такое простое, как может показаться на первый
взгляд. Было установлено, что в ряде случаев доминирование
может видоизменяться под влиянием внешних условий,
возраста, пола, особенностей самого организма и других, часто не
установленных факторов. Так, у дурмана (БаШга з(гатопшт)
пурпурная окраска стебля растения доминирует над зеленой, если
растения выращивают в полевых условиях. Однако при
выращивании этих же гибридов в теплице, гибриды первого
поколения отличаются значительно более светлой окраской стебля,
чем родительская форма с пурпурным стеблем. Имеется
множество и других примеров, свидетельствующих о случаях
видоизменения доминирования. Из всего вышеизложенного видно, что
самым важным открытием Менделя было установление факта
единообразия гибридов первого поколения. Это явление и
получило в дальнейшем название — первого закона Менделя. При этом
неважно, имеет ли исследователь дело с фактом полного либо
неполного доминирования или случаем кодоминирования. Во всех
этих вариантах непреложным фактом остается единообразие
особей первого поколения.
2.1.2. ПРАВИЛО РАСЩЕПЛЕНИЯ ГИБРИДОВ
ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ
Под расщеплением гибридов понимают закономерности
распределения среди потомков Р2 особей с доминантными и
рецессивными признаками.
Высевая семена, собранные с гибридных растений гороха
первого поколения, Мендель получил в Р2 растения с признаками
обоих родителей (см. рис. 2.1). Следовательно, в отличие от
первого поколения второе не было единообразным. Растений с
доминантными признаками было приблизительно в три раза больше,
чем с рецессивными. Причем эта закономерность наблюдалась по
всем изучавшимся Менделем признакам (табл. 2.2).
33

- 2.2. Результаты опытов Г. Мецделя
Изучавшиеся признаки*
Гладкие и морщинистые
семена
Желтые и зеленые семена
Семенная кожура серая и
прозрачная
Длинный и короткий стебли
Пазушное и верхушечное
расположения цветов
Незрелые бобы зеленой и
желтой окрасок
Бобы лущильного и
сахарного типов
Г,
Гладкие семена
Желтые семена
Серая семенная
кожура
Длинный стебель
Пазушное
расположение цветов
Зеленая окраска
боба
Лущильный тип
боба
Число растений в Р2
с

нантными
признаками
5474
6022
705
782
651
428
882
с
рецессивными

признаками
1850
2001
224
277
207
152
299
Отношение
форм с
доминантным и
рецессивным
признаками
2,96: 1
3,01 :1
3,15:1
2,84:1
3,14:1
2,82: 1
2,95:1
* Первыми указаны доминантные признаки.
Высевая в дальнейшем семена, собранные с каждого из растений
Р2, Мендель обнаружил, что некоторые растения с доминантными
признаками в Р$ не расщеплялись и все их потомство было
единообразным. Причем соотношение особей с доминантными и с
рецессивными признаками, как и в Р2, было 3:1. Гибридные
растения Р2 с рецессивными признаками во всех случаях давали не-
расщепляющееся потомство. Соотношение растений с
доминантным признаком, не давших расщепляющегося потомства, к
растениям, давшим в Р$ расщепление, и к растениям с
рецессивным признаком соответствовало 1:2:1. Мендель писал: «...теперь
ясно, что гибриды по двум различающимся признакам образуют
семена, из которых половина дает вновь гибридную форму, тогда как
другая дает растения, которые остаются константными и в равных
долях содержат доминирующий и рецессивный признаки»*.
Таким образом, Мендель впервые показал, что внешний вид
растения {фенотип**) не всегда отражает наследственные задатки
{генотип). Изучая последующие гибридные поколения, Мендель
показал, что от поколения к поколению число гибридных форм
уменьшается, а число нерасщепляющихся особей возрастает.
Явление расщепления во втором и в последующих поколениях,
открытое Менделем, приложимо к случаям неполного
доминирования (см. рис. 2.2) и кодоминирования. Однако в этих случаях
потомство Р2 может быть сгруппировано не в два, а в три класса:
1/4 особей с признаком первого родителя (Р{), 1/4 с признаком вто-
1 Грегор Мендель. Опыты над растительными гибридами. — М., 1965. — С. 20.
'* Термины «фенотип» и «генотип» были предложены В. Иогансеном в 1903 г.
34
рого родителя (Р2) и 1/2 потомства составят гибридные особи с
выраженностью признака, идентичной Рх. Особи, несущие
признаки родительских форм, при пересевах не расщепляются.
Искусственное получение гибридов путем гибридизации, а
также факты их расщепления во втором и последующих поколениях
позволили Менделю прийти к выводу, что подобные результаты
могут быть объяснены только, если предположить, что половые
гаметы (зачатковые и пыльцевые клетки по Менделю) несут
постоянные и обособленные единицы наследственности — факторы,
названные в 1909 г. В. Иогансеном генами. При этом, по Менделю,
эти единицы наследственности в неизменном виде передаются от
одного поколения к другому. Мендель ввел буквенные обозначения
для факторов, определяющих альтернативные признаки. При этом
фактор, детерминирующий доминантный признак, он обозначил
заглавной буквой латинского алфавита, а рецессивный — строчной.
В дальнейшем В. Иогансен (1926 г.) предложил именовать
отдельный фактор термином «аллель». Мендель совершенно правильно
считал, что половые клетки содержат только по одному фактору
(аллелю), а гибридные растения по два. Например, сорта гороха с
гладкими семенами несут аллели (факторы) АА, а с морщинистыми
аа. В первом случае каждая из половых клеток несет аллель А, а во
втором — а. При самоопылении соединятся аллели А+А=ААп
а + а=аа. При скрещивании растения с гладкими семенами с
растением с морщинистыми семенами будет наблюдаться следующая
картина: А +а=Аа {Рх). Формы, у которых в зиготе объединяются
два идентичных аллеля АА или аа, получили название
гомозиготных, а объединяющие два разных аллеля Аа — гетерозиготных*.
Мендель пришел к выводу, что гибридные растения образуют
два типа половых клеток (и женских и мужских): один с аллелем
А, а другой с аллелем а. Оба типа половых клеток образуются с
равными частотами и имеют равные вероятности на соединения в
зиготе, что легко представить, используя решетку Р. Пеннета .
Так, гибрид первого поколения Аа продуцирует гаметы А и а,
образующиеся соответственно с частотами 1/2 и 1/2. В данном
случае решетка Пеннета имеет 4 клетки. Если сверху написать
мужские гаметы, а слева женские, получим:
1 Мужские гаметы
Женские гаметы
А
а
А
АА
Аа
а
Аа
аа
♦Термины предложены У. Бетсоном в 1902г.
' ** Р. Пеннет — английский генетик, предложивший производить записи в
виде решетки.
35

В каждой из клеток решетки записывают результат соединения
женской и мужской гамет, т. е. тип получаемой зиготы. Исходя из
приведенных данных, мы имеем четыре комбинации: 1 гомозигота
с доминантными генами (АЛ), 1 гомозигота с рецессивными
генами (аа) и 2 гетерозиготы (Аа). Если же представить, что из этих
зигот вырастут растения гороха, то мы можем предвидеть, что у
растений с генотипом АА будут гладкие семена, как и у растений с
генотипом Аа, а у растений с генотипом аа — морщинистые, т. е.
соотношение растений с доминантными и рецессивными
признаками будет 3:1. Соотношение же гомозигот к гетерозиготам среди
растений с доминантным признаком составит 1 : 2. Прямое
доказательство гипотезы Менделя о том, что именно половые клетки
несут «постоянные и обособленные» единицы наследственности
(гены) было получено Демереку в 1924 г. при изучении пыльцы
гибрида между линиями нормальной и восковидной кукурузы.
Дело в том, что у большинства сортов кукурузы в зернах
накапливается крахмал. Однако имеются формы (восковидная кукуруза), у
которых вместо крахмала в эндосперме откладывается декстрин.
Детерминирует накопление и крахмала, и декстрина ген маху.
Если этот ген находится в генотипе растения в доминантном
состоянии (\Ух), то накапливается крахмал, а если в рецессивном
(тс), то декстрин. При окрашивании йодом крахмалистый
эндосперм становится синим, а восковидный — красным. Демереку
окрасил йодом пыльцу гибрида Р{ с генотипом Ц^хшх (рис. 2.5). В
результате 1/2 пыльцевых зерен окрасилась в синий цвет, а 1/2 в
красноватый. Это очень интересный, но частный случай,
поскольку другие гены (и таких множество) не поддаются локализации в
пыльце с помощью гистохимических реакций.
Проверить образование того или иного типа гамет можно
путем анализирующего скрещивания, что и используют в
генетическом анализе. Анализирующим называется скрещивание
гибридной формы с родительской, рецессивной по изучаемому
признаку (рис. 2.6).
Поскольку Р дает гаметы только одного типа, выявление в
потомстве от анализирующего скрещивания двух типов особей
свидетельствует о том, что гибридная форма (Р{) продуцирует
гаметы двух типов, а их соотношение (1 : 1) — о том, что
распределение доминантных и рецессивных генов происходит с
равной частотой.
Мендель не знал о существовании хромосом, о локализации
в них генов и о механизме клеточного деления (мейозе),
приводящего к редукции числа хромосом в половых клетках.
Значительно позже того времени, когда были выполнены его
исследования, было установлено, что гены, отвечающие за одну
пару признаков, находятся в одинаковых точках (локусах) гомо-
36
*
#
-«с.
Рис. 2.5. Микрофотография пыльцы из пыльника кукурузы (генотип \Ухшх).
следования, было установлено, что гены, отвечающие за одну
пару признаков, находятся в одинаковых точках (локусах)
гомологичных хромосом и что в результате мейоза гомологичные
хромосомы расходятся в гаметы. А поскольку одна половая
клетка содержит только одну из двух гомологичных хромосом, в
нее попадает только один из пары генов. Это хорошо видно на
примере генов, детерминирующих безостость — остистость
колоса у мягкой пшеницы (рис. 2.7 и 2.8). При скрещивании
растений пшеницы с безостыми и с остистыми колосьями у
растений Р\ колосья безостые (генотип 0%). При самоопылении
растений Р{ (Р]хР1) (рис. 2.8) и яйцеклетки и спермин
попадают уже гены С и § и, соединяясь и зиготе, дают генотипы
1СС:2О§: 1§§, из которых вырастут безостые и остистые
растения пшеницы в соотношении 75 % : 25 % (3 : 1). При
образовании гамет у гибридов любая из них с равной вероятностью
может получить ген С или §. При соединении же в зиготе гены
Гаметы
Потомство
Рис. 2.6. Схема анализирующего
скрещивания
Гх(Аа) X Р2(аа)
А и а
Аа
37

Безостый
Остистый
Гаметы Ш
Рис. 2.7. Схема, иллюстрирующая поведение гомологичных хромосом, при скрещивании безостой
пшеницы с остистой (Вопуеук 8., Вопуето К. СепеШш. — ]Чон 8ао, 1976. — С. 110)
Безостый
Гаметы
Безостый Безостый
Рис. 2.8. Схема, иллюстрирующая поведение гомологичных хромосом и образование
разных типов зигот у гибридов Р, пшеницы (Вопцеуп: 8., Вого)сук К. (кмеНки — N011 8а<1,
1976.-Р. 111)
не смешиваются и в дальнейшем такими же отдел ыюстя ми
передаются потомкам. Это правило получило название закона
чистоты гамет.
2.1.3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАСЛЕДОВАНИЯ ПРИ ДИГИБРИДНЫХ
И ПОЛИГИБРИДНЫХ СКРЕЩИВАНИЯХ
Скрещивания, в которых родительские формы различаются по
одной паре признаков, называют моногибридными, по двум — ди-
гибридными, а по многим парам признаков — полигибридными*.
В предьщущих разделах мы рассмотрели закономерности
наследования при моногибридном скрещивании. Следует отметить, что
Мендель интересовался и закономерностями одновременного
наследования двух признаков. В одном из опытов он произвел скре-
*В 1900 г. X. ДеФриз ввел термины моногибрид, дигибрид, тригибрид, поли-
гибрид, 8 э _ ,
39

Рис. 2.9.
Зеленый
морщинистый
ааЬЬ
"*«>
Гащивание растений с гладкими желтыми семенами и растений с
морщинистыми зелеными семенами (дигибридное скрещивТние)
яХрисТПТ™ Л бЫЛ обозначен'МЫ, а вРторо™-
п»;™ )- ^1ЭТОГО скрещивания было получено
единообразие всех растении по изучаемым признакам, т. е. все растения
40
I
сформировали гладкие желтые семена, генотип которых можно
обозначить АаВЬ. Посев семян Р\ дал расщепляющееся Р2. При
этом 9/16 семян были похожи на семена, полученные в Ръ —
гладкие желтые, 3/16 — гладкие, но зеленые, 3/16 — морщинистые
желтые и только 1/16 семян походила на семена второго родителя,
т. е. они были морщинистые зеленые (расщепление 9:3:3:1). Этот
фенотипический эффект можно было объяснить, если
предположить, что гибриды Р\ продуцировали гаметы четырех типов: АВ,
АЪ, аВ и аЪ (см. рис. 2.9)1/Мендель провел анализирующее
скрещивание Р\ (АаВЬ) х Р2 (ааЪЪ) и получил четыре типа потомков:
АВаЬ: АЬаЬ: аВаЬ: аЬаЬ, их соотношение составляло 1 : 1 : 1 : 1,
таким образом бьшо подтверждено образование четырех
вышеназванных типов гамет. Из приведенной на рисунке решетки Пенне-
та можно видеть, что, как и при моногибридном скрещивании,
число фенотипов значительно уступает числу генотипов:
В 9/16 зигот присутствуют оба
доминантных гена
В 3/16 зигот присутствует только
доминантный ген А
В 3/16 зигот присутствует
только доминантный ген В
1/16 всех зигот не имеет
доминантных генов
Следовательно, при расщеплении Р2 по фенотипу в отношении
9„;3: 3 :1, расщепление по генотипу составит 1:2:2:4:1:2:1:2:1.
(___ На основании результатов подобных опытов Мендель
сформулировал очень важное положение, которое гласит, что гены,
определяющие различные признаки, наследуются независимо друг от
друга. И, хотя позднее было показано, что этот вывод справедлив
только для генов, находящихся в разных хромосомах,
закономерность, выявленная Менделем, получила название «закона
независимого комбинирования».
Следует отметить еще одно важное обстоятельство. При
независимой рекомбинации генов образуются женские и мужские
гаметы с новыми сочетаниями генов. При их слиянии могут быть
получены гомозиготные формы растений с новыми сочетаниями
признаков. В приведенном выше примере Мендель скрещивал
растение с круглыми желтыми семенами с растением с
морщинистыми зелеными семенами. В результате продуцирования
гибридами гамет с новыми сочетаниями генов были получены гомозигот-
." : ■. ' ■ и-> 41
Частота
1/16
2/16
2/16
4/16
1 1/16
1 2/16
1 1/16
: 2/16
1/16
Генотип
ААВВ
ААВЬ
АаВВ
АаВЬ
АаЬЬ
АаЬЬ
ааВВ
ааВЬ
ааЬЬ
Фенотип семян
Круглые желтые ~|
Круглые желтые 1
Круглые желтые Г
Круглые желтые ^
Круглые зеленые [
Круглые зеленые |
Морщинистые желтые
Морщинистые желтые
Морщинистые зеленые

Признаки материнской формы (Р^): Признаки отцовской формы (/у:
гладкие семена — АА
желтые семена — ВВ
красные цветки - ОС
морщинистые семена —аа
зеленые семена — ЬЬ
белые цветки — се
Гаметы
ААВВСС X Р2 ааЬЬсс
I I
АВС
аЬс
171 АаВЬСс (тройная гетерозигота)
Рис. 2.10. Схема образования зиготы при тригибридном скрещивании
1/8
АВС
1/8
АВс
1/8
АЬС
1/8
АЬс
1/8
аВС
1/8
аВс
1/8
аЬС
1/8
аЬс
АВС
АВС
АВС
АВс
АВС
АЬС
АВС
АЬс
АВС
аВС
АВС
аВс
АВС
аЬС
АВС
аЬс
АВс
АВС
АВс
АВс
АВс
АЬС
АВс
АЬс
АВс
аВС
АВс
аВс
АВс
аЬС
АВс
аЬс
АЬС
АВС
АЬС
АВс
АЬС
АЬС
АЬС
АЬс
АЬС
аВС
АЬС
аВс
АЬС
аЬС
АЬС
аЬс
АЬс
АВС
АЬс
АВс
АЬс
АЬС
АЬс
АЬс
АЬс
аВС
АЬс
аВс
АЬс
аЬС
АЬс
аЬс
аВС
АВС
аВС
АВс
аВС
АЬС
аВС
АЬс
аВС
аВС
аВС
аВс
аВС
аЬС
аВС
аЬс
аВс
АВС
аВс
АВс
аВс
АЬС
аВс
АЬс
аВс
аВС
аВс
аВс
аВс
аЬС
аВс
аЬс
аЬС
АВС
аЬС
АВс
аЬС
АЬС
аЬС
АЬс
аЬС
аВС
аЬС
аВс
аЬС
аЬС
аЬС
аЬс
аЬс
АВС
аЬс
АВс
аЬс
АЬС
аЬс
АЬс
аЬс
аВС
аЬс
аВс
аЬс
аЬС
аЬс
аЬс
1/8
АВС
1/8
АВс
1/8
АЬС
1/8
АЬс
1/8
аВС
1/8
аВс
1/8
аЬС
1/8
аЬс
Рис. 2.11. Образование разных типов зигот при независимом комбинировании трех пар
генов в гаметах
ные рекомбинантные растения с круглыми зелеными (ААЪЪ) и
морщинистыми желтыми (ааВВ) семенами. Подобный подход к
получению и отбору рекомбинантов — один из основных при
создании сортов сельскохозяйственных культур.
Тригибридные скрещивания. Подтверждение закона
независимого комбинирования бьшо получено Менделем при
скрещивании константных форм растений, различавшихся по трем
признакам. Это можно проиллюстрировать с помощью следующего
примера (рис. 2.10).
Семена Гу по фенотипу будут гладкими и желтыми, а цветки
красными. Растения первого гибридного поколения образуют 8
типов гамет в равном соотношении, поскольку вероятность
попадания в гамету доминантного или рецессивного гена из пары
альтернативных признаков равна 1/2: 1/2 х 1/2 х 1/2 = 1/8.
Таким образом, мы имеем следующие типы гамет:
1/8 ЛВС
1/8 АЬс
ЩАЬС
1/8 аВС
1/8 АЬс
1/8 аВс
1/8 аЬС
1/8 аЬс
В свою очередь, это определяет большое разнообразие зигот,
как это видно из рисунка 2.11.
Таким образом, как следует из данных, представленных в
таблице 2.3, соотношение фенотипических классов при
тригибридном скрещивании составляет 27:9:9:9:3:3:3:1.
2.3. Численность особей и их генотипы при тригибридном скрещивании (Джонс из
кн.: Синнот Э., Денн Л. Курс генетики. — М.; Л., 1934.—С.85 с добавлениями)
Частота
генотипа
Генотип
Фенотип в Р.
Частота
фенотипа
Характер потомства в /■",
1/64
2/64
2/64
2/64
4/64
4/64
4/64
8/64
'*"''V.'1''.
ААВВСС1
АаВВСС
ААВЬСС
ААВВСс
АаВЬСС
АаВВСс
ААВЬСс
АаВЬСс
■
Круглые желтые
семена, красные
цветки
27/64
Не расщепляется
Расщепляется на круглые и
морщинистые 3: 1
Расщепляется на желтые и
зеленые 3 : 1
Расщепляется на красные и бе-
лыс 3 : 1
Расщепляется на круглые,
морщинистые, желтые и зеленые
9:3:3:1
Расщепляется на круглые,
морщинистые, красные и белые
9:3:3:1
Расщепляются на желтые,
зеленые, красные и белые
9:3:3:1
Расщепляется на круглые,
морщинистые, желтые, зеленые,
красные и белые
27 : 9 : 9 : 9 :3 : 3 : 3 :1
43

Продолжение
Частота
генотипа
Генотип
Фенотип в К
Частота
фенотипа
Характер потомства в Р}
1/64
2/64
2/64
4/64
1/64
2/64
2/64
4/64
1/64
2/64
2/64
4/64
1/64
2/64
1/64
2/64
1/64
2/64
ААВВсс
ААВЪсс
АаВВсс
АаВЬсс
ААЬЬСС
ААЬЬСс
АаЬЬСС
АаЬЬСс
ааВВСС
ааВЬСС
ааВВСс
ааВЬСс
Круглые желтые
семена, белые
цветки
Круглые
зеленые семена,
красные цветки
Морщинистые
желтые семена,
красные цветки
ааВВсс
ааВЬсс
ААЬЬсс
АаЬЬсс
1/64 ааЬЬсс
1 Морщинистые
г желтые семена,
> белые цветки
Круглые
зеленые семена,
белые цветки
Морщинистые
зеленые семена,
белые цветки
9/64
9/64
9/64
ааЬЬСС 1 Морщинистые
ааЬЬСс г зеленые семена, \ 3/64
) красные цветки
3/64
3/64
1/64
Не1 расщепляется
Расщепляется на желтые и
зеленые 3 : 1
Расщепляется на круглые и
морщинистые 3 : 1
Расщепляется на круглые,
морщинистые, желтые и зеленые
9:3:3:1
Не расщепляется
Расщепляется на окрашенные
и белые 3 : 1
Расщепляется на круглые и
морщинистые 3: 1
Расщепляется на круглые,
морщинистые, красные и белые
9:3:3:1
Не расщепляется
Расщепляется на желтые и
зеленые 3 : 1
Расщепляется на красные и
белые 3 : 1
Расщепляется на желтые,
зеленые, красные и белые 9:3:3:1
Не расщепляется
Расщепляется на красные и
белые 3 :1
Не расщепляется
Расщепляется на желтые и
зеленые
Не расщепляется
Расщепляется на круглые и
морщинистые 3: 1
Не расщепляется
Сравнивая данные по моно-, ди- и тригибридному
скрещиванию, легко увидеть, что при увеличении числа изучаемых
признаков на один, число типов гамет каждый раз возрастает,
как и число фенотипов, в 2 раза, а число генотипов в 3 раза
(табл. 2.4).
44 ;:: ■ - ::
2.4. Общие формулы расщепления при независимом наследовании
Число пар генов
Число типов
гамет в Р1
Число
комбинаций между
гаметами в Е
Число генотипов
в К
Число
фенотипов в Рг
1
2
3
4
п
2
4
8
16
2"
4
16
64
256
4"
3
9
27
81
3й
2
4
8
16
2я
Следует отметить, что формула расщепления для фенотипов,
приведенная в таблице 2.4, справедлива только для случаев
полного доминирования. В случае неполного доминирования или
кодоминирования гетерозиготные особи будут фенотипически
отличаться в первом случае от родительской формы, несущей
доминантные гены, а во втором (кодоминирование) — от обеих
родительских форм. Например, Т. С. Фадеева (ЛГУ) изучала
наследование окраски ягод и формы чашечки у земляники (Рга-
$апа гезса). Она проводила скрещивание формы с красными
ягодами и нормальной чашечкой (генотип ААВВ) с формой с
белыми ягодами и листовидной чашечкой (генотип ааЬЬ). Первое
гибридное поколение имело розовые ягоды и промежуточную
чашечку (генотип АаВЪ), т. е. по обоим признакам было выявлено
неполное доминирование. В Р2 было получено расщепление на
9 фенотипических классов в отношении 1:2:2:4:1:2:1:2:1,
что отличается от расщепления при полном доминировании,
равном 9 : 3:3:1.
Нетрудно подсчитать, что если в дигибридном скрещивании
только в одной из двух пар генов имеет место неполное
доминирование, то в р2 будет получено расщепление на шесть
фенотипических классов (3 : 6 : 1 : 2 : 3 : 1), а не на четыре.
Контроль за расщеплением. В предыдущих разделах были
показаны основные закономерности наследования при расщеплении
гибридов. Эти закономерности составляют основу генетического
анализа, применяемого при постановке экспериментов,
связанных со скрещиванием форм растений и животных. При этом
исследователь не только должен описать гибриды и произвести
подсчеты потомства второго или любого другого расщепляющегося
поколения, но и доказать совпадения ожидаемых и наблюдаемых
чисел, что связано с проведением специальных биометрических
расчетов. В основе применяемых методов лежит положение о том,
что какое-либо явление считается случайным, если происходит
реже чем 1 раз на 20 случаев, т. е. вероятностью, не превышающей
5 % (0,05). При генетическом анализе характера расщепления в
потомстве гибридов применяется метод хи-квадрат (%2). Для
ознакомления с этим методом попробуем оценить данные Менделя,
■ , '. !:" ■,■•■ ■"■: .-, 45

полученные им при дигибридном скрещивании растений гороха, а
именно соответствие фактических данных расщепления в Р2 двух-
генной гипотезе детерминации признаков гладкие —
морщинистые и желтые — зеленые семена. Процесс расчетов представлен в
таблице 2.5.
2.5. Анализ расщепления гибридов гороха в Рг методом х2
Данные
Фенотип семян
гладкие
желтые
гладкие зеле-
морщинистые
желтые
морщинистые
зеленые
Наблюдаемые в опыте
315
Теоретически ожидаемые при 312,75
расщеплении 9:3:3:1 (д)
Отклонение (*/)
а2
а2/д
%2 = X <Р^/^=
+2,25
5Д
0,02
= 0,02 + 0,10
101
104,25
-3,25
10,6
0,10
+0,13 +
108
104,25
+3,75
14,1
0,13
0,20 = 0,45.
32
34,75
-2,75
7,6
0,20
Как видно из данных, представленных в таблице 2.5, в опыте
Менделя во втором поколении было получено 556 семян, из
которых 315 были гладкие желтые, 101 — гладкие зеленые, 108 —
морщинистые желтые и 32 — морщинистые зеленые. Основываясь на
данных предыдущих разделов, мы вправе предположить, что
имеем дело с дигибридным скрещиванием и расщепление
теоретически должно быть равно соотношению 9:3:3:1. Следовательно,
556 семян составляют 16 частей, а одна часть равна 34,75 семени.
Умножив это число последовательно на 9, 3, 3 и 1, мы получим
теоретически ожидаемое по нашей гипотезе число семян по
каждому фенотипу (д). Затем вычислим отклонение (*/) фактического
значения расщепляющегося класса от теоретически ожидаемого.
Для ликвидации знаков + и — значение й возведем в квадрат по
каждому из фенотипов и разделим на показатель (ц). Хи-квадрат
вычисляем по формуле х X &1<1- Как видно из результата
расчетов, представленных в таблице 2.5, %2 равен 0,45. Гипотеза не
отвергается, если Рне менее 0,05. Значение Р вычисляют по
таблице 2.6.
2.6. Показатели вероятности (Р) и значений х2 (Фишер, с сокращениями из кн.:
Орлова Н. Н. и др. Сборник задач по общей генетике. — М., 2001)
Число
степеней
свободы
(Ю
Показатели вероятности (Р)
0,99
0,95
0,90
0,80
0,70
0,50
0,20
0,05
0,01
1
2
3
4
5
0,00016
0,0201
0,115
0,297
0,554
0,0039
0,103
0,352
0,711
1,145
0,016
0,211
0,584
1,064
1,610
0,064
1,446
1,005
1,649
2,343
1,148
0,713
1,424
2,195
3,000
0,455
1,386
2,366
3,357
4,351
1,642
3,219
4,642
5,989
7,289
3,841
5,991
7,815
9,488
11,070
6,635
9,210
11,341
13,277
15,086
46
Продолжение
Число
степеней
свободы
(я")
Показатели вероятности (Р)
0,99
0,95
0,90
0,80
0,70 1 0,50
0,20
0,05
0,01
6
7
8
9
10
0,872
1,239
1,646
2,088
2,558
1,635
2,167
2,733
3,325
3,940
2,204
2,833
3,430
4,168
4,865
3,070
3,822
4,594
5,380
6,179
3,828
4,671
5,527
6,393
7,267
5,348
6,346
7,344
8,343
9,342
8,558
9,803
11,030
12,242
13,442
12,592
14,067
15,507
16,919
18,307
16,812
18,475
20,090
21,666
23,209
В первой графе этой таблицы указано число степеней свободы
(п'), которое равно и — 1, где п — число наблюдаемых классов
фенотипов при расщеплении. В первой горизонтальной графе
указаны значения вероятности (Р), а в других горизонтальных
графах значения %2 при определенном числе степеней свободы. В
нашем опыте число степеней свободы равно 3(л — 1), а при %2 = 0,45
показатель вероятности находится между 0,95 > Р >0,90.
Следовательно, фактические данные расщепления отклоняются от
теоретических незначительно. Это подтверждает
сформулированную выше гипотезу о влиянии на это расщепление двух пар
аллельных генов.
Метод х2 не применим в тех случаях, когда в один из
теоретически рассчитанных классов попадает менее 5 особей, а также к
значениям, выраженным в процентах и относительных числах.
2.1.4. УСЛОВИЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ МЕНДЕЛЕВСКИХ ЗАКОНОВ
Мы уже говорили о применимости законов Менделя к
растениям, животным и человеку. Однако следует иметь в виду, что
действие этих законов может осуществляться только при
определенных условиях.
• Проведение скрещиваний на диплоидном уровне.
- • Нахождение разных генов в негомологичных хромосомах
(отсутствие сцепления).
• Отсутствие у изучаемых организмов нарушений процесса
мейоза, а следовательно, и равновероятное образование гамет всех
возможных типов.
• Одновременное созревание мужских и женских половых
клеток всех типов, обеспечивающее равновероятное их
соединение при оплодотворении.
• Отсутствие селективности при оплодотворении гаметами
всех типов.
• Равновероятная выживаемость мужских и женских гамет
всех типов.
• Отсутствие селективности в выживаемости зигот всех
возможных генотипов.
47

• Равновероятная выживаемость взрослых организмов.
• Проведение экспериментов в условиях, не препятствующих
нормальному развитию изучаемых признаков.
• Обеспечение в эксперименте получения сравнительно
большого числа особей.
Таков перечень основных условий, при которых
экспериментатор может быть уверен в отсутствии препятствий в проявлении
менделевских закономерностей.
2.2. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.
МНОЖЕСТВЕННЫЕ АЛЛЕЛИ
Мендель был первым, кто ввел буквенное обозначение для
генов. При этом доминантный аллель аллельной пары генов
обозначался заглавной буквой латинского алфавита, а рецессивный —
строчной: А, а; В, Ь; О, § и т. п. Пока для каждого из изучавшихся
видов было открыто небольшое число генов, не имело
принципиального значения какой буквой обозначался данный ген. Однако с
открытием все новых и новых генов при одинаковом их
буквенном обозначении возникала путаница. В настоящее время ген
чаще всего обозначают первой буквой (буквами) английского
слова (слов), описывающего признак, который данный ген
контролирует (табл. 2.7).
2.7. Символы генов, выявленных у разных видов сельскохозяйственных растений
Вид
Символ
гена
Название
Признак, контролируемый данным геном
Горох (РЬит
зайуит)
Пшеница
мягкая (Тпйсит
аезйуит)
Ячмень (Ног-
йеит уи1§аге)
Е
Ла
/оЬ
/п
М
па
Огс
(
в§
щ
Ыга
Рс
Те
\У
а!
В1
сиа"
])
кар
Еаг1ше88
До^ег апошаНез
ГоНа оЫоп§а
Яо\уег питЬег
Магтогеиз
папа
Огагще со1у1ес1оп8
1Ып 81ет
В1аск §1ите
На1гу §1ите
КИга1е геаис1а8е
асгМгу
Ригр1е си1т
Тепас1ои8 §1ите8
\Уахте88
а1Ыпо 1етта
ВгиШе гасЫз
Сиг1у (ЗшагГ
Л-/\уагг
парЫё 1П111а1ог
Раннее зацветание
Нарушения в строении цветка
Редукция ширины прилистников
Увеличение числа цветков в кисти
Мраморный рисунок семенной
кожуры
Карликовость
Оранжевые семядоли
Тонкий стебель
Черная окраска колосковой чешуи
Опушение колосковой чешуи
Активность фермента нитратредук-
тазы
Антоциановая окраска стебля
Прочность колосковой чешуи
Восковой налет на растении
Белые цветковые чешуи
Ломкая колосковая ось
Карликовость
Карликовость
Образование гаплоидов
48
Продолжение
Вид
Символ
гена
Название
Признак, контролируемый данным геном
Кукуруза
(2еа таух)
И
ог
№
а1
а
Ми
8Я
У/Х
1щше1е88
огап§е 8еесШпё
\УеаЫу аПасЬеё
8рИсе1е1
Ап1иосуашп1е85
Со1оге<1 а1еигопе
МиШог
ш^агу епйозрегт
\уаху епйозрегт
Безлигульность
Оранжевый проросток
Легко отламывающиеся колоски
Отсутствие антоциановой окраски в
алейроне
Окрашенный алейрон
Увеличивает скорость мутаций
Морщинистый эндосперм сахарной
кукурузы
Восковидный эндосперм, состоящий
из амилопектина
Различия между аллелями одного гена возникают путем
мутаций. Как правило, доминантный ген мутирует в рецессивный
А^а. Но известны и обратные мутации а-*А. Таким образом
возникли пары аллельных генов. Например, аллель мпс у кукурузы
контролирует развитие восковидного эндосперма (табл. 2.7), а
аллель И6с — нормального крахмалистого эндосперма. У ячменя
доминантный ген Ы определяет развитие лигул у листьев, а его
рецессивный аллель //— отсутствие лигул (безлигульность).
■; и 2.2.1. МНОЖЕСТВЕННЫЙ АЛЛЕЛИЗМ
Известно много примеров, когда в результате мутирования
возникает не два, а много аллелей одного гена. Но при этом каждый
диплоидный организм всегда несет и генотипе только два (любых)
аллеля одного гена. Классический пример множественного алле-
лизма — серия аллелей, определяющих окраску меха у кролика
(табл. 2.8, рис. 2.12).
2.8. Генетическое определение окраски меха у кролика (АйалаФ., КайгерДж.
Современная генетика. — М., 1987. — Т. 1. — С. 53)
Аллель
Генотип
Фенотип (окраска меха)
; = с+ с+с+; с+?н; сV; с+с°
&&; А"
Серая окраска (агути)
Шиншилла
Светлая шиншилла
Гималайский
Альбинос
49

Агути
Рис. 2.12. Четыре фенотипа, возникающие при различных комбинациях аллелей гена,
детерминирующего окраску меха у кроликов (Айала Ф., Кайгер Дж. Современная
генетика. — М., 1987. — С. 53)
При этом аллель С = с+ (обозначение дикого типа) доминантен
по отношению ко всем остальным аллелям, аллель ссИ проявляет
неполное доминирование по отношению к аллелям с* и с",
поэтому у гетерозиготных особей (с^е* и с?*с?) мех более светлый, чем у
шиншиллы. Аллель с* доминантен по отношению к аллелю с°.
У ряда видов растений в процессе эволюции выработался
механизм, препятствующий самоопылению. Так, у Табаков выявлена
серия аллелей гена б1:8Ь 82, 83, 54, 55, ..., 5„. При этом в случае
попадания на рыльце пестика прорастает только пыльца, не несущая
аллелей, идентичных аллелям генотипа данного растения.
Например, на пестике генотипа 6\32 не прорастает пыльца, несущая ген
^ или 52, а пыльца, несущая гены 53, 5ц, 55, прорастает свободно,
в результате чего происходит оплодотворение и завязывание
семян (рис. 2.13).
В ряде случаев некоторые из серий множественных аллелей
влияют на комбинативное проявление признака на различных
частях организма. Примером таких аллелей является серия
аллелей гена К, влияющего на проявление антоциана у кукурузы:
Кг Растение окрашено, алейрон окрашен
№ Растение не окрашено, алейрон окрашен
гг Растение окрашено, алейрон не окрашен
г1 Растение и алейрон не окрашены
50
Присутствие «окраски» — признак, доминирующий над ее
отсутствием. Однако растение с генотипом Шгг окрашено, и
алейрон окрашен, как это имело бы место у особей с генотипом КГКГ
или /?г-. Подобный тип доминирования получил название
мозаичного доминирования.
^С множественным аллелизмом мы сталкиваемся и у человека.
Примером может служить система групп крови АВО, открытая в
1900 г. К. Ландштейнером. Им было установлено наличие четырех
групп крови: группа А (в эритроцитах содержатся антигены Дав
сыворотке антитела В), группа В (в эритроцитах содержатся
антигены В, а в сыворотке антитела А), группа АВ (установлено
наличие антигенов А и В, а антитела в сыворотке отсутствуют) и,
наконец, группа 0 (антигены отсутствуют, а присутствуют антитела А и В).
Установление наличия этих групп спасло от смерти многих
людей, подвергшихся переливанию крови. Дело в том, что реакция
различных групп крови (эритроцитов) на введение сыворотки А и
сыворотки В различна. Как видно из рисунка 2.14, эритроциты
группы А агглютинируются при введении сывороток групп крови 0
и В, эритроциты группы В — при введении сывороток групп крови
0 и А, эритроциты группы АВ — при введении сывороток групп
крови 0, А и В, а вот эритроциты группы 0 не агглютинируются
при вливании ни одной из четырех типов сывороток.
Установлено, что группы крови определяются тремя аллелями гена /: 1, Р
и / (табл. 2.9).
5,52x5,52
5,52x5,53
В
Рис. 2.13. Механизм влияния генов самостерильности на процессы прорастания
пыльцы и оплодотворения (Вопиеис 8., Вогореис К. Сепейка. — 1Чо« 8ай, 1976. —
С. 146)
51

Сыворотка
крови
группы
АВ
Акппгаа,при-
сугствующие
в сыворотке
АпП-5
Ал"'
Реакция эритроцитов на сыворотку
АВ
А.
Рис. 2.14. Антигенные реакции, используемые при определении группы крови в
системе АВО. В качестве тестера применяются сыворотки крови каждой из четырех групп
(Айала Ф., КайгерДж. Современная генетика. — М., 1987. — Т. 1. — С. 54)
2.9. Группы крови системы АВО (Айала Ф., Каш ер Дж. Современная генетика.
М., 1987. -Т.1.-С.56)
Аллель
Генотип
Фенотип
Группа
I*
1Л1А\ 14
1В1В; 1В1
1А1В
и
А
в
АВ
0
II
III
IV
I
Аллели 1А и 1В доминантны по отношению к аллелю / и кодо-
минантны друг к другу.
Число различных генотипов при множественном аллелизме
зависит от числа аллелей и может быть рассчитано по формулам,
приведенным в таблице 2.10.
52
2.10. Число возможных генотипов при заданном числе аллелей
(Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. — М., 1987. — Т. 1. — С. 56)
Число аллелей
1
2
3
4
5
п
всего
1
3
6
10
15
л(я+1)/2
Число генотипов
гомозиготные
1
2
3
4
5
п
гетерозиготные
0
1
3
6
10
и(и-1)/2
2.3. НАСЛЕДОВАНИЕ ПРИЗНАКОВ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ
ГЕНОВ
После переоткрытия в начале XX к. законов Менделя во
многих странах мира были проведены интенсивные исследования по
генетическому анализу самых различных объектов. И чем шире
велись эти исследования, тем чаще генетики сталкивались со
случаями отклонения от менделевских расщеплений. Подробное
изучение подобных фактов позволило доказан, взаимодействие не-
аллельных генов. Приоритет в детальном изучении этого
феномена безусловно принадлежит английскому генетику У. Бетсону. Не
вдаваясь в сложные генные взаимодействии, рассмотрим случаи
детерминации признаков в результате взаимодействия генов при
дигибридных скрещиваниях.
2.3.1. НАСЛЕДОВАНИЕ ФОРМЫ
ГРЕБНЯ У КУР
Существуют четыре породы кур,
каждая из которых отличается
характерным только для нее
строением гребня (рис. 2.15). Куры
породы леггорн имеют простой
листовидный гребень, брамы —
гороховидный, малайские —ореховидный,
виандотты — розовидный (низкий,
утолщенный спереди и
заостренный сзади). При внутрипородном
размножении каждая из этих
пород дает чистое потомство. В опы-
Рис. 2.15. Четыре типа гребней у кур (петухи):
1 — простой; 2 — гороховидный; 3 — розовидный;
4 — ореховидный (СиннотЭ., Денн Л. Курс
генетики. - М.; Л., 1934. - С. 92)
дл\ 4
53

Розовидный
ЙКрр
их
Гороховидный
ггРР
Гаметы
Ореховидный
КгРр
ККРР
Ореховидный
ККРр
Ореховидный
ЯгРР
Ореховидный
КгРр
Ореховидный
ККРр
Ореховидный
ККрр
Розовидный
КгРр
Ореховидный
Кгрр
Розовидный
ЯгРР
Ореховидный
КгРр
Ореховидный
ггРР
Гороховидный
ггРр
Гороховидный
КгРр
Ореховидный
Кгрр
Розовидный
ггРр
Гороховидный
ггрр
Простой
ККА
Рис. 2.16. Схема, показывающая взаимодействие между факторами, определяющими
форму гребня у кур (СиннотЭ., Денн Л. Курс генетики. — М.; Л., 1934. — С. 93)
тах У. Бетсона и Р. Пеннета при скрещивании кур с розовидным
гребнем и кур с простым гребнем доминировал розовидный, ав/2
наблюдалось расщепление 3:1. При скрещивании кур с
гороховидным гребнем и кур с простым гребнем доминировал
гороховидный гребень, ив/2 также было получено расщепление 3 : 1. А вот
скрещивание особей с розовидным гребнем и особей с
гороховидным (рис. 2.16) привело к получению потомства Рх с ореховидным
гребнем. Расщепление ъ Р2ъчисловом отношении было таким же,
как при обычном дигибридном скрещивании: 9/16 особей имели
ореховидные гребни, 3/16 — розовидные, 3/16 — гороховидные и
1/16 — листовидные. Однако присутствие в генотипе двух
доминантных генов К + Р привело к новому качеству.
2.3.2. ОТЛИЧИЯ ВО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ МЕЖДУ ДОМИНАНТНЫМИ
И РЕЦЕССИВНЫМИ ГЕНАМИ
Примером подобного отличия может служить генетическая
детерминация плода у фигурной тыквы {СисигЬНа реро). Отселекти-
рованы линии, отличающиеся по форме плода. Сферическая
форма плода у тыквы — рецессивный признак по отношению к диско-
видной форме. От скрещивания двух линий разного
происхождения, но со сферической формой плода было получено потомство
(Р{) с дисковидными плодами (рис. 2.17), а в Р2 — три типа расте-
ААЬЬ
Сферическая
ааВВ
Сферическая
X
АаВЬ
Дисковидная
А-В-
Дисковидная
А-ЬЬ и оаВ-
Сферическая
оаЬЬ
Удлиненна
9/16
6/16
1/16
Рис. 2.17. Наследование формы плода у фигурной тыквы (СисигЫшреро) при взаимо-
-■' действии двух пар генов (Лобашев М. Е. Генетика. — Л., 1967. — С. 164)
55

ний, различающихся по форме плода: 9/16 из них имели дис-
ковидные плоды, 6/16 — сферические и 1/16 — плоды
удлиненной формы. Это свидетельствует о том, что изучающийся
признак обусловлен двумя парами генов, при этом каждый из неал-
лельных генов А и В определяет образование одинаковой формы
плода, их взаимодействие в доминантном состоянии дает другой
результат, а в рецессивном — приводит к появлению нового
признака: 9А-В- : {ЗА-ЬЬ + ЪааВ-): ХааЪЪ. Таким образом, в этом
скрещивании:
• проявилось фенотипическое сходство двух разных геномов
(ААЬЬ и ааВВ);
• Рх по изучавшемуся признаку отличалось от обоих
родителей;
• в?2 проявился один новый признак.
2.3.3. КОМПЛЕМЕНТАРНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГЕНОВ
Впервые подобный тип взаимодействия был выявлен У. Бет-
соном и Р. Пеннетом у душистого горошка {Ьшкугт оАогаШз).
При скрещивании двух линий с белыми цветками в первом
поколении все растения имели пурпурные цветки, ав^ было
получено 9/16 растений с пурпурными цветками и 7/16 с
белыми, т. е. расщепление было
близким к 9:7 (рис. 2.18).
Так как число растений с
пурпурным венчиком
составило 9/16 всех полученных
растений, правомерно
предположить, что здесь
взаимодействуют два независимых
доминантных гена. Белый цвет
венчика вызван или
отсутствием в генотипе какого-то
одного из этих генов или их
присутствием в рецессивном
состоянии. Это предположение
можно проверить, построив
решетку Пеннета (рис. 2.19). На
этом рисунке один ген обо-
ААЬЬ
Белый
оаВВ
Белый
АаВЬ
Пурпурные
А-В-
Пурпурные
аа- и —ЬЬ
Белые
9/16
7/16
Рис. 2.18. Наследование окраски цветков
душистого горошка (Ьагкутз ойогаш) при
взаимодействии двух пар генов (Лоба-
шев М. Е. Генетика. — Л., 1967. — С. 158)
56
значен С, а другой Р.
Согласно предположению о
происхождении окрашенного
венчика генотип растений одной
линии обозначен ССрр, а
второй — ссРР. Первый родитель
р
Гаметы
рр^
Белый
Ср
X
СсРр
Пурпурный
СР, Ср, сР, ср
ссРР
Белый
сР
Г, СР
Ср
сР
ср
Пурпурный
СсРР
Пурпурный:
СсРр ;
Пурпурный.
ССрр
Белый
СсРр %
Пурпурный^
Ссрр
Белый
СсРр
Пурпурный^
ссРР
Белый
ссРр
Белый
ссРр
Белый
ссРр
Белый
ссрр
Белый
Рис. 2.19 Расщепление по окраске цветка у душистого горошка {1м1купк оАогаШ)
(Синнот Э., Денн Л. Курс генетики. — М.; Л., 1934. — С. 96)
производит гаметы Ср, а второй — с Р. При соединении этих гамет в
генотипе появляются доминантные аллели генов С и Р, что
обусловливает возникновение пурпурного цвета венчика. Р\
продуцирует четыре типа гамет СР, Ср, сРи ср. Следуя гипотезе, мож-!
но заключить, что растения с пурпурным венчиком дадут зиготы,
в которых соединятся доминантные аллели двух генов. Отсюда,
как следствие, расщепление в отношении
9Д6(С-Р-): 7/ЩУ16С-рр + 3/16ссР- + 1/16ссрр)
пурпурные
белые
Гены, действующие подобно генам С и Р, получили название
комплементарных.
57

Приведем еще один пример взаимодействия комплементарных /
генов у растений. У пшеницы имеются два гена гибридного некроза
Ые\ и Нё2 генотипы Ме\Ме1пе2пе2 и ие1яеШе2#е2 дают нормально
развивающиеся растения. Скрещивание между собой таких
генотипов приводит к летальности или сублетальности гибридов
^1 в результате отмирания листьев. По каждому из генов
установлена серия аллелей. Для гена Ые\ — №1К (слабый аллель —
м>еак), Ые\т (аллель средней силы — тейшт) и №1" (сильный
аллель — з(гоп^), а для гена Ме2 — аллели ИеТ", Ие!*"", Ме2т,
Ме2т5, Ые2\ Объединение в зиготе различных по силе действия
аллелей приводит в Р1 к развитию растений с разной степенью
гибридного некроза: от гибнущих в фазе трех листьев
(генотип Ые\5пе\Ме25пе2) до слегка угнетенных или почти
нормальных (генотип Ые\кпе1Мв2^пе2). Последние, как правило,
завязывают зерна, высев которых в Р2 дает расщепление в
соотношении 9/16(7Уе1и'-7Уе2и'-): 7/ЩЗ/16Ме1»-пе2пе2 +Ъ/\6пе\пеШе2у'- +
+ \/\6пе\пе\пе2пе2). Существуют сорта пшеницы, не несущие в
своих генотипах доминантных аллелей генов гибридного
некроза (генотип пе\пе\пе2пе2). В этом случае говорят, что сорт
«свободен» от генов гибридного некроза.
2.3.4. ЭПИСТАЗ (СУПРЕССИЯ)
Несколько другое расщепление в р2 получается при
взаимодействии генов по типу эпистаза. Это случаи, когда один ген
подавляет фенотипическое проявление другого, неаллельного
ему гена. Эпистаз аналогичен доминированию, однако при
доминировании оба гена аллельны, а при эпистазе находятся в
разных локусах. Подобные гены получили название эпистати-
ческих генов. Как правило, их обозначают буквами / (от англ.
тЫЪШоп) или 51 (от англ. зирргехзюп). Подавляемые гены
называют гипостатическими. Примером эпистаза может служить
детерминация окраски оперения у кур. У кур породы леггорн
белое оперение, поскольку в их генотипе С СП ген /является
ингибитором по отношению к гену С и подавляет фенотипическое
проявление последнего. У кур породы виандот также белое
оперение, так как их генотип сси. При скрещивании курицы
породы леггорн с петухом породы виандот были получены
следующие результаты (рис. 2.20).
В этом случае расщепление в Р2 отличается от обычного дигиб-
ридного (9 : 3 : 3 : 1) и составляет 13 : 3 или 13/16 с белым
оперением : 3/16 с окрашенным оперением. В данном случае на один и тот
же признак действуют два гена.
58
р
Гаметы
Леггорн
ССП
Белые
С/
Виандот
сен
Белые
с/
СсП
Белые
Гаметы
ь а
а
с/
а
а
с/
ССИ
Белые
ССП
Белые
СсП
Белые
СсП
Белые
ССП
Белые
шщ
; Сси ^
Окрашенные^
СсП
Белые
V Сен \
$Окрашенныв^
СсП
Белые
СсП
Белые
сс/1
Белые
ее//'
Белые
СсП
Белые
шщ
• Сси \
;Окрашенные$
ссН
Белые
ССН
Белые
Рис. 2.20. Расщепление по окраске оперения при скрещивании кур породы леггорн
виандот (СиннотЭ., Денн Л. Курс генетики. — М., Л., Г934, — С.103)
2.3.5. ДОМИНАНТНЫЙ ЭПИСТАЗ
Примеры подобного взаимодействии генов — случаи
наследования окраски чешуи у лука. Доминантный аллель гена Л
вызывает у лука развитие красной окраски чешуи, сочетание двух
рецессивных аллелей гг дает — белую, доминантный аллель гена
/детерминирует развитие белой окраски чешуи и одновременно
подавляет «действие» гена К, а двойная рецессивная гомозигота (Пгг)
приводит к развитию желтой окраски чешуи. Взаимодействие всех
вышеназванных генов представлено на рисунке 2.21.
Из рисунка видно, что:
1-К— белая чешуя (9);
1-гг— белая чешуя (3);
•■* " 59

р
Гаметы
Гаметы
Нгг
Белая
X
ИЯг
Белая
ПЯЯ
Красная
/7?
/У?
ПЯЯ
Белая
ИЯг
Белая
//У?/?
Белая
ИЯг
Белая
ИЯг
Белая
Нгг
Белая
НЯг
Белая
Нгг
Белая
//7?/?
Белая
НЯг
Белая
$ ///?/? ^
^ Красная ^
$ пяг \
ч Красная ^
те
Шг
Белая
Нгг
Белая
$ »*' \
\ Красная ^
к\\\\\\
4 Нгг ч
ч Желтая ч
Рис. 2.21. Расщепление по окраске чешуи у лука
ПК— красная чешуя (3);
Нгг— желтая чешуя (1).
Следовательно, соотношение по окраске чешуи луковиц в
данном скрещивании будет 12: 3 :1.
2.3.6. КРИПТОМЕРИЯ
Примером взаимодействия, получившего название
криптомерии (рецессивного эпистаза), также может быть детерминирование
окраски луковицы. У лука белая окраска луковицы определяется
рецессивным состоянием гена с, доминантный же аллель дает
желтую окраску. Имеется также два аллеля Ни г, которые в сочетании
с геном С детерминируют или желтую, или красную окраску
луковицы. Взаимодействие генов и влияние на расщепление по
окраске луковиц в Р2 показаны на рисунке 2.22.
60
р
аметы
/г
ССгг
Желтая
Сг
Г\ у
Гаметы I СЯ
Г, ^ |
Г2 СЯ
Сг
сг
$ ССЯЯ \
^ Красная ч*
$ ССЯг \
ч Красная ч
5 СсЯЯ \
\ Красная \
: СсЯг %
; Красная ^
А
СсЯг
Красная
Сг сЯ
? ССЯг \
; Красная ^
^ ССгг <
•• Желтая ^
: Красная ^
^ Ссгг \
4 Желтая ,
ч|^ШЩ
<: СсЯЯ \
\ Красная л
^ч^^ч^ч^^
^ СсЯг \
ч; Красная ;;
ссЯЯ
Белая
ссЯг
Белая
ссЯЯ
Белая
сЯ
сг
^ СсЯг \
)\ Красная ч;
^ Ссгг \
^ Желтая ч
ссЯг
Белая
ссгг
Белая
Рис. 2.22. Наследование окраски луковицы при криптомерии
В итоге:
С-К— красная (9);
С-гг — желтая (3);
ссК— белая (3);
ссгг— белая (1).
Расщепление в Р2 составило 9:3:4.
2.3.7. ПОЛИМЕРИЯ
Честь открытия взаимодействия генов по типу полимерии
принадлежит шведскому генетику Нильсону-Эле (1909). Сущность
данного явления заключается о том, что неаллельные гены
оказывают сходное действие на один и тот же признак. Подобные гены
получили название полимерных, а если их только два, то — дупли-
катных (йирИсаге /акгогз). В качестве примера действия подобных

Красный
Белый
Красный
Красный ^ \\ Красный х;
Красный ж \\ Красный NN чХ Красный
Рис. 2.23. Схема, показывающая результаты скрещивания между краснозерной и
белозерной пшеницей. Красный цвет перикарна (семенной оболочки) зависит от
действия какого-либо из двух факторов Къ Кг или обоих вместе (СиннотЭ., ДеннЛ.
Курс генетики. - М.; Л., 1934. - С. 112)
генов можно привести наследование окраски зерновки у
пшеницы*. Нильсон-Эле показал, что признак «окраска зерновки»
обусловлен действием нескольких генов (от одного до трех). Если это
один ген, то при скрещивании краснозерной формы с белозерной
расщепление в Р2 будет 3:1. Но если этих генов больше
(например два), то расщепление на краснозерные и белозерные растения
будет соответствовать данным, приведенным на рисунке 2.23, и
составит 15:1. Если же генов К будет три, то расщепление (что
нетрудно подсчитать) составит 63:1. Этот факт интересен сам по
* Окраска зерновки зависит от окраски перикарпа, представляющего собой
материнское образование.
62
себе, но еще более интересно то, что интенсивность окраски
зависит от числа (дозы) доминантных аллелей (К) на зиготу.
Растения с генотипом Л]^^2^2 имеют темно-красные зерна, с
генотипом /?)Г]/?2Г2 менее интенсивно окрашенные, а с генотипом
К-1г\г7гг или Г1'"1^2Г2 — слабо-розовые, т. е. полимерные гены
оказывают взаимоусиливающее действие. При этом полимерные
гены действуют аддитивно, поскольку это действие носит
кумулятивный характер.
Открытие этого феномена имеет большое практическое
значение, поскольку большинство количественных признаков
(высота растения, число зерен, масса 1000 зерен и т. п.)
определяются полимерными генами и представляют собой предмет,
изучаемый генетикой количественных признаков. Поскольку
полимерные гены действуют на один и тот же признак, их
обозначают одной и той же буквой, а разные аллельные пары — цифрами:
К\-г\, Я2-г2; К3-г3.
2.4. ПЛЕЙОТРОПИЯ
Плейотропия — явление, заключающееся в том, что один ген
оказывает влияние на несколько признаков. Так, еще Мендель
заметил, что один из изучавшихся им генов, детерминировал
проявление красного пигмента: красную окраску цветков,
красные пятна на прилистниках, а также определял окраску
семенной кожуры.
У человека рецессивный ген, вызывающий болезнь фенилкето-
нурию (накопление в крови фенилаланина), одновременно
детерминирует серьезные нарушения умственных способностей.
2.5. ТРАНСГРЕССИЯ
Трансгрессия — явление усиления какого-либо признака у
гибридов по сравнению с родительскими формами. При этом
усиление признака может быть получено при скрещивании
родительских форм с одинаковым по выраженности признаком. Это
явление связано также с полимерными генами. Предположим, что
имеются полимерные гены, доминантные аллели которых
усиливают какой-то признак. Тогда:
Положительная трансгрессия (+)
Отрицательная трансгрессия (—)
63

2.6. МОДИФИЦИРУЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ ГЕНОВ.
ПЕНЕТРАНТНОСТЬ, ЭКСПРЕССИВНОСТЬ, НОРМА РЕАКЦИИ
Изучение взаимодействия генов показало наличие генов двух
типов. Одни гены определяют развитие признака или свойства, а
другие (они были названы генами-модификаторами), не
определяя сами развитие этого признака, усиливают или ослабляют
действие основного гена. Наглядным примером действия
генов-модификаторов может служить пегая окраска шерстного покрова у
крупного рогатого скота, когда у одних особей развиваются
крупные пятна, а у других небольшие. Размер пятен зависит от
наличия генов модификаторов и от их числа.
В 1925 г. Н.В. Тимофеевым-Ресовским были введены в
научную литературу два понятия: пенетрантность и экспрессивность
(рис. 2.24). Под пенетрантностъю понимают наблюдаемые
различия по проявлению исследуемого признака в группе одинаковых
по генотипу особей. Например, у дрозофилы есть ген у# (уе$Н§га1),
детерминирующий зачаточные крылья и жужальца. У
гомозиготных по этому гену особей (у§у§) данный признак более четко
проявляется при понижении температуры. Поэтому при колебаниях
температуры у разных особей он проявляется неодинаково.
Пенетрантность определяется долей особей, проявляющих
определенный признак, от числа всех особей одинакового генотипа,
используемых в опыте. Кроме того, изучаемый признак может быть
выражен у имеющих его особей в большей или меньшей степени.
Это и есть экспрессивность, количественно описывающая степень
варьирования изучаемого признака.
Открытие пенетрантности и экспрессивности доказывает
влияние условий, в которых развивается организм, на проявление его
определенных признаков и свойств. При этом одни организмы
Неполная
пенстраитность
Варьирующая
экспрессивность
Неполная
пенетрантность
и варьирующая
экспрессивность
Фенотишмеское проявление
отФотото
ООС
©оо
о
Рис. 2.24. Схема, поясняющая варьирование экспрессивности и пенетрантности
признака (Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции. — М., 1989. — С. 53)
64
сильнее реагируют на изменение внешних условий, другие слабее.
Естественно, что это прежде всего зависит от генотипа
определенного организма и действия генов в определенных условиях среды.
Реакция организма на варьирующие условия внешней среды
получила название нормы реакции. Это очень важный показатель,
особенно в селекционной практике. Действительно, для одних
условий (южная засушливая степь) необходимо создавать сорта
растений с широкой нормой реакции, а для других (сорта для теплиц,
с четко контролируемыми условиями) — с узкой.
Вопросы и задания. 1. Дайте определение понятий «гомозиготный организм» и
«гетерозиготный организм». 2. Что понимается под анализирующим
скрещиванием? 3. В чем состоят особенности подходи Менделя к изучению гибридов? 4. В чем
суть менделевского закона единообразия мерного поколения? 5. Каковы
цитологические основы расщепления? 6. Дайте определение понятий «полное
доминирование», «неполное доминирование», «кодоминирование». 7. В чем сущность
закона чистоты гамет и роль мейоза и его осуществлении? 8. Как сравнить
фактически полученные расщепления с теоретически ожидаемыми и оценить
достоверность этого сравнения? 9. Назовите условия, при которых можно ожидать
осуществления менделевских закономерностей. К). Что такое комплементарное
взаимодействие генов? 11. Какие типы взаимодействия генов, приводящих к
отклонению от менделевских закономерностей, вы чпнете? 12. В чем отличие
доминирования от эпистаза? 13. Что понимается под термином «трансгрессия»? Какие
трансгрессии бывают? 14. Влияют ли внешние условия на проявление действия
гена? 15. Поясните понятия «пенетрантноси.» и «жсирессивность».
Литература
Мир, 1987.-Т.1.
Киев: Паукова думка, 1983.
АйалаФ., КайгерДж. Современная генетика. М
Гершензон С. М. Основы современной генетики.
ГершковичИ. Генетика. — М.: Наука, 19(>Н.
Дубинин Н. П. Генетика. — Кишинев: Штшпша, 1985.
Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции. — М.: Высшая школа, 1989.
ЛобашевМ. Е. Генетика.—Л.: Изд-во Леп.универс, 1967.
СиннотЭ., Денн Л. Курс генетики. — М.; Л.: Ниомедгич, 1934.

Глава 3
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ.
СТРУКТУРА Ш ФУНКЦИИ ГЕНА
На молекулярном уровне происходит
взаимопроникновение и объединение
генетики и молекулярной биологии.
Андрэ Львов, 1985
Переход биологических исследований в середине XX в. на
молекулярный уровень организации жизни, что привело к
расшифровке «вещества наследственности», имеет для
человечества не меньшее значение, чем открытие в начале прошлого века
структуры атомного ядра, проложившее путь к использованию
ядерной энергии.
Развитие молекулярной биологии и молекулярной генетики
создает совершенно новые перспективы реализации творческих
идей человека в самых тонких проблемах биологии. Развитие
генной инженерии открыло человеку широкую дорогу к
созданию уникальных сортов и гибридов растений, к
конструированию новых родовых форм организмов и т. д. Огромное научное и
практическое значение имеет новое направление генетики — ге-
номика, изучающая не только отдельные гены, но и целые
геномы. Благодаря достижениям молекулярной генетики человек
получил возможность читать генетические тексты: сначала у
вирусов, бактерий, дрожжевых грибов, а затем и у более сложных
форм. В настоящее время в лабораториях мира завершается
расшифровка генома человека.
3.1. ГЕНЕТИЧЕСКАЯ РОЛЬ НУКЛЕИНОВЫХ
КИСЛОТ
Рассмотрим основные доказательства роли нуклеиновых
кислот как носителей наследственной информации.
3.1.1. ТРАНСФОРМАЦИЯ БАКТЕРИЙ
Первым доказательством генетической роли ДНК
послужила ее способность переносить наследственные свойства
вирулентности у пневмококков. Трансформацию пневмокок-
66
ков (В[р1ососст рпеитотае) открыл в 1928 г. бактериолог
Ф. Гриффит.
В опытах были использованы два штамма пневмококков,
различающиеся по характеру роста на плотных питательных
средах и патогенности по отношению к подопытным
животным — мышам. 8-штамм пневмококка образует на агаре
гладкие блестящие колонии; его клетки заключены в полисахарид-
ную капсулу. 8-штамм патогенен для мышей, поскольку поли-
сахаридная капсула защищает бактериальные клетки от
иммунной системы зараженного животного. Мыши, которым вводили
живые клетки 8-штамма пневмококка, погибали.
Другая форма пневмококка, К-штамм, не имеет капсулы,
образует шероховатые колонии и непатогенна для мышей.
Ф. Гриффит обнаружил, что если мышам одновременно
ввести убитые нагреванием до 65 °С клетки штамма 1118 и живые
клетки штамма ПК., то некоторые мыши погибают, а из их
трупов можно выделить клетки с патогенностью штамма 1118. В
контрольных же экспериментах мыши, зараженные убитой
формой 1118 или живой формой ПК., не заболевали.
Следовательно, при наличии убитых нагреванием клеток 1118 живые
клетки ПК. могут трансформироваться, приобретая таким
образом свойства патогенности (рис. 3.1).
В дальнейшем другие экспериментаторы показали, что такая
же трансформация Ь.рпеитотае может происходить т укго. В
1944 г. О. Эвери, К. Мак-Леод и М. Мак-Карти, используя этот
подход, идентифицировали трансформирующий агент как ДНК.
Выделенная из клеток штамма 1118 и добавленная в культуру
клеток ПК ДНК трансформировала часть клеток, передав им
способность вирулентности. Они приобретали способность стойко
передавать это свойство при дальнейшем размножении.
Добавление дезоксирибонуклеазы (ДНКазы)— фермента, специфически
разрушающего ДНК, препятствовало трансформации.
Таким образом было получено первое прямое
доказательство генетической роли ДНК у бактерий. В дальнейшем
предпринимались многочисленные попытки трансформации
низших эукариот — дрожжей, водорослей, а также
многоклеточных животных и растений. Эти попытки оставались
безуспешными до конца 70-х годов XX в., когда стала развиваться
технология генной инженерии и были разработаны методы так
называемой векторной трансформации. В настоящее время
проблема трансформации эукариот решена и роль ДНК как
универсального носителя генетической информации не
вызывает сомнения.
67

/(оуЛсш
(©[(©I
5-штамм
Погибает
<§>©
Р-штамм
Выживает
5-штамм,
убитый
нагреванием
В
Выживает
К-штамм
5-штамм,
убитый
нагреванием
Рис. 3.1. Трансформация пневмококков в опытах Ф. Гриффита:
Л — 5-штамм пневмококков вызывает гибель мышей; Б — К-штамм невирулентен; В — убитые
клетки 5-штамма невирулентны; Г—превращение 5-штамма в К-штамм, мышь погибает
(Сэйджер Р., Райян Ф., из кн.: Дубинин Н. П. Общая генетика. — М., 1986. — С. 164)
3.1.2. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ДНК И ВИДОВАЯ СПЕЦИФИЧНОСТЬ
ЕЕ НУКЛЕОТИДНОГО СОСТАВА
Уже первое доказательство роли ДНК как носителя
наследственной информации организмов привлекло огромное внимание
к изучению нуклеиновых кислот. Уместно напомнить, что уже в
1869 г. Ф. Мишер выделил из ядер клеток особое вещество, кото-
68
пое назвал нуклеином. Через 20 лет это название было заменено на
термин Тутовая кислота. В 1924 г. Р. Фельген разработал метод
цитологического распознавания «У^еиноных ^Х-1^^
их специфического окрашивания и показал, что ДНК локализуется
™?к?еток а РНК - в цитоплазме. В 1936 г. А.Н. Белозерский и
ИИ^ Дубровская выделили ДНК в чистом виде из ядер
растительных клеток К началу 30-х годов XX в. уже были выяснены
основные х^мическ^е принципы строения Сахаров нуклеиновых кислот,
я в 1953 г была создана структурная модель ДНК.
Основная структурная единица нуклеиновых кислот - нуклео-
тид который состоит из трех химически различных частей, со-
^^^^^Т^ углерода: Эе-
вание ковалентно соединенное с первым атомом углерода сахара,
формирует структуру, называемую нуккозидом. ДНК
содержит пуриновые основания - аденип (А) и гуа /ш/«(П - итфи
мвдиновые основания- тимин (Т) и щапошп (Ц). Соо™етствую
щГе нуклеозиды называются д е з о к с и а Д с н о н о м, д е -
зо к с и г у а н о з и н о м, дезокситимидином и де
з о к с и Ц и т и д и н о м. РНК содержите же I .урш юные ос. ювания, что
и ДНК а также пиримидиновое оспонапие щтнгшн, по вместо ти-
мина в ее состав входит урацил (У); соотнегстну.о.цие пуклеозиды
называются а д е н о з и н о м, г у а и о з и и о м, у р и д и и о м
И ТретьюДчасть°нМуклеотида составляет <|н.сфатпая ,-руппа кото-
пая соединяет соседние нуклеозиды в полимерную цепочку
посредством фосфодиэфирных связей между 5'-атомом у.ж«[ну^ОД-
ного сахара и З'-атомом углерода другого (рис. 3.2, /, и П). Иуклео-
X^шзываются нуклеозиды с одной или пссколжими фос-
Латными группами, присоединенными эфир ми связями к 5
Ж'-атома^углерода сахара. Синтез пукж-отидов пред.мествует
синтезу нуклеиновых кислот, и соответственно иуклеотиды яв-
ляютсяУпро^тами химического или (ферментативного гидролиза
^у^еиновслоты - очень длинные полимерные,ц=,
состоящие из мононуклеотидов, соединенных 5 и 3-фосфоди-
эфирньТи связями. Интактная молекула Д11К
содержуг.зависимости от вида организмов от несколькихтысячдо.многих милли
онов нуклеотидов, интактная молекула РНК от 100 до 100тыс. и
%1зул^ьведенных Э. Чаргаффом анализов нуклеотидно-
го состава ДНК различных видовых форм показали что молеку-
л^ное соотношение различных азотистых основании - аденина,
гуанина тимина, цитозина - варьирует в широких пределах.
Поэтому стал о^сно, что ДНК вовсе не монотонный полимер, со-
' ' 69

Дезокеиаденознн
Нукяеозид
Пуриновое основание — аденин
Н Н
;\т..- *
он "
Сахар — дезоксирибоза
—— Нуклеотид .
Дезоксиаденозин-5 -фосфат
Дезокситуанозин
г — Нуклеозия -
Пуримовое основание — гуанин
О
н
^N'
н
5'
Сахар — дезоксирмбоза
.— . Нуклеотид ~
А
Дезокситимшшн
I Нуклеозид— .
Пиримидиновое основание — тимии
О
ОН "
Сахар — дезоксирибоза
Нуклеотид
Дезокситимидин-5 -фосфат
Дезокси цитидии
р~— Нуклеозид— —|
Пиримидиновое основание — цитозин
Н Н
Дезоксшуанозин-5 -фосфат
Сахар — л
НуКЛСОТИЛ
Дезоксицитидин-5 -фосфат
н
Г тнмин
3 -конец
^132- СтРУктУРиые Формулы нуклеотвдов {А), ДНК (Б) и РНК (В)
(Аиала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. — М., 1988. — Т. 1. — С. 102-103)

стоящий из одинаковых тетрануклеотидов, как предполагали в
40-е годы XX в., и что он в полной мере обладает сложностью,
необходимой для сохранения и передачи наследственной
информации в форме специфической последовательности нуклео-
тидных оснований.
Исследования Чаргаффа выявили также особенность, присущую
всем молекулам ДНК: молярное содержание аденина равно
содержанию тимина, а молярное содержание гуанина — содержанию ци-
тозина. Эти равенства называются правилом эквивалентности
Чаргаффа: [А] = [Т], [Г] = [Ц]; количество пуринов равно
количеству пиримидинов. В зависимости от видовой принадлежности
меняется лишь отношение ([А] + [Т])/([Г] + [Ц]) (табл. 3.1).
3.1. Содержание азотистых оснований и их соотношение в ДНК различных организмов*
Объект
Животные
Человек
Овца
Курица
Черепаха
Лосось
Морской краб
Морской еж
Саранча
Растения, грибы
Зародыш пшеницы
Дрожжи
Гриб Аврег%Шш пщег
Бактерии
ЕзскепсЫа соН
51арку1ососсиз аигет
С1о5(1'Шшт рефт&ет
ВгисеИа аЬоПш
Загста 1Шеа
Бактериофаги
Т7
X
ФХ 174 (вирусная
форма)
ФХ 174 (репликативная
форма)
Состав оснований, моль%
А
30,9
29,3
28,8
29,7
29,7
47,3
32,8
29,3
27,3
31,3
25,0
24,7
30,8
36,9
21,0
13,4
26,0
21,3
24,6
26,3
Г
19,9
21,4
20,5
22,0
20,8
2,7
17,7
20,5
22,7
18,7
25,1
26,0
21,0
14,0
29,0
37,1
24,0
28,6
24,1
22,3
Т
Ц
29,4 19,8
28,3 21,0
29,2 21,5
27,9 21,3
29,1 20,4
47,3 2,7
32,1 17,2
29,3 20,7
27,1 22,8
32,9 17,1
24,9 25,0
23,6 25,7
29,2 19,0
36,3 12,8
21,1 28,9
12,4 37,1
26,0 24,0
22,9 27,2
32,7 18,5
26,4
22,3
Отношение
оснований
АД
1,05
1,03
1,02
1,05
1,02
1,00
1,02
1,00
1,01
0,95
1,00
1,04
1,05
1,01
1,00
1,08
1,00
0,92
0,75
1,00
г~гупГ
1,00
1,02
0,95
1,03
1,02
1,00
1,02
1,00
1,00
1,09
1,00
1,01
1,11
1,09
1,00
1,00
1,00
1,05
1,30
1,00
Асимметрия
(А + Т)/(Г + Ц)
1,52
1,36
1,38
1,31
1,43
17,50
1,58
1,41
1,19
1 79
1, /У
1,00
0 93
1,50
2,70
0,72
0,35
1,08
0,79
1,34
1,18
* По Ьепшп§ег А. Ь. ВюсЪегшзНу, 2пй ей., ХУоШт РиЬНзЬегз, №\у Уогк, 1975.
72
Эта величина получила наименование коэффициента нуклео-
тидной (видовой) специфичности. В открытии Чаргаффа была
сформулирована важная структурная особенность ДНК, которая,
как он отмечал, «заслуживает внимания». Через 3 года она нашла
отражение в структурной модели ДНК Дж. Уотсона и Ф. Крика
(1953), которые фактически показали, что правила Чаргаффа не
накладывают никаких ограничений на возможное число
сочетаний различных последовательностей оснований, которые могут
образовывать молекулы ДНК.
Положение о нуклеотидной специфичности легло в основу
новой отрасли биологии — геносистематики, которая оперирует
сравнением состава и структуры нуклеиновых кислот для построения
естественной системы организмов (см. Антонов А. С. Основы
геносистематики высших растений. — М., 2000).
3.1.3. СОПОСТАВЛЕНИЕ ПЛОИДНОСТИ И СОДЕРЖАНИЯ
ДНК В КЛЕТКЕ
Параллелизм в поведении хромосом и генов натолкнул
исследователей на мысль сопоставить плоидность (число наборов
хромосом) клеток и содержание в них ДНК. Уже в конце 40-х годов
группой авторов, в частности А. Мирским и X. Рисом, было
показано, что в клетках различных тканей одного и того же организма
количество ДНК в расчете на гаплоидный набор хромосом
постоянно, причем в половых клетках она представлена в половинном
количестве. Это можно считать доказательством роли ДНК в
наследственности .
3.1.4. ПЕРЕДАЧА НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ
ЧЕРЕЗ ДНК ВИРУСОВ
Второе прямое доказательство роли ДНК в наследственности
получили в 1952 г. А. Херши и М. Чейз при изучении
размножения бактериофага Т2 при инфицировании кишечной палочки
ЕзсИепсЫа соН. Этот вирус состоит из двух макромолекулярных
компонентов: белка и ДНК. Последняя заключена в белковую
оболочку.
Частица бактериофага похожа на головастика с булавовидной
головкой и «хвостом» с отростками (рис. 3.3). При
инфицировании бактерии фаг Т2 присоединяется с помощью хвостовых нитей
к клетке Е.соН и «впрыскивает» в нее содержимое своей головки,
т. е. молекулу ДНК без белка. Наступает период размножения
частиц фага в клетке бактерии. Проникая в клетку бактерии, ДНК
вируса изменяет функционирование генетического аппарата
бактерии. ДНК фага кодирует фермент, репрессирующий гены бакте-

Белковые оболочки
специфически метятся 353
Некоторые из вновь образованных
фаговых частиц содержат в
хромосомах Р, но ни одна
не содержит
в оболочке
ДНК метится 32Р
Репликация
фагов
Прикрепление вируса
к клетке хозяина
Встряхивание
на магнитной
мешалке
д
Белковые «тени»,
меченные 358
Рис. 3.3. Схема опыта Херши—Чейз, в котором было показано, что компонентом,
ответственным за образование потомства фага Т2 в зараженной фагом клетке, является
ДНК фага (Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. — М., 1987. — Т. 1. — С. 98)
рии. В результате этого хромосома Е.соН разрушается, а ДНК-по-
лимераза клетки бактерии используется для репликации вирусной
ДНК. Другие компоненты фаговой частицы, синтезируясь
отдельно, возникают заново.
В эксперименте А. Херши и М. Чейз была поставлена задача,
используя метод радиоактивных изотопов, выяснить роль каждого
из двух макромолекулярных компонентов (ДНК и белка) в
формировании потомства фага. В качестве маркера ДНК
использовали радиоактивный фосфор, а белок метили радиоактивной серой,
входящей в состав аминокислот метионина и цистеина. Фаг Т2
размножали на бактериях, культивируемых в среде с
радиоактивным изотопом 355, в результате чего белок фага был помечен этим
изотопом. По меньшей мере 99 % всего фосфора в фаге Т2
приходится на долю ДНК; ее пометили радиоактивным изотопом 32Р.
Эти радиактивные метки позволяли проследить пути белка и ДНК
фага Т2 при инфекции.
Инфекционный процесс начинается с прикрепления фага к
бактериальной клетке (см. рис. 3.3). Этот этап можно наблюдать с
74
помощью электронного микроскопа. Результаты наблюдений
подтверждаются тем, что при центрифугировании клеток на данной
стадии инфекции фаги, содержащие как 358, так и 32Р, осаждаются
вместе с бактериями. Херши и Чейз обнаружили, что вскоре после
инфицирования большую часть меченного 358 белка можно отделить от
бактериальных клеток, активно перемешивая и встряхивая культуру
на мешалке; однако большая часть меченной 32Р ДНК не отделяется
при этом от бактериальных клеток, поскольку, по-видимому,
оказывается в это время уже внутри их. Устранение из культуры пустых
белковых оболочек фага («теней») не влияет на дальнейшие события:
происходит лизис бактерий, и из них выходит потомство фага точно
так же, как в том случае, когда тени остаются прикрепленными к
клеткам (см. рис. 3.3). На основании результатов этого опыта Херши
и Чейз сделали вывод, что для образования копий фага в зараженной
бактериальной клетке существенна лишь ДНК родительского фага,
хотя сами копии содержат как ДНК, гак и белок. Авторами было
высказано предположение, что белковый компонент фага лишь
защищает ДНК от расщепляющих ферментов и обеспечивает
попадание ДНК в бактериальную клетку, тогда как ДНК представляет
собой собственно вещество наследственности. Таким образом
доказано, что именно ДНК, а не белок определяет размножение
бактериофага в инфицированных клетках бактерии.
Результаты эксперимента Херши и Чейч свидетельствовали о
важной генетической роли ДНК, что сразу же было по достоинству
оценено в научных кругах в отличие от результатов опыта Эвери,
Мак-Леода и Мак-Карти по трансформации пневмококков. Но-нер-
вых, это объясняется тем, что эксперимент был поставлен на
бактериофаге, относительно которого было хорошо известно, что по
характеру наследования признаков он аналогичен высшим
организмам; на фаге Т2 было продемонстрировано существование мутаций
и, как и у высших организмов, описана рекомбинация мутантных
генов. Во-вторых, результаты проводившихся в 1944—1952 гг.
химических исследований состава ДНК многих различных
организмов опровергли широко распространенное ранее представление о
ДНК как о простом полимере, в котором один те трануклеотид
многократно повторяется во всех молекулах, и послужили вескими
аргументами в пользу того, что ДНК обладает достаточной
химической сложностью, чтобы служить веществом наследственности.
3.1.5. БАКТЕРИЯ ЕЗСНЕЯ1СН1А СОИ КАК ВАЖНЫЙ ОБЪЕКТ
ГЕНЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Кишечная палочка {ЕзсНепсЫа соН) — бактерия, которая
обычно обитает в кишечнике человека и животных. В современных
исследованиях по молекулярной генетике она занимает одно из
первых мест. Это палочковидный организм около 2 мкм длиной и
75

0,8...1мкм толщиной. Снаружи клетка кишечной палочки одета
жесткой оболочкой, сохраняющей свою форму даже в том случае,
если в силу тех или иных причин утрачивается ее содержимое.
Под клеточной оболочкой лежит эластичная тонкая цитоплазма-
тическая мембрана. Если удалить клеточную оболочку действием
на нее фермента, то клетка вместе со своим содержимым
принимает форму шарика, называемого протопластом, или сфероплас-
том. Содержимое клетки бактерии представлено протоплазмой,
состоящей из цитоплазмы и включенных в нее молекул ДНК.
Клетка гаплоидна и содержит одну хромосому, представляющую
собой длинную кольцевую нить ДНК. Ее длина около 1300 мкм,
т. е. она в 600 с лишним раз длиннее самой бактериальной клетки.
Однако в клетке ДНК многократно свернута и плотно
«упакована». По меньшей мере в одной точке хромосома фиксирована на
образованиях, отходящих от цитоплазматической мембраны в глубь
клетки и называемых мезосомами.
Хромосома у кишечной палочки реплицируется от одной
строго определенной точки, в которой она прикреплена к
цитоплазматической мембране. «Волны репликации» идут в обоих
направлениях от стартовой точки и встречаются друг с другом посередине
хромосомного кольца. На репликацию хромосомы у кишечной
палочки затрачивается около 20 мин. Затем синтезированные
хромосомы отходят друг от друга и между ними начинает
формироваться перегородка из цитоплазматической мембраны. Некоторое
время разграниченные перегородкой протопласты остаются под
одной клеточной оболочкой, но затем клетка делится.
Исследования показали, что у бактерии существует и половой
процесс, ведущий к объединению и последующей рекомбинации
генов разных родительских типов. В основе полового процесса у
бактерий лежит конъюгация — появление временной связи между
клетками бактерий посредством образования цитоплазматическо-
го мостика. Такая связь создает условия для проникновения
генетического материала из одной клетки бактерии в другую.
В 1952 г. В. Хейс обнаружил, что при явлениях рекомбинаций у
бактерий одна из линий служит донором, а другая —
реципиентом. Донорные клетки (мужские клетки бактерий)
характеризуются наличием у них особого фактора Е+ — не связанной с
хромосомой ДНК, способной к самовоспроизведению. При конъюгации
бактерий фактор Е+ может переходить в реципиентную женскую
клетку Е ~, превращая ее в мужскую.
Половой фактор бактерий (Е+) содержит 105 пар нуклеотидов,
что соответствует по количеству одному геному фага. Бактерии Р~,
т. е. лишенные полового фактора, являются реципиентами. При
конъюгации клеток Е+ и Е ~ в последнюю часто переходит только
половой фактор. Однако, когда фактор Е+ в клетке донора
соединяется с ее хромосомой, конец последней проникает через цитоп-
лазматический мостик в клетку реципиента, обусловливая появле-
76
Рис. 3.4. Электронная микрофотография конъюгации между бактериальными
клетками Юг и Р (Дубинин Н. П. Общая гене гики. М., 19X6. С. 158)
ние клеток, способных к особо высокой частоте рекомбинаций.
Эти клетки были обозначены символом ИГг (от англ. Нщп
{тщиепсу оГгесотЬшаиоп — высокая частота рекомбинации).
На примере фактора Е+ у бактерий было показано, что
отдельная ДНК может существовать как самостоятельно, так и быть
включенной в хромосому бактерии в виде ее части. Такие
молекулы ДНК получили название эписом.
Вначале наличие конъюгации клеток бактерий
постулировалось на основе генетических экспериментов, в которых было
продемонстрировано явление рекомбинации, затем факт
конъюгации бактерий был подтвержден с помощью электронного
микроскопа. На рисунке 3.4 ясно виден цитопла шатичсский мостик,
который служит для перехода фактора Iе'1 и хромосомы бактерий
из одной клетки в другую при их конъюгации.
Механизм рекомбинации у бактерий. II 1955 г. Э. Волльман и
Ф. Жакоб разработали метод анализа, который позволил выяснить,
как бактерии обмениваются между собой генами. Это удалось
сделать путем прерывания конъюгации бактерий в разные сроки после
ее начала. При смешивании клеток штаммов НГг и Е~ в
соотношении 1 :20 происходит их быстрый контакт друг с другом. После
этого в разные интервалы времени конъюгацию бактерий прерывали
механически, встряхиванием их взвеси в гомогенизаторе.
Такое воздействие разъединяет конъюгирующие клетки, ци-
топлазматический мостик, соединяющий бактерии, обрывается, при
этом разрывается и нить ДНК, проходящая сквозь него из клетки
77

НГг в клетку Р . В результате возникает зигота, содержащая
хромосому реципиентной клетки Р ~ и часть хромосомы, пришедшей
из клетки НГг. Такие клетки, в отличие от обычных диплоидных
зигот, получили название мерозигот.
Установлено, что разные гены переходят из мужских клеток
бактерий в женские в строгой последовательности, через
определенные промежутки времени. Это обстоятельство открыло
возможность картирования генов в бактериальной хромосоме в
соответствии с порядком и временем вхождения генов из клеток НГг в
клетки Р ~ в процессе их конъюгации. Обнаружено, что
последовательность вхождения генов из клетки-донора в
клетку-реципиент совпадает с их последовательностью в хромосоме,
определенной при помощи рекомбинационного анализа. При этом
оказалось, что у бактерий донорные клетки переносят реципиентам
только часть генетического материала. Хромосома при
прерывании конъюгации рвется на разных участках. Ее фрагмент, входя в
клетку реципиента, создает в ней частичную диплоидию.
Возникает мерозигота. Путем кроссинговера гены из фрагментов
хромосомы донора переходят в хромосому реципиента и создают в
клетке рекомбинантный генотип.
Генетическая карта хромосомы ЕзскепсМа соН. Исследование
группы линий НГг привели Э. Волльмана и Ф. Жакоба к открытию
кольцевого строения хромосомы Е. соН. Исследуя
последовательность расположения генов при переходе хромосомы НГг в клетку
Р ~, они установили наличие в бактерии кольцевой структуры ДНК,
каждый раз разрывающейся при конъюгации в новом месте.
Из одного штамма Р+ может возникнуть множество различных
штаммов НГг, для каждого из которых характерна собственная
локализация и ориентация Р-фактора в хромосоме бактерии. Это
проявляется в описанных выше опытах с прерванной
конъюгацией: в каждом НГг- штамме передача бактериальной хромосомы
начинается с иной, отличной от других штаммов точки; различна
также и ориентация хромосомы. Для каждого штамма можно
установить характер сцепления между генами, расположенными
неподалеку от точки, с которой начинается передача бактериальной
хромосомы. Совокупность таких данных по множеству различных
штаммов НГг позволяет установить характер сцепления маркеров в
хромосоме в целом и построить генетическую карту хромосомы
Е. сой. Как показано на рисунке 3.5, эта карта имеет форму кольца,
что соответствует кольцевой форме бактериальной ДНК.
Трансдукциоеное картирование. Данные, получаемые при ре-
комбинационном картировании мерозигот, желательно
подтверждать результатами реципрокных скрещиваний. Однако создание
штаммов НГг и Р~, необходимых для таких скрещиваний,
сопряжено с определенными трудностями, поэтому в большинстве
случаев рекомбинационное картирование у Е. соН осуществляют
другим методом, а именно, с использованием мерозигот, возникаю-
78
Генетическая карта Е.соИ К-12
Рис. 3.5. Генетическая карта Е. соН, построенная методом рскомбинанионного
картирования и по данным экспериментов с прерванной конъюгацией (Мала Ф., Кайгер Дж.
Современная генетика. — М., 1987. — Т. 1. — С. 239)
щих при транедукции умеренным бактериофагом Р1. Транс-
д у к ц и я — перенос ДНК из одной клетки в другую,
опосредованный вирусом.
Выделяют два типа осуществляемой с помощью бактериофагов
транедукции: общую и специфическую. При общей транедукции
фаговые частицы, содержащие сегменты ДНК клетки-хозяина,
переносят относительно протяженные участки геномной ДНК из
одной бактериальной клетки в другую.
Специфическая транедукция свойственна бактериофагам,
инфекционный цикл которых прерывается в результате включения
79

генома вируса в специфический хромосомный локус ДНК
инфицированной клетки. Бактерии, получившие такие
интегрированные фаговые геномы, несут их как наследственные элементы
в своих собственных хромосомах. В таких клетках вирусные и
собственные геномы реплицируются как единое целое и взаимно
совместимы.
Выращивая фаг Р1 на различных штаммах бактерий, а затем
используя потомство фагов для транедукции соответствующих
маркеров в другие штаммы, легко производить трехфакторные ре-
ципрокные скрещивания. Трансдукцию обычно применяют для
картирования на коротких участках бактериальной хромосомы.
На основе этих принципов построены карты хромосом бактерий
кишечной группы — Е. соН и 8.1уркгтигшт. На хромосоме Е. соН
картировано около 1000 генов, что составляет 30...40 % генома.
3.1.6. РНК КАК ГЕНЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
Приведенная выше информация убедительно подтверждала
положение о том, что ДНК — единственный генетический материал
(генная молекула), выполняющий как аутокаталитическую, так и
гетерокаталитическую функции. Хотя такое представление
довольно точно отражает суть процессов, происходящих в клетке, оно не
охватывает, по крайней мере, один класс самовоспроизводящихся
биологических объектов — РНК-содержащих вирусов.
Известно, что некоторые вирусы, главным образом
инфицирующие растения, не содержат ДНК. Вместо нее в их частицах
содержится РНК, которая отличается от ДНК по химическому
составу тем, что в ней содержится сахар — рибоза, а пиримидиновое
основание тимин заменено на урацил. Кроме того, РНК не обладает
структурой двойной спирали, как ДНК, а имеет одинарную цепь.
Между тем именно структура двойной спирали, как у ДНК,
необходима для точного воспроизведения по схеме Уотсона и Крика.
Эти два затруднения вначале казались труднопреодолимыми.
Однако опыты, проведенные с вирусом табачной мозаики
(ВТМ), четко показали, что его белки не играют генетической
роли при заражении растений. Это послужило дополнительным
аргументом в пользу того, что наследственным веществом
вирусов служит нуклеиновая кислота, а не белковая составляющая.
Подобно большинству вирусов растений, ВТМ состоит из белка
и рибонуклеиновой кислоты. РНК по химической структуре
близка к ДНК. Частица вируса содержит молекулу РНК,
состоящую примерно из 6400 нуклеотидов, заключенную в белковую
оболочку. Белковая оболочка включает около 2130 одинаковых
субъединиц, каждая из которых представляет собой
полипептидную цепь из 158 аминокислот, расположенных в определенной
последовательности.
80
Генетическая роль РНК у вируса табачной мозаики была
доказана в экспериментах Г. Френкель-Конрата, А. Гиреры, Г. Шрам-
ма и др. Были разработаны химические методы, позволяющие
разделить РНК и белок вируса (рис. 3.6). Обычно очищенный
препарат РНК ВТМ сохраняет не более 0,1 % инфицирующей
активности препарата интактного (неповрежденного) вируса. Однако при
надлежащих условиях вирус можно реконструировать в
лабораторных условиях из смеси очищенного препарата РНК и белка.
Субъединицы белка соединяются друг с другом и с РНК, образуя
интактный вирус с нормальной инфекционной способностью.
Известно множество разновидностей ВТМ, отличающихся по
аминокислотному составу белков, кругу растений-хозяев и
вирулентности на различных растениях. Например, в белковой
оболочке ВТМ стандартного штамма отсутствуют гистидин и метио-
нин, тогда как в аналогичном образовании вируса штамма НК эти
аминокислоты присутствуют.
Были проведены эксперименты по реконструкции гибридных
вирусов из очищенного белка НК и очищенной РНК
стандартного штамма. Такие вирусы обладали нормальной инфекционной
способностью. Когда же этими вирусами заражали растения,
состав белковой оболочки потомства гибридных вирусов и штамма,
Образование
гибридного
вируса
Заражение
листьев
табака
ТипНК
Потомство типа 5
Рис. 3.6. Разделение частиц вируса табачной мозаики на РНК и белковые
субъединицы (Мала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. — М., 1987. — Т. 1. — С. 99)
81

из которого была взята РНК, оказались идентичными. Таким
образом, состав белковых оболочек потомства этих вирусов
определялся исключительно РНК. Оказалось, что лишь РНК обладает
функциями, необходимыми для передачи по наследству этого
признака. Результаты проведенных исследований показали, что
одна-единственная молекула РНК интактного ВТМ способна
заразить растительную клетку и обеспечить формирование
полноценных частиц этого вируса.
Таким образом, уже первые исследования по идентификации
наследственных структур в клетках разных организмов ясно
показали, что именно нуклеиновые кислоты являются носителем
наследственности во всех организмах. Во всех прокариотических и
эукариотических клетках генетические функции выполняют два
типа нуклеиновых кислот: ДНК и РНК.
3.2. СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
3.2.1. СТРУКТУРА ДНК И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ
АУТОРЕПРОДУКЦИИ
В 1953 г. Д.Уотсон и Ф. Крик предложили модель структуры
ДНК, которая основывалась на следующих постулатах.
• ДНК представляет собой полимер, состоящий из нуклеоти-
дов, соединенных 3'- и 5'-фосфодиэфирными связями.
* Состав нуклеотидов ДНК подчиняется правилам Чаргаффа.
* Молекула ДНК имеет структуру двойной спирали,
напоминающую винтовую лестницу, о чем свидетельствуют
рентгенограммы нитей ДНК, впервые полученные М. Уилкинсом и
Р. Франклин.
• Структура полимера, как показывает кислотно-щелочное
титрование нативной (природной) ДНК, стабилизируется
водородными связями. Титрование и нагревание нативной ДНК
вызывает заметное изменение ее физических свойств, в частности
вязкости, переводя ее в денатурированную форму, причем ковалент-
ные связи не разрушаются.
Согласно модели Уотсона и Крика, нативная молекула ДНК
представляет собой две полимерные цепи попарно соединенных
нуклеотидов, закрученные в форме двойной спирали (рис. 3.7).
Сцепление между цепями обеспечивается особыми водородными
связями между аденином (А) и тимином (Т) и между гуанином (Г)
и цитозином (Ц). Такое попарное соединение нуклеотидов, при
котором А комплементарен Т, а Г комплементарен Ц, было
подтверждено с помощью построения молекулярных моделей, на
которых точно выдерживались все межатомные расстояния.
Специфичность водородных связей между аденином и
тимином и между гуанином и цитозином объясняет наблюдавшееся
82 ! . '
Цитозин
Рис. 3.7. Модель двунитчатой спирали молекулы ДНК (слева). Пары нуклеотидов ДНК
{справа). Водородные связи показаны пунктиром; первый атом углерода дезоксирибоз-
ного остатка заштрихован (Дубинин II. П. Общая генетика. — М., 1986. — С. 29)
Чаргаффом постоянство отношений А/Т и Г/Ц и отражает
комплементарность цепей двойной спирали. Более того, для
любой последовательности оснований возможна равная ей
подлине комплементарная последовательность, составляющая вторую
цепь двойной спирали. Конкретная последовательность пар А — Т
и Г — Ц может быть видоспецифична и не влияет на структуру
молекулы ДНК, образующую двойную спираль. Возможное число
различных последовательностей пар оснований в молекуле ДНК
практически бесконечно и способно кодировать колоссальное
количество информации. Этот факт подтверждает гипотезу о том,
что ДНК может служить веществом наследственности для всех
организмов. Из модели также следует, что физическая структура
нативной ДНК может в значительной степени меняться при
нагревании или титровании, не нарушающих ковалентные связи, но
разрывающих водородные, в результате чего цепи отделяются
друг от друга.
83

3.2.2. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ СИНТЕЗА ДНК
Появление в 1953 г. модели двойной спирали ДНК послужило
стимулом к рождению новой науки — молекулярной биологии.
Однако потребовалось пять лет, прежде чем были получены
экспериментальные подтверждения модели Уотсона—Крика в работах М. Ме-
зелсона и Ф. Сталя. В этих экспериментах было показано, что
репликация ДНК происходит в точном соответствии с предложенной
моделью, т. е. полуконсервативно: в результате каждая дочерняя
молекула ДНК состоит из одной интактной (консервативной) цепи,
полученной от родительской двойной спирали, и одной вновь
синтезированной цепи. Гипотетические механизмы репликации ДНК:
консервативный (при котором родительская ДНК полностью сохраняется, а
дочерние молекулы ДНК синтезируются заново) и дисперсный (при
котором обе дочерние молекулы ДНК синтезируются заново, а
родительская молекула распадается на нуклеотиды), не совместимые с
моделью двойной спирали, не были выявлены ни в одном случае.
Для того чтобы определить, каким из этих способов
реплицируется ДНК, был использован метод, позволяющий отличать
дочерние молекулы от родительских. Мезелсон и Сталь выращивали
Е.соН на среде, содержащей в качестве источника азота тяжелый
изотоп 151Ч, который включался в состав ДНК и служил меткой.
Для того чтобы пометить изотопом 15М практически всю ДНК
бактериальной клетки, достаточно культивировать Е.соН на такой
среде в течение 12 поколений. Молекулы, содержащие 151М, можно
отличить от молекул, содержащих более легкий обычный изотоп
(И1ч[), по плотности, так как у ДНК с 15М масса одного нуклеотида
больше, чем у обычной ДНК. Молекулы ДНК с различной
плотностью можно разделить ультрацентрифугированием в градиенте
плотности хлористого цезия.
Результаты опыта представ-
Родительская ЛеНЫ На Р^НКе 3.8.
ДНК
р^ ДНК 1-го
поколения
ДНК 2-го
поколения
Рис. 3.8. Ауторепродукция молекулы ДНК,
в которой полинуклеотиды помечены
тяжелым азотом (151Ч):
а — родительская молекула ДНК, в которой
звездочками обозначены атомы 15Ы; б—
«гибридные» молекулы первого поколения, в
которых одна нить (родительская) содержит |51Ч,
другая (вновь синтезированная) — обычный
изотоп 141Ч; в — четыре молекулы второго
поколения, две из них (справа и слева)
содержат 15И в нитях, происходящих от исходной
родительской ДНК, а две другие молекулы
(в середине) — новые нити полинуклеотидов,
не содержат 15И (Дубинин Н. П. Общая
генетика. - М, 1986. - С. 39)
84
'■ Результаты ультрацентрифугирования показали, что
наибольшей плотностью обладают молекулы ДНК, содержащие тяжелый
изотоп 15К во всех основаниях обеих цепей полинуклеотидов
(рис. 3.8, о), средней — гибридные молекулы, содержащие в одной
цепи 15ТЧ, а в другой — 141Ч (рис. 3.8, б), и, наконец,
минимальной — молекулы, включающие только 14Ы (рис. 3.8, в). Все эти
типы молекул были обнаружены в соответствии с ожидаемой
последовательностью синтезов ДНК после переноса бактерий с
молекулами ДНК, меченными 151Ч, на среду с азотом 14М.
Репликация ДНК. Нативные молекулы ДНК очень велики и
при экстракции из клеток обычно разрываются в результате
физических или ферментативных воздействий. Полную репликацию
хромосомы Е.соН впервые наблюдал Д. Кейрнс, который
разработал метод очень мягкого разрушения клеток этой бактерии. В
результате ему удалось выделить интактные хромосомы и пометить
их 3Н-тимидином. Применение метода радиоавтографии привело
прежде всего к установлению того факта, что ДНК Е.соН имеет
кольцевую форму. Впоследствии было показано, что такую же
форму имеет ДНК всех прокариот, а также вирусов и органелл
клеток эукариот.
В настоящее время известны три основные конформации
молекул ДНК и соответственно три основных способа их репликации.
1. Кольцевые молекулы ДНК, например фага X, могут
реплицироваться так же, как у Е.соН. Процесс репликации кольцевой
молекулы ДНК начинается в определенной точке кольца и приводит к
образованию «вздутия», расширяющегося по мере репликации в
двух противоположных направлениях вдоль хромосомы (рис. 3.9).
Это приводит к образованию промежуточной структуры,
напоминающей греческую букву 0. Тхэта-тип репликации прекращает
родительскую хромосому в две дочерние кольцевые хромосомы, в
каждой из которых сохраняется одна из цепей родительской
молекулы ДНК, а вторая цепь синтезируется заново.
• ■:- Начало
Вилка
V
3'
Рост
Вилка
з-
3'
тгпттт
Рост
Начало
Рис. 3.9. Репликация ДНК: схема репликативной вилки, движущейся в двух
направлениях (Корнберг А. Синтез ДНК. — М., 1977. — С. 165)
85

2. Жизненный цикл некоторых организмов требует
превращения кольцевой хромосомы в линейную. Такое превращение
происходит при другом типе репликации ДНК, известном под названием
сигма-типа (от греческой буквы а) или «катящегося кольца». Сигма-
репликация начинается с разрыва фосфодиэфирной связи в одной
из цепей родительской кольцевой молекулы в результате чего по
обе стороны разрыва образуются открытые 3 —ОН- и 5'—РО4-кон-
цы. Затем комплементарная кольцевая цепь служит матрицей для
синтеза новой цепи, ковалентно прикрепленной к 3'—ОН-концу
разорванной родительской цепи. По мере того как новая цепь
наращивается на 3'—ОН-конце, 5'—РО4-КОШЦ той же цепи смещается,
образуя «хвост» кольца. Затем начинается синтез цепи,
комплементарной этому хвосту. При таком способе репликации
промежуточная структура имеет форму, напоминающую букву «сигма». В
результате репликации кольцевая родительская молекула ДНК
превращается в две дочерние молекулы, одна из которых кольцевая, а
другая — линейная. Сигма-репликация является необходимым
этапом жизненного цикла некоторых бактериофагов. Этот тип
репликации имеет место при половой конъюгации бактерий, а также
встречается в оогенезе некоторых эукариотических организмов.
3. Хромосомы всех эукариот и некоторых вирусов содержат
линейные молекулы ДНК. Их репликация начинается в
определенных точках с образованием репликационных вздутий. В
небольших молекулах ДНК вирусов репликация может начинаться с
одной точки. В больших же молекулах ДНК, образующих
хромосомы эукариот, иногда насчитывается несколько сот точек
инициации репликации. После образования вздутия оно начинает
увеличиваться по мере распространения процесса репликации ДНК в
обоих направлениях от точки инициации. По ходу процесса
соседние вздутия могут сливаться, а когда вздутие достигает конца
молекулы, образуется характерная промежуточная У-образная
конфигурация. Когда репликация заканчивается, из одной линейной
родительской молекулы ДНК образуются две линейные дочерние,
каждая из которых представляет собой двойную спираль и
является копией родительской.
Процесс репликации ДНК играет ключевую роль в передаче
наследственной информации, записанной в последовательности пар
оснований, от родительской молекулы ДНК дочерним молекулам
ДНК, от родительских соматических клеток — дочерним
соматическим клеткам и, наконец, от родительского организма — потомкам.
Под простотой полуконсервативной модели репликации ДНК
скрыты сложнейшие биохимические процессы, обеспечивающие
эту репликацию. Эволюция, в результате которой сформировался
сложный репликационный аппарат, очевидно, была подчинена
обеспечению максимальной точности передачи информации от
родительских молекул ДНК к дочерним. Ошибки репликации
встречаются очень редко, в частности в молекуле ДНК Е.соП с час-
86
тотой порядка один раз на 108—1010 нуклеотидов. И это несмотря
на то, что синтез ДНК происходит с очень высокой скоростью:
прокариотической — около 1000 нуклеотидов в 1 с в области реп-
ликативной вилки, эукариотической — медленнее, со скоростью
порядка 100 нуклеотидов в 1 с; однако частота возникновения
ошибок репликации при этом не меньше, чем в случае прокариот.
Более низкая скорость репликации эукариотической ДНК,
по-видимому, обусловлена ее прочной связью с гистоновыми белками,
диссоциация которых — непременное условие продвижения реп-
ликативной вилки вдоль цепи ДНК.
Полимеризация ДНК в решшкативной вилке. После расплетания
и разделения родительских цепей двойной спирали ДНК они
могут выступать в роли матриц, по которым синтезируются растущие
комплементарные дочерние цепи. Синтез новых цепей
направляется ДНК-полимеразой.
Процесс расплетения двойной спирали и экспонирования двух
матричных цепей ДНК происходит при участии трех типов белков
и сопровождается значительными затратами энергии.
Белок первого типа, хеликаза, осуществляет собственно расплете-
ние спирали за счет энергии, образующейся при гидролизе АТФ.
Белок второго типа, з$Ь, специфически связывается с одно-
цепочечной ДНК, предотвращая преждевременную реассоциацию
цепей двойной спирали. Расплетение двойной спирали
родительской ДНК без вращения приводит к образованию
дополнительных витков или узлов на участках ДНК, расположенных впереди
репликативной вилки, аналогичных узлам, которые возникают
при быстром разъединении скрученных нитей.
Белок третьего типа, топоизомераза, способствует релаксации
сверхскрученных участков ДНК, осуществляя одноцепочсчные
разрывы фосфодиэфирных связей и восстанавливает структурную
целостность родительской ДН К.
Цепи ДНК в предложенной Уотсоном и Криком структуре
двойной спирали антипараллельны — в области репликативной вилки
присутствуют 3'- и 5'-концы синтезируемых цепей. Для действия
ДНК-полимеразы необходимо наличие З'ОН-затравки, поэтому
только одна из двух растущих цепей ДНК (ведущая цепь) может
синтезироваться непрерывно. Синтез другой (отстающей) цепи
идет прерывисто. Поначалу было неясно, откуда всякий раз
берутся новые затравки («праймеры») для синтеза второй цепи.
Впоследствии было доказано участие РНК-полимеразы в образовании
РНК-затравок при репликации РНК. Эта РНК-полимераза,
отличающаяся от ферментов, непосредственно участвующих в
процессе транскрипции, получила название праймазы.
РНК-затравочные участки после реализации своей функции
инициации репликации ДНК удаляются из структуры ДНК за
счет проявления 5'- и З'-экзонуклеазной активности
ДНК-полимеразы. После удаления РНК-затравки и ее замещения на фраг-
87

мент ДНК, инициация синтеза которого происходит на
следующей РНК-затравке, расположенной ближе к зоне репликативной
вилки, между двумя соседними синтезированными фрагментами
ДНК остается разрыв (отсутствие ковалентной связи между 3'—
ОН- и 5'—РО4-концами фрагментов цепи), который устраняется
при участии фермента ДНК-лигазы, направляющего образование
фосфодиэфирной связи.
Синтез ведущей и отстающей цепей синтезируемой ДНК
происходит по мере продвижения репликативной вилки вдоль
двойной спирали родительской ДНК.
5 Ферменты и другие белки, вовлеченные в процесс
полуконсервативной репликации, представляют собой лишь небольшую часть
всех белков, участвующих в метаболизме молекул ДНК.
Существуют другие ферменты, входящие в систему репарации — устранения
и замены неправильных или поврежденных нуклеотидов,
удаленных от репликативной вилки. Некоторые из этих ферментов
участвуют также в рекомбинации вместе со специализированными
ферментами, обеспечивающими только рекомбинационные процессы.
Многие из ферментативных функций, связанных с метаболизмом
ДНК, характерны как для прокариот, так и для эукариот.
Некоторые из этапов метаболизма ДНК удается интерпретировать в
рамках действия фермента только определенного типа. Однако в
некоторых организмах данная функция может реализоваться при
участии более чем одного фермента, и наоборот — один и тот же
фермент может участвовать в нескольких различных процессах.
Генетический анализ процесса репликации ДНК у эукариот в
сравнении с прокариотами выявил в основных чертах общность
синтеза ДНК у этих объектов. В эукариотических клетках были
выявлены и выделены в чистом виде ферменты, обладающие хе-
ликазной и топоизомеразной активностями, а также белки,
специфически связывающиеся с одноцепочечными участками ДНК.
Обнаружены три вида ДНК-полимеразной активности: ферменты
Ро1а (основная полимераза), Ро1(3 (участвует в репарационных
процессах) и Ро1у (митохондриальная полимераза).
Репликация ДНК инициируется на участках с определенной
нуклеотидной последовательностью, обозначаемых ОК1 или оп
(от англ. оп§т — начало). В большинстве прокариотических
геномов содержится по одному участку ОШ, а в значительно
превышающих их по размеру эукариотических хромосомах — как правило,
целый ряд таких участков.
3.2.3. ОРГАНИЗАЦИЯ ДНК В ХРОМОСОМАХ
Молекулы ДНК в эукариотических хромосомах очень больших
размеров. Так, длина молекул ДНК, выделенных из клеток
дрозофилы, достигает 2,2 см, и принято считать, что каждая эукариоти-
ев
1
к 10 нм
Рис. 3.10. Схематическое изображение
участка соленоида: цепочка нуклеосом
(сферы), каждая из которых обмотана ДНК,
образует винтовую линию (Айала Ф., Кай-
гер Дж. Современная генетика. — М., 1987. —
Т. 1.-С. 117)
ческая хромосома содержит одну-
единственную непрерывную
молекулу ДНК. Упаковка таких
огромных молекул в ядрах клеток
является основной функцией гис-
тонов — белков, характерных
именно для эукариотических клеток.
Основная структурная единица
эукариотической клетки — нуклео-
сома, которая содержит по две
молекулы каждого из четырех гисто-
нов (Н2А, Н2В, Ю и #4),
соединенных в форме октамера.
Каждый октамер связан с последовательностью примерно из 200 нук-
леотидных пар, длина которой около 70 нм. Точное взаимное
расположение гистонов и ДНК в нуклеосоме неизвестно, но
считается, что ДНК каким-то образом наматывается на октамеры
гистонов. Диаметр нуклеосомы около 10 нм, ДНК в ней должна быть
сложена примерно всемеро. Другой гистон, Н\, обеспечивает связь
между нуклеосомами, последовательность которых образует
подобие винта (рис. 3.10). Диаметр этого винта, называемого
соленоидом, составляет, по одним оценкам, около 30 нм, но другим —
около 50 нм. Если принять диаметр соленоида равным 30 нм, то
упаковка последовательности нуклеосом в форме соленоида дает
дополнительное уменьшение линейных размеров структуры в
целом еще в 6 раз. В интерфазпых хромосомах сам соленоид
закручен винтом, образуя при этом полую трубку диаметром около
200 нм, что дает очередное сокращение линейных размеров
содержащей ДНК структуры еще примерно в 18 раз (рис. 3.11).
Переход от интерфазной хромосомы к метафазной хроматиде,
вероятно, связан с еще одним аналогичным закручиванием,
теперь уже трубки диаметром 200 нм в винтовую структуру
диаметром около 600 нм (см. рис. 3.11). Эта общая схема организации
ДНК в ядрах клеток игнорирует различия в степени спирализа-
ции, которые почти наверняка существуют между участками
хромосом, которые участвуют в синтезе РНК и репликации ДНК, и
участками, которые в этих процессах не участвуют. Кроме того,
гетерохроматиновые участки хромосом более компактны, чем
эухроматиновые. В любом случае ДНК в ядрах эукариотических
89

2 км
200 нм
200 нм
600 нм
Метафаэа
Вид сбоку
Рис. 3.11. Пространственные модели интерфазной и метафазной хромосом:
А — схематическое изображение винтообразных структур, начиная от двойной спирали
Уотсона—Крика диаметром 2нм; далее нуклеосома—10 нм, соленоид — 30 нм, трубка
200 нм и метафазная хроматида — 600 нм; Б—пространственная модель двух последних
уровней организации метафазной хроматиды; В — модель метафазной хроматиды в
меньшем масштабе, чем на Б: трубка диаметром 200 нм и хроматида — 600 нм. Участок трубки
в середине рисунка диаметром 200 нм — это центромера (5ейа1}., МапиеНФз Ь. СоШ 8рпп§
НагЬог 8утр. <3иап1: Вю1. 1979.— Р. 42, 346 —из кн.: АйалаФ., КайгерДж. Современная
генетика. - М„ 1987. -Т. 1. - С. 118)
клеток образует иерархическую систему спиралей, основной
единицей которой является нуклеосома.
Хромосомы прокариотических клеток представляют собой
кольцевые молекулы ДНК; у Е.соИ длина кольца составляет 106 нм, т. е.
около 1 мм. Эта кольцевая нить огромной длины помещается в
клетке длиной лишь 2 ■ 103 нм при диаметре около 8 • 102 нм.
Следовательно, ДНК может существовать в клетке лишь в высокоупо-
рядоченном (конденсированном) состоянии. Хотя в
прокариотических клетках нет белков гистонов, в них тем не менее
содержатся некоторые белки, образующие комплексы с ДНК. При
изучении с помощью электронного микроскопа разрушенных
определенным образом клеток Е.соИ можно видеть, что ДНК собрана в
«бусины», очень близкие по размерам к нуклеосомам эукариот.
Бусины очень лабильны, это указывает на то, что взаимодействие
между ДНК и белками в клетках Е.соИ значительно слабее, чем
между ДНК и гистонами эукариот.
В эукариотических клетках не вся ДНК находится в ядрах.
Митохондрии и недифференцированные хлоропласты растений, так
называемые пропластиды, представляют собой саморсплицирующи-
еся органеллы и содержат собственные кольцевые молекулы ДНК.
Эти молекулы очень малы и кодируют ограниченное количество
информации, необходимой для осуществления органеллами их
функций. Как и хромосомы прокариот, они не связаны с
гистонами и образуют внутри органелл нуклеотиды.
3.3. РЕАЛИЗАЦИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ.
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД
* В первой четверти XX в. было показано, что элементарные
наследуемые признаки обусловлены материальными единицами
наследственности — генами, локализованными в хромосомах, где
они располагаются последовательно друг за другом в линейном
порядке. На этой основе Т. X. Морганом была разработана
хромосомная теория наследственности, за что он получил в 1933 г.
Нобелевскую премию по физиологии и медицине «за открытия,
связанные с ролью хромосом в наследственности».
Ученые пытались определить и «продукты» деятельности
генов, т. е. те молекулы, которые синтезируются в клетках под
их контролем. В работах Эфрусси, Бидла и Татума накануне
второй мировой войны была выдвинута идея о том, что гены
продуцируют белки, но для этого ген должен хранить
информацию для синтеза определенного белка (фермента). Сложный
механизм реализации информации, заключенной в ДНК, и ее
перевода в форму белка был раскрыт лишь в 60-е годы
прошлого века.
91

"''* " :^У-">™ ■; 3.3.1. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД
Представление о том, что в гене закодирована информация о
первичной структуре белка, было изложено Ф. Криком в его
гипотезе последовательности, согласно которой последовательность
структурных элементов гена определяет последовательность
аминокислотных остатков в синтезируемой полипептидной цепи. Автор
гипотезы предполагал, что код скорее всего триплетен, что
кодирующая единица представлена тремя парами оснований ДНК,
расположенными в определенной последовательности. Действительно,
четыре пары оснований ДНК: А—Т, Т—А, Г—Ц, Ц—Г — могут
закодировать лишь 4 аминокислоты, если допустить, что каждая
пара соответствует одной аминокислоте. Известно, что белки
состоят из 20 основных аминокислот. Если предположить, что
каждой аминокислоте соответствуют две пары оснований, то
можно закодировать 16 аминокислот (42). Этого также недостаточно.
При триплетности же кода из четырех пар оснований можно
составить 64 кодона (43), и этого более чем достаточно для
кодирования 20 аминокислот. Экспериментальные доказательства того,
что генетический код триплетен, были опубликованы в 1961 г.
(Ф. Крик и др.). В этом же году на V Международном
биохимическом конгрессе в Москве М. Ниренберг и Дж. Маттей сообщили
о расшифровке первого кодона (УУУ — кодона для фенилалани-
на) и, что ещё более важно, предложили метод определения
состава кодонов в бесклеточной системе белкового синтеза.
Сразу возникли два вопроса: является ли код
перекрывающимся и вырожден ли код?
Если бы кодоны перекрывались, то замена одной пары
оснований приводила бы к замене сразу двух или трех аминокислот в
синтезируемом белке. В действительности этого не происходит, и
генетический код считают неперекрывающимся.
Код является вырожденным, так как почти каждая
аминокислота связана с более чем одним кодоном, которые определяют их
расстановку в первичной структуре синтезируемой
полипептидной цепи. Только две аминокислоты — метионин и триптофан —
связаны с единичными кодонами — АУГ и УГГ соответственно.
Расстановку каждой из трех аминокислот — аргинина, лейцина и
серина — в первичной структуре полипептидной цепи определяют
шесть кодонов и т. д. (см. табл. 3.2).
К числу особенностей генетического кода относится также его
универсальность (он в основном одинаков для всех живых
организмов). Однако обнаружены и исключения из этого правила. В 1981 г.
было завершено определение полной нуклеотидной
последовательности митохондриальной ДНК человека, содержащей 16 569 нук-
леотидных пар. Полученные результаты свидетельствуют о том,
что митохондриальные геномы высших и низших эукариот,
кодирующие примерно один и тот же набор функций, характеризуются
92
3.2. Генетический код
Первая
буква
(У)
Вторая буква
Ц
Третья
буква
(3')
УУУ{Фенил-
УУЦ{ аланин
ууа]
УУГ
^Лейцин
УЦУ]
УЦЩ Серии УАЦ
УЦА УАА'
УЦГ ^ УАГ*
Л/АЛ/ I \^ГЛ/ ,
УАУ 'Тирозин У1У |-Цистеин
ЦУУ]
ЦЦУ]
ЦАУ
цуг]
УГА*
УГГ Триптофан
ЦГУ~
ццг.
цат
цгг
У
Ц
А
Г
г
АУУ]„ „ АЦУ^ ААУ 1 Аспара- АГУ 1 „
д АУЦИз°ЛеИ- АЦЦТ ААЦ гин АГЦ СерИН
А АУА ГН АЦА Тре0НИН ААА п АГА д
) \ г Лизин тргин!
АУГ** Метио ' "~ ' ' ' " ' ' ™ '
НИН
АЦА Г
\
о- АЦГ)
У
г и ч..^ ^ I кип ± ч ц, ^ \\
ААА 1 _ АГА . А
\ Лизин [Аргинин
ААГ \ АГГ I Г
Г
Гуу.
ГУЦ
ГУА
ГУГ .
1Валин
[..
гщп
гид
5-Аланин
ГЦА
гцг)
ГАУ
ГАЦ
ГАА
Аспара- гру
> гиновая- „_„
] кислота 1 Глицин
Глутами-ГГА
\ новая ГГГ )
] кислота
У
Ц
А
Г
* Триплеты УАА, УАГ, УГА не кодируют аминокислот, а служат сигналами
терминации полипептидных цепей и получили название нопсенс-кодоион
(бессмысленных кодонов).
** Триплеты АУГ и ГУГ одновременно выполняют роль старт-кпдопов (кодо-
нов-инициаторов).
различиями в смысловом значении некоторых кодонов, правилах
антикодон-кодонового узнавания и общей структурной
организации. Так, оказалось, что в отличие от обычною универсального
кода кодон АУА вместо изолейцина кодирует метионин, а
триплеты АГА и АГГ являются не аргининовыми кодонами, а сигналами
терминации трансляции; триптофан кодируется как триплетом
УГГ, так и триплетом УГА, который обычно выполняет функцию
терминаторного кодона.
В генетическом коде разные кодоны одной аминокислоты, т. е.
кодоны-синонимы, почти всегда находятся в одном и том же
квадрате и отличаются друг от друга по последнему из трех нукле-
отиду (исключение составляют лишь кодоны аргинина, серина и
лейцина, имеющих по шесть кодонов, которые не могут
разместиться в одном квадрате, где помещаются всего четыре кодона).
93

Генетический код имеет линейный порядок считывания и
характеризуется колинеарностъю, т. е. совпадением порядка
расположения кодонов в мРНК с порядком расположения аминокислот в
синтезирующейся полипептидной цепи.
3.3.2. СИНТЕЗ БЕЛКА В КЛЕТКЕ
та
Воспроизведение и действие генов связаны с матричными
процессами: синтезом макромолекул — ДНК, РНК, белков. Выше
уже рассматривалась репликация как процесс, обеспечивающий
воспроизведение генетической информации. Современная
теория гена — достижение молекулярной генетики — всецело
опирается на успехи биохимии в изучении матричных процессов. И
напротив, метод генетического анализа вносит существенный вклад
в изучение матричных процессов, которые сами находятся под
генетическим контролем. Рассмотрим действие гена,
обеспечивающего транскрипцию, или синтез РНК, и трансляцию, или синтез
белка (рис. 3.12).
Транскрипция ДНК. Это — перенос генетической информации,
закодированной в последовательности пар нуклеотидов, с двуце-
почечной молекулы ДНК на одноцепочечную молекулу РНК. При
этом матрицей для синтеза РНК служит только одна цепь ДНК,
называемая смысловой.
В транскрипции, как и в других матричных процессах,
различают три стадии: инициацию, элонгацию и терминацию. Фермент,
осуществляющий этот процесс, называют ДНК-зависимой РНК-по-
лимеразой или просто РНК-полимеразой; при этом
полимеризация полирибонуклеотида (РНК) происходит в направлении от
5'- к З'-концу растущей цепи.
Синтез ферментов и других белков, необходимых для
жизнедеятельности и развития организмов, происходит в основном на
первой стадии интерфазы, до начала репликации ДНК.
В результате транскрипции наследственная информация,
записанная в ДНК гена, точно транскрибируется (переписывается) в
нуклеотидную последовательность мРНК. Синтез мРНК
начинается с участка инициации транскрипции, называемого
промотором. Промотор расположен перед геном и включает в себя около
80 пар нуклеотидов (у вирусов и бактерий этот участок
соответствует примерно одному витку спирали ДНК и включает около
10 пар нуклеотидов). В нуклеотидных последовательностях
промоторов часто встречаются пары АТ, поэтому их называют также
ТАТА-последовательностями.
Транскрипция осуществляется с помощью ферментов РНК-по-
лимераз. У эукариот известны три типа РНК-полимераз: I —
ответственен за синтез рРНК, II — за синтез мРНК; III — за синтез
тРНК и низкомолекулярной рРНК — 55 РНК.
94
ДНК-
матрица
РНК-
полимераза'Ж',
3 -конец
^ 5-конец
Растущая
матричная
РНК
Двойная
спираль -
ДНК
Смысловая
цепь ДНК
Матричная
цепь ДНК
Цепь мРНК
13'
—►-А-Т-Г-Г-Г-Ц-Т-Ц-Ц-А-Т-Ц- Г- Г-Ц-Г-Ц-А-Г-Ц-А-
I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I
—* -Т-А-Ц-Ц-Ц-Г -А-Г-Г-Т-А-Г -Ц-Ц-1 -Ц-Г -А-Ц-Г-Т- _
Транскрипция
5'
_у_ГтГ-Г-Ц
Кодон

Последовательность амино- _
кислот белка
Мети-
онин
гУ-Ц-ЦтА-У-ЦгГ-Г -ЦГГ-Ц-А
Кодон

Глицин
Кодон
Серии
Кодон
Кодо! I
Изолей-
цин

Глицин
ГГ-Ц-АТ
Кодом
6

АлаКодон
7

АлаТрансляция
Рис. 3.12. Схема процесса транскрипции ДНК 1'М К-полимера юй и трансляции: ..
Л-общая схема транскрипции. Стрелка показыиаст напраиление, и котором ДНК-матрица
движется через молекулу РНК-полимсразы (Счет Г., К х'шпдлр Г. Молекулярная генетика.—
М., 1981. С. 104);
^-представлены два этапа: транскрипция, т. е. конироилнис одной ич цепей ДНК с
образованием молекулы мРНК, и трансляция, т. с. соГктиеппо дешифроика, и ходе которой
последовательность нуклеотидов мРНК переполите» и последонателыюсть аминокислот
белка, продукта гена
РНК-полимераза прочно связывается с промотором и
разъединяет нуклеотиды комплементарных цепей. Затем этот фермент
начинает двигаться вдоль гена (молекулы ДНК) и по мере
разъединения цепей ведет на одной из них (смысловой) синтез мРНК,
присоединяя согласно принципу комплементарности аденин к
тимину, урацил к аденину, гуанин к цитозину и цитозин к
гуанину. Те участки ДНК, на которых полимераза образовала мРНК,
вновь соединяются, а синтезируемая молекула мРНК постепенно
отделяется от ДНК. Окончание синтеза мРНК определя-
95

ется участком остановки транскрипции — терминатором. Нуклео-
тидные последовательности промотора и терминатора узнаются
специальными белками, регулирующими активность РНК-поли-
меразы.
Перед выходом из ядра к начальной части мРНК (5'-концу)
присоединяется остаток метилированного гуанина, называемый
«колпачком», а к концу мРНК (З'-концу) — около 200 остатков
адениловой кислоты. В таком виде зрелая мРНК проходит через
ядерную мембрану в цитоплазму к рибосоме и соединяется с ней.
Полагают, что у эукариот «колпачок» мРНК участвует в
связывании ее с малой субъединицей рибосомы.
Трансляция мРНК. Это синтез белка на рибосомах,
направляемый матрицей мРНК. При этом информация переводится с
четырехбуквенного алфавита нуклеиновых кислот на двадцатибуквен-
ный алфавит аминокислотных последовательностей
полипептидных цепей.
В этом процессе различают три стадии.
Активация свободных аминокислот —
образование аминоациладенилатов в результате взаимодействия
аминокислот с АТФ под контролем ферментов, специфичных для
каждой аминокислоты. Эти ферменты — аминоацил-тРНК-синтета-
зы — участвуют и в следующей стадии.
Аминоацилирование тРНК — присоединение
аминокислотных остатков к тРНК путем взаимодействия тРНК и
комплекса аминоацил-тРНК-синтетазы с аминоациладенилатами. При
этом каждый аминокислотный остаток присоединяется к своему
специфическому классу тРНК.
Собственно трансляция, или полимеризация
аминокислотных остатков с образованием пептидных связей.
Таким образом, при трансляции последовательность
расположения нуклеотидов в мРНК переводится в соответствующую, строго
упорядоченную последовательность расположения аминокислот в
молекуле синтезируемого белка. В процессе трансляции участвуют
мРНК, рибосомы, тРНК, аминоацил-тРНК-синтетазы.
Сигналом инициации трансляции у про- и эукариот служит кодон
АУТ, если он расположен в начале мРНК. В этом случае его «узнает»
специализированная инициирующая формилметиониновая (у
бактерий) или метиониновая (у эукариот) тРНК. В остальных случаях
кодон АУГ «читается» как метиониновый (см. табл.3.2.).
Сигналом инициации может также служить кодон ГУГ. Это
взаимодействие происходит на рибосоме в ее аминоацильном центре
(А-центре), располагающемся преимущественно на малой
субъединице рибосомы.
Взаимодействие кодона АУГ информационной РНК, малой
субъединицы рибосомы и формилметионил-тРНК образует
комплекс инициации. Суть этого взаимодействия заключается в том,
что к кодону АУГ на мРНК присоединяется своим антикодом
96
УАЦ тРНК, захватившая и несущая молекулу аминокислоты ме-
тионина (у бактерий инициаторной является тРНК, которая
переносит формилметионин). Затем к этому комплексу,
состоящему из малой субъединицы рибосомы (308*), мРНКи тРНК,
присоединяется большая субъединица рибосомы (505*). В
результате образуется полностью собранная рибосома,
включающая одну молекулу мРНК и инициаторную тРНК с
аминокислотой. В рибосоме имеются аминоацильный и пептидильный
центры.
Первая аминокислота (метионин) сначала попадает в
аминоацильный центр. В процессе присоединения большей
субъединицы рибосомы мРНК продвигается на один кодон, тРНК из
аминоацильного центра перемещается в пептидильный центр.
В аминоацильный центр поступает следующий кодон мРНК,
который может соединиться с антикодоном следующей амино-
ацил-тРНК. С этого момента начинается вторая стадия
трансляции — элонгация, в ходе которой многократно повторяется цикл
присоединения молекул аминокислот к растущей
полипептидной цепи. Так, в аминоацильный центр рибосомы поступает в
соответствии с кодоном информационной РНК вторая молекула
тРНК, несущая очередную аминокислоту. Эта тРНК своим
антикодоном соединяется с комплементарным кодоном мРНК. Сразу
же при помощи пептицилтрансферазы предшествующая
аминокислота (метионин) соединяется своей карбоксильной группой
(СООН) с аминогруппой (ИНг) вновь доставленной
аминокислоты. Между ними образуется пептидная связь (—СО—1ЧН—).
При этом выделяется молекула воды:
■3
н н
—(рнТГ)—N—с-
И20
II II О
СонТГ)—и—с—с—он
Н2О
* У эукариот в отличие от Е. сой рибосомные субъединицы обычно несколько
крупнее, соответственно 408 и 608 (единиц седиментации).
■..- - :■.,-,:. 97
*>■■

В результате тРНК, доставившая метионин, освобождается, а
в аминоацильном центре к тРНК оказывается присоединенным
уже дипептид. Для дальнейшего осуществления процесса
элонгации должен быть освобожден аминоацильный центр, что и
происходит.
В результате процесса трансляции комплекс дипептидил-тРНК
продвигается из аминоацильного центра в пептидильный. Это
происходит благодаря перемещению рибосомы на один кодон
при участии фермента транслоказы и белкового фактора
элонгации. Освободившаяся тРНК и кодон мРНК, который был
связан с ней, выходят из рибосомы. Следующая тРНК
доставляет в освободившийся аминоацильный центр аминокислоту в
соответствии с поступившим туда кодоном. Эта аминокислота при
помощи пептидной связи соединяется с предыдущей (см. выше).
При этом рибосома продвигается еще на один кодон, и процесс
повторяется до тех пор, пока в аминоацильный центр не
поступит один из трех терминирующих кодонов (нонсенс-кодонов),
т. е. УАА, УАГ или УГА.
После поступления в аминоацильный центр рибосомы
терминирующего кодона наступает третий этап синтеза полипептида —
терминация. Она начинается с присоединения к терминирующему
кодону мРНК одного из белковых факторов терминации, что
приводит к блокированию дальнейшей элонгации цепи. Терминация
синтеза приводит к освобождению синтезированной
полипептидной цепи и субъединиц рибосомы, которые после освобождения
диссоциируют и могут принять участие в синтезе следующей
полипептидной цепи.
Весь процесс трансляции сопровождается расщеплением
молекул ГТФ (гуанозинтрифосфата), причем необходимо участие
дополнительных белковых факторов, специфичных для процессов
инициации (факторов инициации), элонгации (факторов
элонгации) и терминации (факторов терминации). Эти белки не
являются интегральной частью рибосомы, а присоединяются к ней на
определенных этапах трансляции. В общих чертах процесс
трансляции одинаков у всех организмов.
Процесс синтеза белка очень сложен. Кроме упомянутых, его
протекание обеспечивают много других ферментов. У Е.сой
открыто около 100 генов, которые контролируют синтез
полипептидов и образование разных элементов, входящих в аппарат
трансляции. Поскольку молекула мРНК оказывается достаточно
длинной, к ней может присоединиться несколько рибосом. В
каждой из рибосом, связанных с одной молекулой мРНК, идет синтез
одних и тех же молекул белка, однако этот синтез находится на
разных стадиях, что определяется тем, какая из них раньше и
какая позже вступила в связь с молекулой мРНК. По мере того как
рибосома продвигается вдоль мРНК (от ее 5'- к З'-концу),
инициирующий участок цепи высвобождается, на нем происходит
98
сборка следующего активного рибосомного комплекса, и на той
же матрице снова начинается синтез полипептида. При
взаимодействии нескольких активных рибосом с одной молекулой мРНК
образуется полирибосома, или полисома.
Образующиеся при синтезе белка полипептидные цепи
претерпевают посттрансляционные преобразования и в дальнейшем
выполняют свои специфические функции. Первичная структура
полипептида определяется последовательностью расположения в нем
аминокислот. Полипептидные цепи самопроизвольно формируют
определенную вторичную структуру, которая определяется
природой боковых групп аминокислотных остатков (ос-спираль,
складчатый Р-слой, случайный клубок). Все эти и другие структурные
особенности определяют некоторую фиксированную трехмерную
конфигурацию, которую называют третичной (или
пространственной) структурой полипептида, отражающей по сути дела способ
укладки данной полипептидной цепи в трехмерном пространстве.
Белки могут состоять из одной или нескольких полипептидных
цепей. Во втором случае их называют олигомерными белками. Для
них характерна определенная четвертичная структура. Под этим
термином подразумевают общую конфигурацию белка, возникшую
при ассоциации всех входящих в ее состав полипептидных цепей.
В частности, структурная модель человеческого гемоглобина
включает в себя две а-цепи и две (3-цепи, которые связаны между собой
и образуют четвертичную белковую структуру.
Точность полипептидного синтеза зависит от правильности
образования системы водородных связей между кодонами и анти-
кодонами. До замыкания очередной пептидной связи с помощью
рибосом осуществляется проверка правильности образования пары
кодон — антикодон. Прямое свидетельство в пользу активной
роли рибосом в контроле комплементарное™ кодон-антикодоновой
связи — обнаружение мутаций, изменяющих рибосомпые белки и
таким образом влияющих на точность трансляции. Вопрос о
мутациях будет рассмотрен в главе 6.
3.3.3. СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЙ ПЕРЕНОС ГЕНЕТИЧЕСКОЙ
ИНФОРМАЦИИ. РЕПЛИКАЦИЯ РНК
Известны три вида процессов, в рамках которых
осуществляется специализированный перенос генетической информации. Один
из них — перенос информации от РНК к РНК — удается
зафиксировать только в клетках, зараженных вирусами, генетический
материал которых представлен РНК. Это, в частности, вирус
табачной мозаики и многие другие вирусы растений, РНК-содержащие
бактериофаги и некоторые другие вирусы животных, такие, как
полиовирусы. Эти вирусные геномные РНК, одноцепочечные или
двухцепочечные, несут гены, кодирующие специфические РНК-ре-
99

пликазы, которые по РНК-матрице могут синтезировать
комплементарные молекулы РНК. Они в свою очередь могут служить
матрицами для синтеза аналогичным способом копий
родительских цепей РНК. Перенос генетической информации от РНК к РНК
также основан на принципе комплементарности оснований в
родительской и дочерней цепях РНК.
Обратная транскрипция. Данный вид специализированного
переноса генетической информации не от ДНК к РНК, а наоборот
от РНК к ДНК, обнаружен в клетках животных, инфицированных
вирусами определенного типа. Это особый тип РНК-содержащих
вирусов, называемых ретровируссти. В настоящее время
установлено, что еще один тип вирусов — ДНК-содержащий вирус
гепатита В в своем развитии также использует перенос информации от
РНК к ДНК.
Ретровирусы содержат молекулы одноцепочечной РНК, при
этом каждая вирусная частица имеет две копии РНК-генома,
т. е. вирусы этого типа являются единственной известной
разновидностью диплоидных вирусов. Впервые они были обнаружены
по способности вызывать образование опухолей у животных.
Первый вирус этого типа был описан в 1911 г. Пейтоном Раусом,
обнаружившим инфекционную саркому у кур.
После проникновения РНК ретровируса в клетку хозяина
вирусный геном подвергается обратной транскрипции. При этом
сначала образуется дуплекс РНК — ДНК, а затем двухцепочечная
ДНК. Эти этапы предшествуют экспрессии вирусных генов на
уровне белков и образованию РНК-геномов.
Фермент, катализирующий комплементарное копирование РНК
с образованием ДНК, называется обратной транскриптазой. Он
содержится в ретровирусных частицах (вирионах) и
активизируется после попадания вируса в клетку и разрушения его липидно-
гликопротеиновой оболочки.
Появляется все больше данных о том, что обратная
транскрипция происходит и в самых разных эукариотических клетках, а
обратная транскриптаза играет важную роль в процессах
перестройки генома.
Обратные транскриптазы ретровирусов — это по существу ДНК-
полимеразы, которые могут использовать т уйго в качестве
матрицы ДНК. Однако гораздо эффективнее они работают на РНК. Как
и все ДНК-полимеразы, обратные транскриптазы не способны
инициировать синтез новых цепей ДНК. Но если синтез уже
инициирован с помощью праймерной РНК или З'-концевого
участка ДНК, то фермент эффективно осуществляет синтез,
используя цепь ДНК как матрицу.
Ретровирусы оказались очень полезным инструментом
современных генно-инженерных исследований. Они служат
источником для получения практически чистой обратной транскриптазы —
фермента, играющего важнейшую роль в многочисленных рабо-
100
I
тах, основанных на клонировании эукариотических генов. Так,
очищенную индивидуальную мРНК, кодирующую интересующий
исследователя белок, как правило, выделить гораздо легче, чем
фрагмент ДНК генома, кодирующий этот белок. Затем с помощью
обратной транскриптазы можно получить ДНК-копию этой мРНК
и встроить ее в подходящую плазмиду для клонирования и
выработки значительных количеств нужной ДНК.
Трансляция ДНК. Третий вид специализированного переноса
генетической информации от ДНК непосредственно к белку
удалось наблюдать только в лаборатории т уйго. В этих условиях
некоторые антибиотики, в частности стрептомицин и неомицин,
взаимодействующие с рибосомами, могут так изменять их
свойства, что рибосомы начинают использовать в качестве матрицы
вместо мРНК одноцепочечную ДНК, с которой
последовательность оснований непосредственно переводится в аминокислотную
последовательность синтезируемого полипептида.
3.4. СТРУКТУРА ГЕНА
Проблема гена — центральная проблема генетики.
Представления о гене всегда отражали и отражают уровень развития этой
науки, ее достижения и проблемы. Понятие гена как дискретной
единицы, выявленной разработанным Г. Менделем методом
гибридологического анализа, ввел В. Иоганнссп в 1909 г. Он не
связывал это понятие с какими-либо гипотезами о его сущности и
материальной природе.
В последующий период произошла не только
«материализация», но и сами гены — участки молекул ДНК — стали объектами
и «рабочими инструментами» генной инженерии и
биотехнологии. Расшифрована первичная структура многих тысяч генов,
выяснены основные черты и особенности их строения у
разнообразных объектов. Эти сведения хранятся в компьютерных банках
информации, пополняемых и используемых учеными всего мира.
В настоящее время ген определяют как участок молекулы ДНК
(у некоторых вирусов РНК), кодирующий первичную структуру
полипептида, молекулы транспортной или рибосомной РНК либо
взаимодействующий с регуляторным белком.
3.4.1. ТОНКАЯ СТРУКТУРА ГЕНА
Согласно представлениям классической генетики долгое время
господствовало мнение, что ген — неделимая единица функции,
рекомбинации и мутирования. Гены уподобляли бусинкам,
соединенным каким-то образом в хроматиде хромосомы (Морган, 1926).
Эти взгляды базировались на основных критериях аллелизма (ре-
101

комбинационном и функциональном), при помощи которых
мутационные изменения относили к одному и тому же или к разным
генам. В частности, рекомбинационный критерий аллелизма
гласил: если мутации не рекомбинируют, то они аллельны, т. е.
затрагивают один и тот же ген.
В 1928г. Н. П.Дубинин при изучении открытого им явления
ступенчатого аллелизма у дрозофилы, проводимом в лаборатории
А. С. Серебровского, сформулировал идею о сложной структуре
гена как о материальной системе, в которой отдельные части
представлены материальными субструктурами. Эти представления
нашли свое отражение в работах А. С. Серебровского, И. И. Агола и
др. На основе изучения у дрозофилы ступенчатого аллеломорфиз-
ма локуса зс-ас (8си1е-аспае1:е), который контролирует развитие
щетинок, впервые удалось построить линейный план гена зс-ас.
Кроме того, Н. П. Дубининым был сделан вывод о том, что ген зс-
ас состоит из более мелких элементов — центров. Предполагалось,
что в случае мутирования изменяется не весь ген, а лишь
отдельные его центры.
На основании результатов проведенных исследований была
сформулирована центровая теория гена, согласно которой ген
состоит из отдельных функциональных участков — центров,
которые могут независимо изменяться при мутациях.
Большой вклад в изучение структуры и функции гена внесли
в начале 40-х годов XX в. Дж. Бидл и Е. Тэйтум, впервые
обнаружившие биохимические мутации у нейроспоры (Ж сгазза). В
результате ими был выдвинут принцип «один ген — один фермент»,
означавший, что каждый ген контролирует синтез какого-либо
фермента. Этот принцип определил дальнейшую методологию
исследования, согласно которой необходимо изучать не только
мутанты и соответствующие гены, но и контролируемые ими белки-
ферменты. Это дало начало новому направлению в генетике —
разработке систем ген — фермент, что способствовало
конкретизации представлений о гене, его структуре и функции.
В 1955—1961 гг. американский генетик С. Бензер с
сотрудниками досконально изучили тонкую структуру фага Т4,
поражающего кишечную палочку. Они провели анализ
молекулярного строения области г\\ в хромосоме бактериофага Т4 и
представили картину сложного строения гена на уровне молекул ДНК.
В этих экспериментах были сопоставлены размерности
генетической карты бактериофага и молекулярных структур,
ответственных за хранение и передачу наследственной информации,
т. е. нуклеотидных пар молекулы ДНК. Проведя эти расчеты,
исследователи пришли к выводу, что минимальный участок,
изменяющийся в результате мутации, состоит из нескольких нук-
леотидов. С. Бензер ввел ряд терминов: цистрон — генетическая
единица функции (синоним гена), мутон — единица мутации,
рекон — единица рекомбинации.
102
Последующие, более тонкие исследования показали, что
рекомбинация может разделять соседние пары нуклеотидов и что
наименьший участок ДНК, который изменяется при
мутировании, — это пара нуклеотидов. По этой причине введенные С. Бен-
зером термины мутон и рекон не получили широкого
распространения.
Несомненным достижением работы С.Бензера с
сотрудниками была также разработка метода перекрывающихся делеций для
внутригенного картирования, благодаря чему появилась
возможность «насыщать» генетическую карту мутациями. В пределах
двух генов {А и В) локуса гП ими было картировано более 2000
мутаций. Для точной локализации такого числа мутаций
методом парных скрещиваний мутантов потребовалось бы провести
около 2 млн скрещиваний, что практически невозможно.
Использование же делеций при картировании позволило заменить
количественный учет частоты рекомбинации качественным
тестом (при скрещивании точкового и делеционного мутантов ре-
комбинанты могут появиться только в том случае, если делеция
не перекрывает участок, в котором локализована точковая
мутация).
Итак, ген — это последовательность нуклеотидов, которая
выполняет определенную функцию в организме, например
последовательность нуклеотидов, кодирующая полипептид тРНК или
обеспечивающая транскрипцию другого гена.
Структурной единицей мутации и рекомбинации гена является
одна пара нуклеотидов (или один нуклеотид в случае геномов,
состоящих из одноцепочечных ДНК или РНК). Для обозначения
локализации мутаций в пределах гена применяют термин сайт
(англ. кие — место; биохим. активный центр). Он включает одну
пару нуклеотидов.
Размер генов, контролирующих синтез разных белков,
неодинаков. Он зависит от числа молекул аминокислот, входящих в
синтезируемую полипептидную цепь. Как уже отмечалось выше, на
каждую аминокислоту приходится потри пары нуклеотидов ДНК,
т. е. по одному кодону мРНК. Размеры полипептидов варьируют
в широких пределах: число составляющих их аминокислот
колеблется от 50 до нескольких тысяч. Следовательно, количество
пар нуклеотидов, входящих в гены, контролирующие синтез
белков, варьирует в диапазоне от 150 до нескольких тысяч. Одни из
самых коротких — гены, кодирующие тРНК. Молекулы всех про-
кариотических и эукариотических тРНК содержат около 80
нуклеотидов и характеризуются очень сходными вторичной и
пространственной структурами, которые можно схематически
представить в виде конфигурации клеверного листа. Но имеются и очень
длинные гены. Средний размер кодирующего участка гена
составляет примерно 1200 пар нуклеотидов. Таким образом, ген — очень
сложная структура.
103

3.4.2. ПРЕРЫВИСТЫЕ ГЕНЫ
Около двадцати лет назад в молекулярной генетике было
сделано важное открытие. До этого времени изучали гены главным
образом простейших организмов: бактерий и их паразитов —
вирусов. Во второй половине 70-х годов прошлого века биологи
наконец, получили в свое распоряжение ту технику, которая позволила
им изучать структуру и функции генов у более сложных
организмов, таких как млекопитающие, птицы, растения и др. Именно
тогда было обнаружено, что гены этих организмов отличаются от
генов бактерий. Оказалось, что это не цельные образования, а
состоящие из «частей и кусочков», что было для генетиков
полной неожиданностью. Иными словами, если представить себе
гены в виде текста, содержащего генетическую информацию, то у
бактерий он непрерывен, а у высших организмов расчленен
множеством вставок из других текстов.
Итак, при изучении структурных генов у эукариот было
установлено, что многие из них, кроме отрезков ДНК, кодирующих
аминокислоты в полипептидной цепи, включают в свой состав
«лишние», «молчащие» участки ДНК, которые не кодируют
аминокислоты. По предложению В. Джильберта, они были названы
интронами, а участки генов, кодирующие аминокислоты, — экзо-
нами. Интроны могут быть также обозначены как мДНК
(молчащая ДНК), а экзоны — как кДНК (кодирующая ДНК).
Одновременное вхождение в состав генов экзонов и интронов оказалось
универсальной особенностью структурных генов эукариот,
которой лишены только гены, кодирующие гистоны, и псевдогены.
Интроны обнаружены и в генах митохондрий, а также в
последовательностях РНК и ДНК вирусов, поражающих клетки
животных, таких, как аденовирус 2-го типа, 5У40, полиомиелита и др.
Использование методов молекулярной генетики и
электронно-микроскопического анализа дали возможность получить более
полную информацию о структуре и организации многих
структурных генов эукариот. Оказалось, что число интронов и их
положение в каждом из генов индивидуальны. В гене овальбумина
курицы обнаружено 7 интронов, а в гене коллагена — 51.
Средняя длина интронов составляет несколько сот пар нуклео-
тидов, а суммарная их длина обычно превышает аналогичный
показатель экзонов во много раз. Установлено, что интроны
расположены не по краям гена, а распределены по всей его длине.
Другими словами, гены высших организмов состоят из кодирующих
участков — экзонов, разделенных некодирующими — интронами.
Определение нуклеотидных последовательностей в интронах на
стыке с экзонами выявило наличие динуклеотида АГ на З'-кон-
це и динуклеотида ГТ на 5'~конце.
Образование молекул мРНК у эукариот характеризуется двумя
особенностями. Во-первых, было показано, что вначале транскри-
104 • [■;■;■.
бируется высокомолекулярная пре-мРНК, в которой
представлены копии как экзонов, так и интронов. Во-вторых, поскольку
трансляция требует наличия только комплекса экзонов, при
образовании зрелых молекул мРНК действует механизм удаления всех
последовательностей, свойственных интронам. При созревании
молекул пре-мРНК участки, транскрибированные с интронов,
вырезаются, а оставшиеся фрагменты, содержащие экзоны, ковалентно
сшиваются, образуя трансляционную систему гена, состоящую
только из экзонов, расположенных друг за другом в нужном
порядке. Таким образом, генетическая информация приобретает
непрерывную последовательность кодирующих нуклеотидов
подобную таковой в классическом случае с бактериями. Процесс
сращивания экзонов в общую нить мРНК был назван сплайсингом
(от англ. зрИсе — сращивание концов) (рис. 3.13).
Таким образом, сплайсинг — это специфический
биохимический процесс, который приводит к вырезанию интронов и соеди-
Начало гена
Конец гена
Цепь ДНК
I
Транскрипция
Пре-мРНК
Сплайсинг
I
мРНК
1
Экзон Экзон Экзон Экэои
12 3 4
Трансляция
I
Белок
Рис. 3.13. Синтез белка с прерывистого гена (ДаншенА., СлоннмскиП. Генетика и
наследственность. Сб. статей/Пер, с франц. — М., 1987. — С. 62)
105

мРНК
Белок, считанный
по рамке № 1
Белок, считанный
по рамке № 2
эелок» считанный
по рамке № 3
А
Х-,
и
1
1
!
1
е
1
Метионин
0
и
1
1
1
1
1
и
1
Валик
1
I
1
Триптофан
0
X
и
I 1
1 1
1 !
и
\
Лейцин
Цисгеин
Глицин
1
)
Алании
А
д
А
1
I
1
1
и
1
Аспарагин
1ейцин
е
X.
. _и
I
1
1
11
I
0
|
Вйлин
Метионин
Терминация
трансляции
^
1
1
0
1
А
|
е
1
Гистидин
Цисгеин
Цистеин
Алании
Рис. 3.14. Нуклеотидную последовательность можно прочесть по одной из трех
рамок считывания. При этом каждый раз получается новая последовательность
аминокислот в синтезируемой полипептидной цепи. В третьем варианте считывания
появляется терминирующий кодон, который прерывает синтез белковой цепи (Дан-
шея А., Слонимски П. Генетика и наследственность. Сб. статей/Пер, с франц. —
М., 1987. — С. 62)
нению экзонов. Логично было предположить, что в этом процессе
участвуют ферменты, как, впрочем, и во всех биологических
процессах. Тогда возникает вопрос об их идентификации и о том, как
же им удается вырезать и соединять последовательности нуклео-
тидных пар с такой точностью. Проблема распознавания границ
интронов очень важна, ведь если ферменты сработают неточно,
то, соединившись, экзоны будут кодировать совершенно другой,
неактивный белок (рис. 3.14). В таких случаях говорят о «сдвиге
рамки считывания». Простое сравнение с типографским браком
прекрасно иллюстрирует значение этого понятия. Следовательно,
то, что сплайсинг пре-мРНК происходит по границам интронов и
экзонов без сдвига рамки считывания нуклеотидов, имеет особое
значение.
3.4.3. ПЕРЕКРЫВАЮЩИЕСЯ ГЕНЫ
В последние годы у некоторых вирусов обнаружены
перекрывающиеся гены. Так, у ряда РНК-содержащих бактериофагов Е. соН
(К17, О, М82 и др.) были установлены и изучены три гена:
контролирующие синтез репликазы и белка оболочки, а также созрева-
106
ния вирусной частицы. После расшифровки полной нуклеотид-
ной последовательности РНК этих фагов на ней были
локализованы все три гена. Кроме того, был обнаружен четвертый ген,
который кодировал белок Ь, включающий 75 аминокислотных
остатков, и блокировал лизис зараженной клетки. Места для этого гена
на РНК не было. Расшифровка первичной структуры РНК этого
гена показала, что слева расположен кодон-инициатор (АУГ), а
справа — кодон-терминатор (УАА), Между ними как раз
располагаются 75 триплетов. Оказалось, что данный ген локализован
частично в гене белка оболочки (47 оснований), частично в
межгенном интервале (36 оснований) и частично в гене РНК-репликазы
(142 основания).
Аналогичное явление обнаружено для некоторых генов од-
ноцепочечных ДНК-содержащих фагов Е. соН (фХ174, С4 и др.),
а также для вируса 8У40. Перекрывание генов — нередкое
явление у вирусов и транспозонов, но это вовсе не означает, что
код может быть перекрывающимся. В каждом из
перекрывающихся генов триплеты все так же считываются с
фиксированной точки, и каждый нуклеотид принадлежит одному кодону.
В то же время стало очевидным, что одни и те же
последовательности нуклеотидов могут быть использованы для
кодирования разных белков.
3.5. ПОДВИЖНЫЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
До второй половины 40-х годов прошлого века считалось, что
гены стабильно располагаются в определенных локусах
соответствующих хромосом и не способны перемещаться из одного
положения в другое без реципрокного обмена.
Однако в 1951 г. Барбара Мак-Клинток, сотрудница
Вашингтонского института Карнеги в Колд-Сприпг-Хаборс, впервые
описала подвижные генетические элементы, обнаруженные у
кукурузы, которые удалось выявить благодаря их способности
перемещаться из одного сайта в другой. Она назвала их контролирующими
элементами. Внедрение контролирующего элемента в
определенный сайт влияет на активность и смежных генов.
В опытах по генетике окраски зерна кукурузы Б. Мак-Клинток
получила факты, которые нельзя было объяснить с позиции
стабильной локализации генов в хромосомах и неспособности их
перемещения в геноме: в опытах были выявлены
растения-близнецы, имеющие неодинаковую окраску листьев (у одного они были
интенсивно-зелеными, у другого — светло-желтыми).
Аналогичное явление проявилось и по окраске семян в початке. Данные
опыта свидетельствовали о наличии у одного из дочерних
растений специфической генетической системы, которой другое
растение не обладало. ,..,,.,
107

Полученные экспериментальные результаты позволили Б. Мак-
Клинток доказать наличие подвижных генетических элементов в
хромосомах кукурузы и разработать четкую модель генетической
системы, взаимодействующей с генами, определяющими
пигментацию зерен в початке и интенсивность окраски листьев
растения. Эта система включает два подвижных контролирующих
элемента: диссоциатор, названный Ду-геном, и активатор — Ас-
ген. По результатам ее исследований, генетическая система
работает следующим образом: если Ду-ген передвигается к
хромосомному участку, расположенному рядом со структурным
геном (например, контролирующим узор чередования полос на
листьях кукурузы), то он подавляет фенотипическую экспрессию
структурного гена, в результате чего полосы на листьях
становятся блеклыми. Однако это подавление было эффективным
лишь в том случае, когда ген Ас находился возле двух названных
выше генов. Если же ген Ас перемещался на более отделенный
участок хромосомы, подавления геном Д<7 структурного гена не
происходило и продольные полосы на листьях были
ярко-зелеными. Согласно выводам Мак-Клинток, один из двух мобильных
генов (Ду) подавляет действие близлежащего структурного гена, а
другой (Ас) снимает это действие.
По современной классификации ген Ас относится к классу
автономных контролирующих элементов, которые способны
вырезаться из хромосомы и транспозироваться; их внедрение в новый
сайт ведет к появлению нестабильных аллелей т(ггш1аЫе). Ген Д?
является неавтономным контролирующим элементом, который
теряет свою стабильность только в том случае, если в какой-то
области генома присутствует автономный член того же семейства.
Неавтономный элемент может комплементироваться в
транс-положении автономным и осуществлять свойственные ему функции.
Установлено, что неавтономные элементы могут быть
активизированы в транс-положеяпя только определенными автономными
элементами. На кукурузе были описаны два типа систем
перемещающихся генетических элементов. В простой одноэлементной
системе мобильный контролирующий элемент влияет на активность
гена, прилегающего к нему в хромосоме. В случае двухэлементной
системы существуют: а) рецепторный элемент, располагающийся
около или внутри структурного гена, и б) регуляторный элемент,
который обладает способностью к самостоятельному
перемещению в геноме, а также влияет на транспозицию рецепторного
элемента. Были выявлены и изучены целый ряд двухэлементных
систем: в частности, для рецепторов — /; Ду; Л; си; гид с регуляторами
соответственно: Еп, 8рт; Ас, Мр; В(; Реи; 5р/; \]а; например,
система Ду — Ас (диссоциации — активации), система Зрт (супрессор —
мутатор) и др.
В терминологию, связанную с изучением мобильных
генетических систем, внесены существенные дополнения. В частности,
108 ■-■ •■■..':,.
введены такие понятия, как «транспозиция», «транспозон(ы)»,
«инсерционные последовательности» и др.
Транспозиция — это перемещение сегмента ДНК из одного
местоположения в другое без реципрокного обмена.
Транспозон — это транспозируемая последовательность ДНК,
несущая один или несколько генов, ограниченная с обеих
сторон идентичными инсерционными последовательностями,
которые обеспечивают транспозону способность перемещаться из
одного локуса в другой.
Инсерционными последовательностями называются различные
последовательности нуклеотидов, обнаруженные в бактериях и
способные к перемещению из одного хромосомного локуса в другой.
Спонтанное перемещение таких последовательностей может
вызывать мутации в исходном или новом участке внедрения. Эти
последовательности могут внести активные промоторы или
терминаторы синтеза мРНК и служить участками-мишенями для
интеграции эписом.
Открытие Б. Мак-Клинток транспозирующих генетических
систем и генетической регуляции имело огромное научное
значение и далеко идущие последствия. Оно опередило свое время на
15—30 лет. Господствующая в то время в генетике догма о генах
как стабильных компонентах хромосом не позволила
большинству исследователей воспринять это открытие всерьез. И это
несмотря на то, что открытие мигрирующих генетических
элементов и модель генетической системы позволяли также правильно
интерпретировать некоторые явления, несовместимые со
строгими менделевскими законами наследственности, по которым фе-
нотипические признаки от любых двух родителей распределяются
у потомков в соответствии с генетической доминантностью или
рецессивностью в простых соотношениях. С помощью этой
модели можно было объяснить и механизм изменения цветового узора
кукурузного початка при переходе от ранних стадий развития
растения к поздним. Мак-Клинток высказала также идею о том, что
подвижные генетические элементы или гены могут влиять на
скорость возникновения новых видов растений и животных. Модель
системы позволяла также объяснить, каким образом резистент-
ность к антибиотикам передается от одного вида бактерий к
другим, что имело и большое практическое значение.
В 1983 г. Барбара Мак-Клинток была удостоена Нобелевской
премии «за открытие транспозирующих генетических систем».
Это случилось на три десятилетия позже, чем была выполнена
работа, которая теперь была поставлена ей в заслугу.
К этому времени стало ясно, что мобильные генетические
элементы составляют неотъемлемую часть генома как прокариоти-
ческих, так и эукариотических организмов. Описание структуры
этих элементов на молекулярном уровне началось с прокариот,
поскольку соответствующие методы исследования их ДНК были
109

разработаны в 70-х годах прошлого века, тогда как метод рекомби-
нантных ДНК, позволяющий исследовать на том же уровне ДНК
эукариотических организмов, стал доступен лишь в 80-х годах.
К настоящему времени собран огромный экспериментальный
материал, полученный на разных объектах, о мобильных
генетических элементах, способных к перемещению в пределах генома и вне
его. Он показывает, насколько велика эволюционная роль
перестроек и дупликаций последовательностей ДНК. И хотя структура
генома вполне стабильна, встречаются, пусть и довольно редко,
транспозиции последовательностей ДНК из одного геномного ло-
куса в другой или дупликации с последующей амплификацией
сегментов ДНК. Встраивание мобильного сегмента в новый геномный
локус сопровождается изменением кодирующего участка или
важного регуляторного элемента. В простейшем случае ген перестает
экспрессироваться. Но нередко сами мобильные элементы
выполняют регуляторные функции. В таких случаях экспрессия генов,
соседствующих со вставкой, может претерпеть сложные изменения, в
том числе и с переходом на новые способы регуляции.
Различают несколько типов мобильных ДНК-элементов. По
классификации, основанной прежде всего на структурных
особенностях элементов, выделяют:
транспозирующиеся элементы — все они обладают двумя
общими свойствами: во-первых, несут ген (или несколько генов),
необходимый для транспозиции; во-вторых, содержат на концах
специфические взаимно инвертированные повторяющиеся
последовательности, также необходимые для транспозиции. Сами они не
кодируют никаких существенных для организма функций, однако
часто содержат специфические гены, например ген устойчивости
к антибиотикам. Транспозиция этих элементов, как правило,
сопровождается сильными мутагенными эффектами;
ретротранспозоны — эукаристические мобильные элементы,
транспозиция которых происходит при транскрипции или
обратной транскрипции. Они содержат центральный сегмент,
кодирующий среди других белков обратную транскриптазу.
У некоторых ретротранспозонов, называемых здесь ретротран-
спозонами класса I, этот центральный сегмент окружен
длинными концевыми повторами (ЬТК). У ретротранспозонов класса I на
одном из концов имеются также короткие инвертированные
повторы. По своей структуре, особенностям транскрипции и
механизму транспозиции они напоминают ретровирусные провирусы.
Отличие состоит в отсутствии жизнеспособных внеклеточных форм.
Семейства ретротранспозонов обнаружены у разных
беспозвоночных, в частности у дрожжей и дрозофилы, а также у растений и
некоторых млекопитающих.
Ретротранспозоны класса II не имеют концевых повторов, а
один из концов часто бывает представлен богатой АТ
последовательностью. В этом отношении они не похожи на ретровирусные
110
провирусы. Элементы класса II менее изучены, чем элементы
класса I, хотя они широко распространены среди эукариот.
Ретрогены — перемещающиеся по геному разнообразные
сегменты ДНК, не обладающие специфическими структурными и
кодирующими свойствами транспозонов или ретротранспозопон. В
отличие от мобильных элементов других классов, они весьма гетеро-
генны по размеру и структуре. У них нет концевых повторов, а па
одном из концов часто присутствует богатая АТ последонатель-
ность. К ретрогенам относятся процессированные псевдогены и
5ШЕ-последовательности*; они обнаружены у различных
эукариот, но особенно широко представлены у млекопитающих.
Полагают, что транспозиция ретрогенов происходит через образование
РНК с последующей обратной транскрипцией. При этом ретро-
гены не кодируют необходимых для транспозиции активностей
(т. е. обратную транскриптазу).
Рассмотрение раздела о подвижных генетических элементах
было бы неполным без ознакомления с так называемой плазмид-
ной или векторной трансформацией — введением в клетки
бактерий, а также эукариот генов, интегрированных в естественные или
искусственные плазмиды. Последние представляют собой
нехромосомные генетические детерминанты бактерий и эукариот,
объединяемые в более широкую группу — плазмиды, поскольку Р-фак-
тор и другие эписомы могут реплицироваться автономно, т. е.
независимо от бактериальной хромосомы, их также относят к плаз-
мидам. Плазмиды — кольцевые молекулы ДНК, обладающие
свойствами репликона, т. е. они могут реплицироваться с помощью
ферментов клетки бактерии независимо от основной хромосомы.
Эксперименты по реконструкции клеток открыли новые
перспективы как для изучения биологии клетки, так и для разработки
новых методов терапии на клеточном уровне. Идентификация ДНК
как трансформирующего агента стимулировала попытки
трансформации у животных, растений и других эукариотических
организмов. Но только в конце 70-х годов прошлого века были
получены воспроизводимые результаты с применением векторной
трансформации. В основе этого подхода лежит использование
векторных молекул, или векторов, в качестве которых применяли
плазмиды сначала бактериальных, а затем эукариотических
клеток. Векторы — это молекулы ДНК, способные переносить
включенные в них гены в клетку, где эти молекулы реплицируются
автономно или после интеграции с геномом.
Важную роль в этих экспериментах сыграли также методы
клонирования индивидуальных генов, т. е. их наработки в нужных
количествах путем неограниченного размножения в бактериальных
клетках. В ходе разработки этих процедур была создана высокоэф-
* Длинные диспергированные повторы у млекопитающих.
111

фективная техника генной инженерии, включающая: выделение
индивидуальных фрагментов ДНК любого происхождения, их
стабильное воспроизведение в составе векторов, идентификацию
функций клонированных генов, их изменение и введение в клетки
исходного или иного организма. Эта так называемая техника ре-
комбинантной ДНК в сочетании с методами расшифровки
первичной структуры генов открыла возможность экспериментирования
непосредственно на генетическом материале, манипулирования
генами в научных и практических целях.
В'основе молекулярного клонирования лежит встраивание
нужного фрагмента ДНК (вставки) в другую молекулу ДНК (вектор),
которая способна реплицироваться в соответствующей
клетке-хозяине. Такое встраивание осуществляют т уйго, а затем
образовавшиеся рекомбинантные молекулы ДНК вводят в клетки.
Векторная молекула должна содержать точку начала репликации (оп).
Кроме того, для репликации нужны специфические ферменты и
другие белки; их поставляет клетка-хозяин или они кодируются
самим вектором. Вектором может быть любой небольшой внехро-
мосомный элемент: например плазмида, ДНК фага или вируса.
Основным принципом молекулярного клонирования всегда
является создание двухкомпонентной системы — совместимой
комбинации хозяина и вектора.
Чаще всего в таких комбинациях в роли хозяина выступает
штамм Е. соН К12, а в роли вектора — плазмиды Е.соН и фаги.
Предпочтение, отдаваемое штамму К12, обусловлено тем, что
еще задолго до развития технологии рекомбинантных ДНК
он был хорошо изучен, поскольку широко использовался в
исследованиях по генетике микроорганизмов. Кроме того, в
клетках штамма Е.соН К12 могут реплицироваться многие
бактериофаги и плазмиды — потенциально полезные векторы. С
распространением генетических манипуляций на клетки эукариот
и в особенности с началом исследования экспрессии генов в
клетках дрожжей, растений и животных появилась
необходимость в разработке подходящих эукариотических систем
хозяин — вектор.
3.5.1. Е.СОИ-СИСТЕМЫ: ПЛАЗМИДНЫЕ ВЕКТОРЫ
Существует много разных принципов классификации плазмид.
Среди них заслуживает особого внимания принцип, основанный
на учете наличия в них модульных сегментов ДНК. В табл. 3.3.
суммированы данные о модульных особенностях пяти природных
плазмид. Каждый модульный сегмент может содержать один или
несколько генов, или цис-действующих элементов, таких,
например, как область инициации репликации.
112
3.3. Молекулярная организация плазмид
Модуль
Плазмиды (в скобках указаны их
приблизительные размеры в тыс. п. н.)
Р(93)
К.100
(100)
Со1У
(140)
Со1Е1
(6)
Ар201
(14)
Модуль репликации со строгим контролем + + + — —
(1—2 копии)
Модуль репликации с ослабленным контро- — — — + +
лем (10—30 копий)
Модуль конъюгации + + + — —
Модуль резистентности к тетрациклину - + — — —
Со1-модуль — - + + —
Модуль резистентности к ампициллину — — — — +
Модуль резистентности к хлорамфениколу — + — — —
Каждая плазмида должна иметь, по крайней мере, один или
несколько модулей репликации, которые позволяют ей автономно
реплицироваться. В одном из классов плазмид, типичными
представителями которого являются Р-плазмиды, репликация и
сегрегация регулируются согласованно с репликацией бактериального
генома, и в каждой клетке содержится одна или две копии
плазмиды. Такой тип репликации называют репликацией со строгим
контролем. Второй тип модуля репликации свободен от такого
контроля, что приводит к существованию в клетке многих копий
плазмид. Он получил название модуля репликации с ослабленным
контролем.
Модули еще одного типа содержат гены, белковые продукты
которых инактивируют антибиотики. Плазмиды, несущие такие
модули, часто называют К- плазмидам и.
Некоторые плазмиды содержат также многие другие модули,
кодирующие, например, системы рестрикции — модификации
(система Есо Ш).
Модули как подвижные элементы. Плазмиды, выделенные
независимо и даже в различных частях спета, часто содержат
близкородственные модули. На основании этих и других данных
возникло представление о том, что между геномами происходит обмен
некоторыми генетическими модулями в виде интактных
сегментов ДНК. В настоящее время доказано, что в бактериальных плаз-
мидах происходит множество перестроек и обменов. Например,
К-плазмиды, присутствующие в клетках определенных бактерий,
отличных от Е. соН, особенно в 8а1топепа {урЫтигшт или Рго1еи&
тггаЫНз могут диссоциировать на две отдельные плазмиды, каждая
из которых содержит одну из двух разных частей. Р-подобные
последовательности образуют независимо реплицирующуюся конъю-
гативную плазмиду, обозначаемую КТР, а остальная часть — дру-
113

гую реплицирующуюся, но неконъюгативную плазмиду,
обозначаемую г. Поскольку как КТР, так и г — независимые репликоны,
каждая из них должна содержать модуль ДНК, обеспечивающий
репликацию. Подобные перестройки не являются простым
лабораторным курьезом: КТР- и г-плазмиды обнаружены и в природе.
Эти и другие данные, полученные при изучении генетики
бактерий, привели к идентификации дискретных подвижных элемен-
, тов, названных инсерционными последовательностями и транс-
; позонами, которые способны перемещаться не только между плаз-
мидами, но и между плазмидными и клеточными геномами.
Многие модули в плазмидах обычно являются подвижными
элементами или фланкированы ими.
Плазмиды как векторы. Многие плазмиды используют в
качестве векторов для молекулярного клонирования в Е. сой (см.
раздел З.7.). Плазмиды, обнаруженные в природе, впоследствии были
модифицированы, укорочены, реконструированы и подвергнуты
рекомбинации как в клетках, так и в экспериментальных
условиях. В результате всех этих манипуляций были получены и
универсальные плазмиды, и предназначенные для решения конкретных
экспериментальных задач. Лучшие из них содержат генетические
маркеры, позволяющие упростить отбор рекомбинантных
молекул. Из всех векторов при работе с Е. соН чаще всего используют
плазмиду рВК322. Этот вектор был сконструирован с помощью
классических генетических методов (т угуо) в сочетании с
методами, применяемыми при работе с рекомбинантными ДНК, и
обладает многими свойствами идеального плазмидного вектора для
клонирования.
3.6. ОРГАНИЗАЦИЯ ГЕНОМА
Термин геном применяют к совокупности хромосом, а на
молекулярном уровне — к совокупности ДНК, свойственных
отдельному организму или клетке, в отличие от термина генотип,
который относят к информации, заключенной в этих хромосомах или
ДНК, либо в одном или нескольких изучаемых генных локусах.
Ф. Айала и Дж. Кайгер (1988) определяют термином геном —
генетический состав клетки или вируса; для эукариот его иногда
используют в значении «единичный полный (гаплоидный) набор
хромосом».
Молекулярное клонирование создало предпосылки для
изучения практически любой части любого генома и позволило решить
очень трудные проблемы, обусловленные сложностью как
геномов эукариот, так и их генетического анализа.
В настоящее время можно получать в чистом виде
необходимые нам фрагменты ДНК самых разных геномов в достаточном
для их исчерпывающего химического анализа количестве. Благо-
114
даря применению эндонуклеаз рестрикции и методов определения
нуклеотидных последовательностей эта работа стала почти
рутинной. Локализация перекрывающихся участков клонирования
сегментов ДНК позволила уже к 1991 г. установить нуклеотидные
последовательности областей генома млекопитающих длиной
более 150 тыс. п. н. И хотя геномы эукариот имеют большие размеры
и чрезвычайно сложное строение (табл. З.4.), детальное изучение
их молекулярной организации вполне возможно. Теперь это в
основном вопрос времени и средств. Напомним, что на
расшифровку последовательности нуклеотидов генома фага ламбда длиной
50 тыс. п. н. потребовалось менее 5 человеко-лет.
3.4. Размер геномов отдельных эукариотических организмов
Организм
Примерный размер
гаплоидного генома, п. н.

Гаплоидное число
хромосом
Дрожжи (8ассНаготке5 сегеуккае)
Миксомицеты (ГМс1у<ю1еИит сЧзсоМез)
Нематода (СаепогкаЪйШз е!ецап5)
Дрозофила {ОгозорНИа те1апо%ах(ег)
Шелкопряд (ВотЬих топ)
Морской еж (81гоп%у1осеп(гоШз ригпитШз)
Шпорцевая лягушка (Хепориз /встй)
Протей (ЫесШгиз теси1от)
Курица (Са11и5 ^отезНсих)
Человек (Ното зар1епз)
Мышь (Миз тизсЫиз)
Крупный рогатый скот (Воую йотевпсиз)
Арабидопсис {АгаЬШорт (НаЧапа)
Кукуруза (2еа тауз)
Лук (АШит сера)
Зная нуклеотидную последовательность тот или иного гена и
примыкающих к нему сегменте» ДН К, еще ничего нельзя сказать о
том, как работает этот ген, как осуществляется регуляция его
экспрессии при развитии и дифференцировке или при реакции на
изменение условий окружающей среды. Нуклеотидная
последовательность сама по себе не дает никакого представления ни о
способе координации генной экспрессии, ни о том, каким образом
изменение скорости экспрессии гена нарушает нормальное
функционирование организма либо приводит к тому или иному заболеванию.
Во всех этих случаях инструментом становится метод
рекомбинантных ДНК. Этот аналитический подход, так называемая обратная
генетика, заменяет многие методы классической генетики и
многократно расширяет возможности генетического исследования.
1,35 ■ 10' .
7 10'
8 10'
1,65 - 108
5 108
8 -108
3 109
5 • 10ш
1,2 ■ 109
2,9 ■ 109
3-Ю9
3,1 • 109
7 ■ И)7
5 ■ 10»
1,5-К)1"
16
7
11...12
4
28
21
18
19
39
23
20
30
5
10
8
115

3.6.1. МОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА ГЕНОМОВ ЭУКАРИОТ.
ЭЛЕМЕНТЫ ГЕНОМОВ ЭУКАРИОТ
При рассмотрении организации генома выделяют три ее уровня.
Первый уровень — отдельные гены и соответствующие регуля-
торные элементы.
Второй уровень — число генов и других сегментов ДНК, а
также их взаимное расположение.
Третий уровень — система хроматина и ее влияние на
линейную организацию и экспрессию генов. Связь между экспрессией
генов и структурой хроматина доказана, но о механизмах этой
связи известно пока очень мало.
Геном каждого вида уникален, однако у него есть и общие
черты с геномами других видов.
Классификация сегментов ДНК предполагает их
подразделение на следующие группы.
Гены. Ген эукариот — это совокупность сегментов ДНК,
образующих экспрессирующуюся единицу. В результате экспрессии
образуются один или несколько функциональных генных
продуктов: полипептидов или РНК. Те сегменты ДНК, с которых генный
продукт не транскрибируется, называют некодирующими.
Некоторые некодирующие области (регуляторные сигналы,
фланкирующие кодоны или вставочные последовательности, прерывающие
ген) являются составными частями генов. Другие участки,
имеющие отношение к репликации ДНК или выполняющие какие-то
другие, пока неизвестные нам функции, находятся между генами.
Псевдогены. Это участки генома, близкие в структурном
отношении к функционирующим генам, но не являющиеся их аллель-
ными формами и не кодирующие никаких функциональных
генных продуктов. Псевдогены могут быть молчащими или иметь
мутации, с которых могут транскрибироваться и далее
транслироваться дефектные полипептиды. Как правило, псевдогены тесно
сцеп- лены с соответствующими функциональными генами или
фланкированы последовательностями, гомологичными
фланкирующим функциональный ген. \
Процессированные псевдогены. Это подкласс псевдогенов с
определенной локализацией и структурой. Как правило, они
рассеяны по всему геному, в том числе и по разным
хромосомам. По своей структуре они больше похожи на ДНК-копии
мРНК, чем на гены.
Повторяющиеся последовательности. Имеются различные
варианты повторов последовательностей в молекуле ДНК.
Повторяющиеся последовательности, ориентированные в одном
направлении в молекуле ДНК, называют прямыми повторами или
последовательностями, расположенными «голова-к-хвосту». Такие
повторы могут входить в состав непрерывных (тандемных) повторов
или быть разделенными другими последовательностями. Размер
повторяющейся единицы варьирует от двух до нескольких тысяч
116
пар нуклеотидов. Повторяющиеся последовательности,
ориентированные в противоположных направлениях («голова-к-голове»
или «хвост-к-хвосту»), называют обратными (инвертированными)
повторами.
Значительная часть большинства эукариотических геномов пред-'
ставлена последовательностями, повторяющимися в неизменной
или несколько модифицированной форме. Число таких копий
варьирует от двух до нескольких миллионов. Ген и родственные ему
псевдогены образуют семейство повторяющихся
последовательностей. Другие семейства, например повторяющиеся гистоновые
гены, состоят преимущественно из кодирующих элементов.
Семейства сателлитных ДНК содержат исключительно некодирующие
единицы.
Наличие повторяющихся последовательностей в геноме
характерно не только для эукариот. В частности, у таких прокариот,
как Е. соН и б1, {урктигшт, имеются короткие (от 20 до 40 п. н.)
палиндромные последовательности, повторяющиеся в. межгенных
промежутках 500 и более раз. Но на их долю приходится лишь
0,5 % всего генома. Кроме того, ДНК прокариот содержит
повторяющиеся единицы длиной несколько тысяч пар оснований;
одни из них являются генами рибосомной РНК, а другие —
мобильными элементами.
В отличие от прокариот, у многих эукариот на долю повторов
приходится иногда более 50 % генома.
Гены, кодирующие РНК. В отличие от генов, кодирующих
белки, где каждый транскрипт в результате многократной трансляции
дает множество генных продуктов, транскрипт РНК-гена дает
только одну копию конечного РНК-продукта. В трансляции мРНК и
процессинге РНК-предшественников участвует широкий спектр
молекул РНК, и многие из них требуются в относительно
больших количествах. Спрос на РНК часто удовлетворяется благодаря
большому избытку ге и о и.
• Гены, кодирующие 188, 58 и 288 рРНК.
Значительная часть данных о генах рибосомпых РНК (рРНК) была
получена еще до появления мстодон рекомбипаптных ДНК,
поскольку рРНК, выделяемые и? очищенных рибосом, не содержат
примесей и могут быть использованы и качестве зондов для
гибридизации без предварительного клонирования.
Исследования выявили сцепление трех рРНК в пределах одной
транскрипционной единицы. Как правило, кодирующие области
вышеназванных генов эукариот сгруппированы в указанном по-"
рядке в одну транскрипционную единицу. Все эти РНК образуют-*
ся из длинного транскрипта-предшественника в результате про-?
цессинга, включающего расщепление РНК эндонуклеазами и
метилирования нуклеотидов и 2'-гидроксильных групп. Полная
транскрипционная единица содержит два некодирующих спейсера
(называемых внутренними транскрибируемыми спейсерами, 1Т8),
117

которые разделяют три кодирующие области, а также имеет неко-
дирующие участки перед первым геном 188 рРНК и за последним
геном 288 рРНК (эти участки называются внешними
транскрибируемыми спейсерами, ЕТ8). У эукариот длина и нуклеотидная
последовательность рРНК варьируют незначительно. В большинстве
случаев копии рДНК в хромосоме организованы в виде тандемного
повтора, образующего протяженный кластер. Эти кластеры часто
локализованы в нескольких хромосомах. Единицы транскрипции
рДНК в пределах этих кластеров разделены межгенными
спейсерами, или Ю8. Длина каждого Ю8 варьирует от 2 тыс. п. н. у
дрожжей до 30 тыс. п. н. у млекопитающих. Нуклеотидные
последовательности 1С8 сильно различаются у разных видов.
Число копий рДНК может варьировать и в пределах каждого
вида. В геноме человека рДНК обнаружена в пяти хромосомных
локусах, при этом каждый из них содержит разное число копий
рДНК, кроме того, число копий на хромосому неодинаково и у
разных индивидов. Увеличение и уменьшение числа копий
характерны для рДНК в такой же степени, как и для других длинных
тандемных повторов. Причина заключается в неравной
гомологичной рекомбинации между тандемными повторами.
• Гены, кодирующие 58 рРНК. При этом все рибо-
сомные гены некоторых простейших и грибов, в частности
дрожжей 5. сегеут$ае, в том числе и гены 58 рРНК, сцеплены и
находятся в одной повторяющейся единице. Однако гены 58 рРНК
транскрибируются с цепи ДНК, комплементарной той, на
которой синтезируется длинный предшественник 188, 53, и 288
рРНК. При этом используются две разные РНК-полимеразы:
длинный полицистронный транскрипт образуется при участии
РНК-полимеразы I, а 58 рРНК — РНК-полимеразы III. Однако у
другого вида дрожжей, &. сегЫшае и у гриба Меигозрот стзза
гены 58 рРНК не входят в состав единого тандемного повтора, а
рассеяны по всему геному.
• Гены, кодирующие тРНК. Гены тРНК, как и
гены 58 рРНК, транскрибируются с помощью РНК-полимеразы III.
При этом промотор также располагается внутри кодирующей
последовательности. Одни гены тРНК содержат интроны, другие нет.
Как прерывистые, так и непрерывные гены могут быть даже у
одного и того же вида, например у дрозофилы. Интроны генов
тРНК, как правило, короткие, не более 45 п. н. Они всегда
находятся с З'-стороны от антикодоновой последовательности.
Гены тРНК в эукариотических геномах, как и гены рРНК,
обычно присутствуют в большом числе копий. Но в отличие от
рДНК, с их строго упорядоченной организацией, гены тРНК
кажутся расположенными беспорядочно — они могут как в
соседствовать, так и не соседствовать друг с другом, находиться как в
одном кластере, так и в разных. Таким образом, организация
генов тРНК весьма разнообразна.
118 ■'{''■ '^-■■■""■ ■'
\
р \ Функциональные гены тРНК фланкируются самыми
разнообразными последовательностями, но среди них часто встречаются и
специфические повторы.
• Гены, кодирующие малые ядерные и
малые цитоплазматические РНК. Эукариотические
клетки содержат множество коротких стабильных молекул РНК,
большинство которых присутствуют в ядре или в цитоплазме в
составе нуклеопротеидных частиц (нуклеосом). Некоторые из малых
ядерных РНК (мяРНК) играют ключевую роль в процессинге
первичных транскриптов с образованием зрелых мРНК и рРНК.
Функции малых цитоплазматических РНК (мцРНК), за
исключением 781.-РНК сигналраспознающих частиц, не выяснены.
В геноме многоклеточных организмов присутствует множество
сегментов ДНК, которые гибридизуются с Ш-, Ш-, Ш-, 1М-,
115-, И6- и 117-мяРНК или с соответствующими кДНК. Одни
такие сегменты диспергированы, а другие сгруппированы, обычно в
тандемные повторы. Как и в случае гемон 58 рРНК,
соответствующий кодирующий участок может входить в состав длинного
сегмента ДНК, который образует повторяющуюся единицу. Как
правило, функциональные гены организованы в кластеры, а
псевдогены диспергированы. Кодирующие последовательности
функциональных генов комплементарны последовательностям
соответствующих мяРНК.
Сигналраспознающие частицы, основным компонентом
которых является 78Ь-РНК, участвуют и переносе новосинтезирован-
ных секретируемых и связанных с мембранами пол и пептидов
через липидный бислой эндоплазматического рстикулума.
Функции генов других мцРНК не выяснены.
Гены, кодирующие белки. Гены, кодирующие белки, у
большинства видов содержат кодирующие области (ж юны), прерываемые
одним или несколькими интронами. Однако некоторые гены, в
частности кодирующие гистоны или интерфероны, не имеют
вставочных последовательностей. Их число в разных генах
варьирует в широких пределах, а количество ДИК, приходящееся на
долю интронов, может иногда в десятки раз превышать
количество ДНК кодирующих областей. Как правило, пуклеотидные
последовательности аналогичных экзопов (относящихся к пара-
логичным генам в одном геноме или к ортологичным** генам в
разных геномах отдельных видов) более консервативны, чем
нуклеотидные последовательности соответствующих интронов.
Положение последних, как правило, фиксировано, а по составу и длине
они варьируют.
* Гомологичные гены, возникшие в результате дупликации и
эволюционировавшие параллельно в одном и том же организме.
** Гомологичные гены, которые неодинаково эволюционировали у различных
видов, имеющих общего предка.
> 119

\
Все известные гены, кодирующие белки, транскрибируются
РНК-полимеразой II, поэтому часто имеют сходные промоторы и
сигналы полиаденилирования. Но многие такие гены связаны с
более специфичными регуляторными последовательностями,
которые опосредуют действия гормональных, средовых или
онтогенетических факторов.
В отличие от генов, кодирующих РНК, полипептидные гены
представлены в геноме в единственном числе. Однако геном часто
содержит сегменты, гомологичные специфическому гену. Таким
образом, однокопийный ген может входить в состав семейства
близкородственных последовательностей, например, в семейство
генов гормона роста. Члены такого семейства могут кодировать
незначительно различающиеся белки (например, изозимы).
Членами семейства могут быть и псевдогены. Генетики условились:
1) считать два неаллельных гена идентичными, если они кодируют
фактически одинаковые белки и находятся под общим контролем;
2) считать близкородственные гены членами одного мультиген-
ного семейства.
Однокопийные гены могут принадлежать также большому над-
семейству отдаленно родственных последовательностей. Гены
такого надсемейства, несмотря на структурное сходство, кодируют
совершенно разные белки (например пролактин и гормон роста).
Распределение отдельных генов по надсемействам возможно лишь
при наличии информации об их нуклеотидной
последовательности. При этом сходство между двумя белками не находится в
прямой зависимости от сходства между соответствующими генами.
Вследствие вырожденности генетического кода изменения в
третьей позиции кодонов мало влияют на тип кодируемой
аминокислоты, в то время как такие же изменения в первой или во второй
позиции кодонов приводят к существенным изменениям в
структуре белка.
Помимо генов, принадлежащих мультигенным семействам
или надсемействам, имеются и уникальные гены. Например, ген
тиреоглобулина человека и ген актина дрожжей.
Повторяемость последовательностей ДНК. Тандемные
повторы — характерная особенность всех эукариотических
геномов. Один из важнейших выводов, который можно сделать по
результатам изучения геномной организации, заключается в том,
что родственные последовательности ДНК часто образуют
тандемные повторы. В одних случаях, как у генов, кодирующих рРНК
или гистоны, тандемно повторяются группы одинаковых генов.
В других случаях в тандемы организуются хотя и родственные, но
все же различающиеся гены, например члены мультигенных
семейств глобиновых, овальбуминовых генов и генов гормона роста
человека.
Однако тандемные повторы встречаются не только в целых
генах, но и в их кодирующих и некодирующих участках.
120
\ Повторяющиеся последовательности,
рассеянные по всему геному. Члены мультигенных
семейств, как и функциональные гены, а также процессированные
псевдогены, как правило, многократно повторяются в несцеплен-
ных участках генома. Однако число копий таких
последовательностей, за немногими исключениями, не превышает 50.
Максимальное число копий — 1000 — известно для псевдогенов 1Л-РНК
человека. Однако многие эукариотические ДНК содержат и
другие, очень большие семейства повторяющихся
последовательностей, члены которых рассеяны по геному в количестве 106 копий.
Роль большинства таких последовательностей остается
невыясненной, хотя некоторые члены таких семейств могут быть
функциональными генами.
Важнейшее свойство этих последовательностей— их видовая
изменчивость. Частота встречаемости повторов в родственных
семействах может различаться у разных видов в 10 и более раз. Такое
разнообразие характерно для геномов растений, многих
беспозвоночных и позвоночных.
Но пластичность диспергирован!п.IX повторов не
ограничивается первичной структурой последовательностей и числом их
копий. Многие рассеянные повторы представляют собой мобильные
генетические элементы, локализация которых даже у
близкородственных видов может быть неодинаковой. Пол се того, аллельные
различия могут определяться наличием или отсутствием какого-
либо повтора. Механизмы амплификации (многократных
повторов) диспергированных повторов и их транспозиции в новые ло-
кусы генома будут рассмотрены ниже.
Последовательности в области центромер
и теломер. Центромеры и теломеры — наиболее четко
выраженные структуры хромосом. Долгое время считали, что их
строение и функции связаны с какими-то особыми
последовательностями ДНК. Однако на молекулярном уровне удалось выявить
лишь одну такую особенность — присутствие в области центромер
и теломер сателлитной ДНК. Однако о функциях этой ДНК пока
ничего не известно.
Геномы органелл эукариот: ДНК митохондрий и хлоропластов.
Отличительная особенность клеток эукариот состоит в том, что
часть их генетической информации заключена в молекулах,
находящихся вне хромосом, локализованных в ядре. Существуют два
таких типа цитоплазматических Д11 К: один находится в
митохондриях эукариот, другой — в хлоропластах зеленых растений и
водорослей. Как и все цитоплазматические элементы, они
наследуются по материнской линии, а не по правилам Г. Менделя.
Большинство белков, из которых построены функциональные
и структурные компоненты митохондрий и хлоропластов,
кодируются хромосомной ДНК, синтезируются в цитоплазме на
рибосомах и транспортируются в соответствующие органеллы.
121

Однако несколько белков кодируются неядерной ДНК и
синтезируются на особых рибосомах органелл. Таким образом, органел-
лы формируются в результате участия двух геномов и двух
трансляционных аппаратов. РНК-компоненты рибосом органелл, а
также тРНК, использующиеся при трансляции, кодируются
геномами митохондрий и хлоропластов. Очевидно, что
взаимодействие между продуктами хромосомных, митохондриальных и хло-
ропластных генов обусловлено генетически. Например, мутации в
митохондриальной ДНК у дрожжей и кукурузы могут супрессиро-
ваться хромосомными мутациями. Определенные виды мужской
стерильности (образование стерильной пыльцы), широко
распространенные у растений, вызваны мутациями в митохондриальной
ДНК и наследуются по материнской линии. Фертильность таких
растений может восстанавливаться доминантными аллелями
хромосомных генов (см. гл. 9). Подробно функционирование генов
митохондрий и хлоропластов рассмотрено в главе 5.
3.6.2. ГЕНОМИКА И ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА
В последние годы зародилась новая отрасль генетики — геноми-
ка, изучающая не отдельные гены, а целые геномы. Еще в 1988 г.
нобелевский лауреат Дж. Уотсон публично высказал мысль о том,
что наука вплотную приблизилась к раскрытию химической
основы наследственности, причем не какого-либо низшего организма,
а «царя природы» — человека. К тому времени уже было известно,
что геном человека составляет около 3 млрд п. н. Эта величина
казалась необозримо большой, и сама мысль о том, что такой объем
информации может быть получен — просто фантастической. В
том же году с аналогичной идеей выступил выдающийся
российский биолог и биохимик, академик А. А. Баев (1904—1994). С
1989 г. как в США, так и в нашей стране начали функционировать
соответствующие научные программы, а позднее возникла
Международная организация по изучению генома человека. В бывшем
СССР было открыто финансирование и организован Научный
совет по программе «Геном человека» под руководством А. А. Бае-
ва. За десятилетие функционирования российской
национальной программы в банках данных зарегистрировано более
миллиона пар нуклеотидов фрагментов ДНК человека и многие
сотни маркеров.
Помимо структурного и функционального анализа генома в
российской национальной программе важное значение имеют два
направления исследований: компьютерный анализ генома и
медицинские приложения — медицинская геномика.
О том, насколько продвинулись исследования генома
человека, свидетельствуют следующие цифры (Киселев, 2000): пять лет
назад за один год в мире расшифровывали несколько миллионов
122
пар нуклеотидов, что расценивалось как выдающееся достижение,
а на исходе 1999 г. только одна американская фирма Се1егз
Сепоппсз, возглавляемая Г. Вентером, расшифровала (секвениро-
вала) не менее 10 млн п. н./сут. Эту работу по расшифровке
осуществляют около 250 приборов, снабженных роботами,
которые функционируют в автоматическом режиме и передают всю
информацию непосредственно в банки данных, где она
систематизируется, аннотируется и становится доступной ученым всего
мира. Г. Вентер еще в 1999 г. объявил, что фирма Се1еге Сепотюз
планирует завершить расшифровку генома человека к концу
2001 г., что и было осуществлено. Консорциум европейских и
японских центров расшифровки структуры ДНК планирует
достижение той же цели лишь к 2003 г. Завершение этой работы
ученые рассматривают как эпохальное достижение.
Работы по расшифровке генома человека инициировали
исследования геномов огромного числа других, гораздо более простых
организмов. На конец 2000 г. уже была распшфрована полная
геномная структура свыше 100 микроорганизмов, среди которых как
обычные бактерии, так и архебактерии — особое царство живой
природы, занимающее в иерархической структуре место между
клеточными организмами (эукариотами) и истинными
бактериями (прокариотами). Представляет интерес сравнение данных по
размеру геномов и числу генов у организмов разного уровня
сложности строения (табл. 3.5).
3.5. Сравнение размеров геномов и числа генов у организмов разной сложности
организации
Организмы
Размер генома,
млн п. н.
Число генов, тыс.
Плотность,
тыс. п. н/ген
Бактерии
Дрожжи
Нематода
Человек
0,5-5
12
97
3000
0,47-4,29
6
19
30-80
1-1,7
2
5
>37,5
Теперь раскрыта полная геномная структура пекарских
дрожжей — первого одноклеточного эукариотического организма,
установлена полная структура первого многоклеточного
организма — круглого червя (нематоды), расшифрована вся ДНК первого
насекомого — плодовой мушки дрозофилы и первого растения —
арабидопсиса. Круг объектов непрерывно расширяется. Все эти
данные создали основы сравнительной геномики.
Суммируя данные структурной и сравнительной геномики,
можно делать важные выводы о молекулярной эволюции
организмов, что составляет предмет еще одного раздела геномики —
эволюционной.
123

Парадоксальность ситуации, складывающейся в настоящее
время в геномике, заключается в том, что имеющийся в
распоряжении исследователей объем информации намного
превышает тот, который можно осмыслить, проанализировать и
использовать в экспериментальной и практической работе. Поэтому
чрезвычайную важность приобрели проблемы создания новых
математических методов, вычислительной техники,
программного обеспечения, а также совершенствование способов описания
и хранения геномной информации. Этими проблемами активно
занимается биоинформатика, включающая в себя и геноинфор-
матику.
Биоинформатика анализирует ситуацию на четырех тесно
связанных друг с другом уровнях. Первый — генетический текст,
т. е. нуклеотидная последовательность ДНК; второй — также
текст, но сначала в форме РНК, а затем аминокислотной
последовательности белка; третий — пространственная структура
белка; четвертый — предсказание функции белка на основании
знания его первичной структуры и предположенной
трехмерной структуры. Таким образом, структурная и сравнительная
геномика через биоинформатику как бы синтезируются в
новый раздел геномики, который обычно называют
функциональной геномикой.
Взаимосвязи между геномикой человека и другими научными
направлениями можно представить в виде следующей схемы*.
ГЕНОМИКА
бактерий, дрожжей, нематоды, дрозофилы, мыши
Геномика
растений
и животных
Популяционная
генетика
Этнография
История
человечества
Лингвистика
■ ГЕНОМИКА ЧЕЛОВЕКА
Медицинская
генетика
Генодиагностика
Генопрогностика
Генотерапия
Генопрофилактика
Теории
эволюции
Функциональная
геномика
Клеточная
биология
Биология
развития
* Киселев Л. Л. Геном человека и биология XXI века//Вестник РАН —2000 —
Т.70. — №5.-С.417.
124
Ъ Основная цель функциональной геномики — выяснение
биологических функций генных продуктов.
Перспективы геномики. Идеи и методы геномики способствуют
развитию всех областей биологии. Истекшие 10 лет (1991—2000 гг.)
показали, что новый уровень понимания биологических проблем,
сложившийся к настоящему времени благодаря геномным
исследованиям, с лихвой оправдал все организационные усилия и
финансовые вложения в данное научное направление; следует
отметить, что только в 1998 г. правительство США затратило на проект
по изучению генома человека 300 млн долларов, а частные
компании — даже больше. Выдвинутые в ходе этих исследований идеи и
методы имеют универсальное значение и применимы для
решения огромного круга биологических задач, далеко отстоящих от
проблемы генома человека.
Пожалуй, в настоящее время развитие геномики человека
больше всего способствовало достижениям в области микробиологии:
уже расшифрованы полные геномы возбудителей многих опасных
болезней — туберкулеза, сыпного тифа и др. Социальные
последствия этих достижений проявятся уже в ближайшем десятилетии.
Будут созданы лекарства, обладающие более избирательным
действием и более высокой эффективностью, чем ныне
существующие. Грядущий фармакологический бум должен способствовать
значительному увеличению средней продолжительности жизни,
здоровой старости.
Второй путь влияния достижений новых биологических наук
на жизнь людей связан с коренным улучшением
продовольственной базы человечества. Получение и использование трапсгсппых
растений и животных позволяют не только повысить урожайность
новых сортов и гибридов растений и продуктивность пород и
гибридов животных и птицы, но и в значительной степени сократить
потери урожая от сорняков, вредителей и болезней, а также
повысить качество продуктов питания.
Говоря о перспективах геномики, пельчя не упомянуть еще
об одном важнейшем направлении иселсдоиапий к области
биологии в ближайшие годы. Функциональная геномика тесно
соприкасается с суперновым направлением биологии,
получившим название протеомики — пауки о иротеомах. В этом
термине слиты воедино первая половина слова протеин и вторая
половина слова геном (ДНК), что подчеркивает их теснейшую
взаимосвязь. Однако между геномикой и протеомикой, между
геномом и протеомом есть одно принципиальное различие,
которое вызывает к жизни совершенно новые методы
исследования и новые стратегии.
Протеом — понятие динамическое, тогда как геном стабилен и
постоянен. Протеом — это набор белков клетки в определенной
фазе ее развития в конкретный момент времени. Следовательно,
протеом уступает геному по общему объему информации. В любой
?Я5

клетке организма человека никогда не функционируют все гены
одновременно, работает лишь их часть.
Набор белков постоянно меняется в зависимости от тканевой
специализации клетки, стадии ее дифференцировки, состояния
стресса или покоя, фазы клеточного деления и т. д. Поэтому
белковый набор клетки зависит от множества факторов и
воздействий, подвержен практически непрерывным изменениям, что
делает его изучение особенно трудным.
На сегодняшний день разработано достаточно много протеом-
ных технологий, которые непрерывно совершенствуются.
Рассмотреть их здесь не представляется возможным. Отметим только,
что наиболее важным разделом протеомики является изучение
белок — белковых и белок — нуклеиновых взаимодействий.
3.7. ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
Генная инженерия — раздел молекулярной биологии, связанный
с конструированием ш уйхо новых комбинаций генетического
материала, способного размножаться в клетке и синтезировать
определенный продукт. Используя методы генной инженерии, сегодня
можно заставить гены человека или животного «работать» в
клетках микроорганизма или другого объекта и синтезировать нужный
человеку продукт. Эта технология представляет большой
практический интерес для медицины, сельского хозяйства,
промышленности, поскольку отныне можно получать в необходимых
количествах ранее дефицитные активные вещества и фармацевтические
препараты.
Список биологически активных веществ, в которых
заинтересована медицина и промышленное производство которых уже
налажено или вполне реально в будущем, весьма обширен.
В их числе инсулин (для лечения при инсулинзависимом
сахарном диабете), гормоны роста (для гормональной стимуляции
роста при нанизме), интерферон а, Р и у (для лечения вирусных
инфекций и преодоления несовместимости при пересадках
органов и тканей), интерлейцин 2 (от заболевания иммунной
системы), активатор профибринолизина (для борьбы с
тромбозами), вакцина против гепатита В (для вакцинации), вакцина
против ящура (для вакцинации скота), сц-антитрипсин (для
лечения эмфиземы легких), фактор крови VIII (для лечения
гемофилии А), фактор крови IX (для лечения гемофилии В) и
многие другие.
Генная инженерия решает такие важные задачи, как:
• получение генов путем выделения их из клеток или синтеза;
• получение рекомбинантных молекул ДНК;
• клонирование генов;
• введение генов в клетку и синтез чужеродного ей белка.
126 ,
Решающую роль в этих экспериментах сыграли методы
получения индивидуальных генов, наработка их препаративных
количеств путем клонирования, т. е. практически неограниченного
размножения в бактериальных клетках. В ходе разработки этих
процедур была создана техника генной инженерии, включающая
выделение индивидуальных фрагментов ДНК любого
происхождения, их стабильное воспроизведение в составе векторов,
идентификация функций клонированных таким образом генов, их
изменение и введение в клетки исходного или иного организма.
Эта техника, получившая также название техники рекомбинантной
ДНК, в соединении с методами расшифровки первичной нуклео-
тидной последовательности генов сделали возможными
эксперименты непосредственно на генетическом материале,
манипулирование генами в научных и практических целях. .
3.7.1. ПОЛУЧЕНИЕ ГЕНОВ
Первый успешный эксперимент по выделению гена, а точнее,
группы генов лактозного оперона (/ас-оперона) Е. соН был
выполнен в 1969 г. в лаборатории Дж. Беквита. Для этого использовали
два транедуцирующих бактериофага X и ф 80, включившие /ас-опе-
рон в свои геномы в противоположной ориентации по
отношению к собственным генам. Эксперимент Дж. Беквита и других
принято считать началом генной инженерии. Поскольку подход к
выделению /ас-оперона весьма специфичен для бактерии Е. соИ,
его сменили другие приемы, применяемые в работе с любыми
организмами.
Главную роль на первом этапе выделения гена отводят эпдонук-
леазам рестрикции, или рестриктазам. Эти ферменты разрезают
ДНК вблизи или внутри определенных последовательностей нукле-
отидов, которые одинаковы на обеих комплементарных цепях. Два
разрьшав одинаковых позициях комплементарных цепей на концах
фрагмента образуют так называемые липкие концы, которые могут
вновь замыкаться благодаря комплементарное! и оснований.
Последовательности, узнаваемые рестриктачами, стохастически
разбросаны по геному. Чем короче последовательность, тем чаще она
встречается и соответственно тем короче фрагменты ДНК,
образующиеся при рестрикции. Ферменты рестрикции можно разделить
по их молекулярной массе и заряду при помощи электрофореза в
геле. В настоящее время из различных микроорганизмов выделено
множество рестриктаз с неодинаковой специфичностью по
отношению к нуклеотидным последовательностям ДНК.
Отыскание нужного гена среди смеси рестрикционных
фрагментов представляет известные сложности. Наряду с этим
наиболее распространенным способом получения генов существует
также способ химического синтеза генов. Методология синтеза ДНК
127

с члдлпной последовательностью нуклеотидов бьша разработана
Г. Кора пой в 60-х годах прошлого века, задолго до наступления
эры генной инженерии. После того как была расшифрована
первичная структура первой индивидуальной нуклеиновой кислоты —
аланиновой тРНК дрожжей, Г. Корана* с сотрудниками
синтезировали химическим путем кодирующую часть гена для этой РНК
размером 77 п. н. В 1976 г. в той же лаборатории был синтезирован
ген тирозиновой тРНК Е. соН, который работал, будучи
введенным в геном бактериофага Т4, в клетках кишечной палочки.
Методология, разработанная Кораной, широко используется для
синтеза искусственных генов, в частности генов гормона человека
инсулина, вводимых затем в бактериальные или дрожжевые
клетки-продуценты. Сейчас созданы специальные автоматы для синтеза
ДНК заданной последовательности. Те же подходы используют для
синтеза так называемых ДНК-зондов — небольших фрагментов
генов размером 20—30 п. н. Это возможно даже в тех случаях, когда
известна хотя бы часть первичной структуры нужного белка. Тогда,
пользуясь таблицей генетического кода (см.табл. 3.2), можно
вывести структуру соответствующего участка гена. Такие зонды
используют для поиска нужной, комплементарной им мРНК.
Выведенную при помощи зонда мРНК используют затем для
синтеза так называемой комплементарной ДНК (кДНК) с
помощью фермента обратной транскриптазы.
Химический и энзиматический синтез генов имеет
определенные преимущества перед их поиском среди рестрикционных
фрагментов. Однако эти методы имеют и недостатки, поскольку синте- ■
тические гены чаще всего лишены ряда регуляторных элементов,
необходимых для их полноценной экспрессии.
3.7.2. КЛОНИРОВАНИЕ ГЕНОВ
Для выделения нужного фрагмента ДНК в необходимых
количествах его следует встроить в плазмиду — вектор, вскрытую той
же рестриктазой, которую использовали для получения рестрик-
тов геномной ДНК. В качестве векторов служат плазмиды,
несущие гены устойчивости к антибиотикам. На первых этапах
развития генной инженерии применяли естественные плазмиды Е. соН,
например р8С101 или СоШ1. В настоящее время работают с
искусственными рекомбинантными плазмидами, которые несут два
или три гена устойчивости, в которых содержится по одному
уникальному сайту рестрикции для какой-либо рестриктазы. Это
плазмиды рВК.322, 324, 325 и др.
* В 1968 г. Хар Гобинд Корана, Роберт Уильям Холли и Маршалл Уоррен Ни-
ренберг были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине за
расшифровку генетического кода и его роли в синтезе белков.
128
Рис. 3.15. Структура плазмиды рВК322. На внешнем круге цикл 1:1111.1 разичные сайты
рестрикции (цифры — единицы измерения молекулярной массы н I - Ю5Д), на
внутреннем— расстояния в тысячах пар нуклеотидои). ОК1- начало репликации (Ипге-
Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции. ■• М., 19Н9. — С. 273)
Широко используемая в экспериментах плазмида рВК322
(рис. 3.15) несет гены устойчивости к ампициллину (Ар') и
тетрациклину (ТсГ). В гене Арг находится уникальный сайт для
рестриктазы РзИ, а в гене Тс!' — для ВатН1. Вскрикам вектор рВК.322 по
сайту ВатШ в гене Тс?, в него можно исгроить фрагменты,
полученные при помощи той же рестриктазы путем взаимодействия
липких концов. Ковалентное соединение вектора и клонируемого
фрагмента завершает полинуклеотидлигаза т уйго или т упю.
Если теперь сформировать клетки компетентной культуры
Е. соН плазмидой рВК322 со встроенным в нее фрагментом, то
трансформантов можно отобрать на среде с ампициллином. За-
129

Галактозный
оперон
ДНК-полимераза
ДНК-лигаза
Гибридная
]) молекула
М (есть еще
4 разрыва)
Гибридная
молекула,
замкнутая
в кольцо
Рис. 3.16. Получение гибридной молекулы из
ДНК вируса 8У40 и ДНК фага ламбда,
несущей галактозный оперон бактерии Е. соН
(Дубинин Н. П. Общая генетика. — М., 1986. —
С. 496)
тем необходимо их
проверить по признаку
устойчивости к тетрациклину.
Далее клонируемый
фрагмент ДНК может быть
ограниченно размножен в ходе
клеточных делений
трансформанта. Векторы типа плаз-
миды рВК.322 называют
векторами инактивации.
Способность ДНК вируса
8У40 встраивать в свою
молекулу чужую ДНК была
показана в лаборатории П.
Берга при получении
гибридной молекулы ДНК из двух
вирусов, один из которых —
онкогенный вирус 8У40, а
второй — дефектный фаг
ламбда с включенным в него
галактозным опероном Е. соН
(рис. 3.16). Рестриктаза ЕсоМ
разрезает кольцевые
молекулы вирусов в строго
определенном месте. Это переводит
молекулы обоих'вирусов из
кольцевого состояния в линейное. Под действием фермента экзо-
нуклеазы однонитевые участки расширяются на обоих концах
каждой из двух линейных молекул. С помощью фермента
концевой трансферазы наращиваются концевые участки поли-((1А) и
поли-(ёТ). Тем самым создаются комплементарные однонитевые
концы для обеих молекул. Подготовленные таким образом
молекулы соединяются в кольцо. Затем, применяя обработку ДНК-по-
лимеразой, застраивают однонитевые участки по
комплементарным матрицам и посредством ДНК-лигазы замыкают гибридные
кольца ковалентными связями. В результате галактозный оперон
Е. соН оказывается включенным в ДНК вируса 8У40.
Среди ферментов в работах по генной инженерии главное
место занимают рестриктирующие эндонуклеазы, позволяющие
получить однородные фрагменты ДНК, и лигазы, сшивающие
фрагменты. Фрагменты рестрикции кодируются хромосомными и
плазмидными генами. Фермент КЕсоК.1, широко используемый в
опытах по рестрикции молекул ДНК, кодируется генами К-плаз-
миды из клеток Е. соН. Рестриктазы узнают в ДНК определенные
короткие последовательности нуклеотидов.
При разрезании двуцепочечных молекул ДНК концы
фрагментов по месту разрыва могут сохранять двуцепочечную структуру.
130
Они получили название тупых концов. ДНК-лигаза фага Т4
способна соединять такие тупые концы молекул ДНК.
Для облегчения процесса сшивания на обоих тупых концах
разрезанной молекулы ферментативно можно нарастить липкие
концы. Такие липкие концы, возникающие в месте разреза дву-
цепочечной ДНК, способны соединяться не только между
собой, восстанавливая исходную кольцевую молекулу ДНК. Они
соединяются и с любым другим фрагментом чужеродной ДНК,
имеющим липкие концы, полученные при действии той же
рестриктазы. При добавлении фермента полинуклеотидлигазы это
соединение приобретает прочный ковалентный характер. Ре-
комбинантная плазмида с включенным в нее участком
чужеродной ДНК становится плазмидным вектором. Введение в клетку и
последующее размножение рекомбинантной плазмиды
обеспечивают клонирование приобретенного ею чужеродного
фрагмента ДНК.
Наряду с рекстриктазами и лигазами работа по рекомбинант-
ным молекулам требует целого банка ферментов, таких, как
нуклеазы, обратная транскриптаза, терминальная нуклеотидин-
трансфераза, ДНК-полимераза I и др. Все эти ферменты видо-
неспецифичны. Это обстоятельство позволяет создавать реком-
бинантные плазмиды, сочетающие генный материал от любых
органических форм.
Методы секвенирования ДНК стали необходимой частью
работ по генной инженерии. Без этого нельзя достичь нужного
уровня молекулярно-генетического манипулирования с генами и их
структурой. Секвенирование генов, введенных в рекомбипаптпые
молекулы, позволяет полностью выяснить код гена, получить
данные о полной последовательности в нем нуклеотидов.
В качестве векторов используют ряд природных млазмид, а
также векторы, искусственно сконструированные с помощью рсст-
риктаз и лигаз. Среди природных плазм ид широко применяют
колициногенную плазмиду Со1Е1. При добавлении к культуре
бактерий хлорамфеникола она амплифицируетси до 1000 копий на
одну клетку Е. соН. Вместе с илазмидой в клетке клонируется и
введенный в плазмиду фрагмент чужеродной ДНК. Известно
несколько десятков систем рестрикции, которые позволяют
получить самые различные структуры векторов.
3.7.3. РЕКОМБИНАНТНЫЕ ДНК
Рекомбинантная ДНК— это искусственно полученная ДНК,
которая включает ген (гены), являющийся объектом генетических
манипуляций, и вектор, обеспечивающий размножение
рекомбинантной ДНК и синтез в клетке хозяина определенного продукта,
кодируемого внесенным геном.
131

Векторы должны обладать следующими особенностями: 1) иметь
свойства репликона; 2) нести субстратные участки для рестриктаз,
без чего невозможна встройка ДНК; 3) содержать один или
несколько генов-маркеров, позволяющих по фенотипу
констатировать факт его передачи.
Конструирование рекомбинантных молекул ДНК началось с
получения гибридных ДНК между плазмидами. На рисунке 3.17
представлена схема опыта, проведенного в 1978 г. М. Коеном, в
котором удалось создать новую гибридную плазмиду,
объединившую устойчивость к антибиотикам, которой обладали молекулы
ДНК объединяемых плазмид.
Плазмида КЗР1О1О Плазмида р5С1О1
Мол. ^~^>^ Мол.
:а ,
106
масса ,
5,7 • 106
Длина
~ 3 мкм
Длина
~ 3 мкм
| Стрептомицин]
Эндонуклеаза
ЕсоК!
Тетрациклин
Рис. 3.17. Получение гибридных
молекул из плазмид К8Р1010 и р8С101,
устойчивых соответственно к
стрептомицину и тетрациклину (Л).
Разрезание плазмид и образование
линейных молекул с липкими концами (Б).
Объединение молекул ДНК обеих
плазмид в большую гибридную
плазмиду, устойчивую и к
стрептомицину, и к тетрациклину (В)
(Дубинин Н. П. Общая генетика. — М.,
1986. - С. 497)
Полинуклеотид
лигаза
'Химическая
связь
| Стрептомицин + Тетрациклин |
Гибридная плазмида рЗС109
Мол. масса 11,5 • 106
Длина -
- 6 мкм
На рисунке 3.18 дана
схема получения рекомби-
нантной плазмиды и ее
клонирования в клетках
бактерий.
Получены
многочисленные факты переноса генов
из клеток эукариот в
клетки бактерий. Как
подлинную сенсацию расценили ученые в 1974 г. результаты
эксперимента по генной инженерии Дж. Морроу и сотрудников, которые
использовали в качестве вектора ДНК плазмиды р8С101 Е. соН и в
качестве переносимого ген-специфичного материала — фрагмент
ДНК из хромосомы африканской шпорцевой лягушки (Хепорш
1аеУ1з), кодирующий синтез молекул рибосомной ДНК.
Фрагменты ДНК, детерминирующие синтез молекул рРНК
(фрагменты рДНК), «пришивались» к плазмиде. Затем
гибридными молекулами трансформировали Е. соН по признаку
устойчивости к тетрациклину. Из клеток трансформантов выделяли плаз-
мидную ДНК, изучали ее в градиенте плотности хлористого
цезия, под электронным микроскопом проверяли ее способность к
гибридизации с меченой рибосомной РНК X. 1аеуш и
исследовали, на какое число фрагментов она распадается под действием
рестриктаз. Все тесты показали наличие генетического материала
132
■ Фрагменты ДНК,
выделенные рестриктазой
Плазмида
р5С101,
обработанная
рестриктазой
Трансформированная
бактерия
Плазмида
I I
1 Действие ДНК-лигазы
\
Химерная
плазмида
{ Трансформация
Хромосома
Репликация
Трансформированные дочерние клетки
Рис. 3.18. Получение рекомбишштиой нл.-ммидм и ее клонирование и клетках
бактерий (Бекингэм-Смит, из кн.: Дубинин II. II. ОГнцаи генетика. — М, 1986. — С. 500)
X. 1аеУ18в плазмидах, способных к репликации и клетках бактерии.
Кроме того, была исследована способность этого материала,
включенного в ДНК плазмиды, к транскрипции. Для этой цели были
использованы так называемые мини-клетки, т.е. бактериальные
клетки одного из мутантов, не содержащие в определенных
условиях ДНК. Опыты показали, что в мини-клетках,
трансформированных рекомбинантными плазмидами, осуществляется
транскрипция генов из ДНК X. 1аеу1з.
В последующие годы ряд генов человека был введен в клетки
бактерий, они синтезировали в них нужные белки человека.
В 1980 г. инсулин человека, введенный в клетку бактерии
(рис. 3.19), кодировал в них синтез человеческого инсулина. Этот
133

Печей
Зон
I I 1
Экстракция РНК
Специфичная
кДНК
Отбор бактерий с нужной кДНК
ч
™АА Популяция
„,„ААА ААА мРНК
,-»<-ААА ААА
ААА
кДНК
(копия мРНК)
Интеграция кДНК
в плазмиду
Интеграция в Е СОИ
оо
Рис. 3.19. Основные этапы в производстве белка методами генной инженерии:
А — экстракция мРНК определенного гена; Б — копирование экстрагированной мРНК в
кДНК ферментом ревертазой; В — интеграция кДНК в соответствующий вектор, обычно
плазмиду; Г— введение рекомбинантных плазмид в клетки бактерии Е. соП; Д— выделение из
популяции трансформированных бактерий клона с нужной кДНК для продуцирования
соответствующего белка (Толстовщев П., ЛекокЖ.-П. Генная инженерия и биотехнология. Сб.
статей: Генетика и наследственность/Пер, с франц. — М., 1987. — С. 79)
инсулин прошел испытания на людях и оказался очень
эффективным. Инсулин, который в клетках бактерий кодировался геном
человека, не вызывает побочных реакций, что свойственно
инсулину, получаемому из поджелудочных желез свиней.
Непосредственное клонирование геномной ДНК все еще
остается технически трудной задачей. Экспериментатор, желая
выделить какой-либо ген, располагает для начала тремя источниками:
белками, мРНК и геномной ДНК. Основой пока остается
процедура, позволяющая по мРНК воспроизводить ДНК. Приведем для
примера клонирование генов факторов крови. Сначала находят
орган, в котором выделяемый ген экспрессируется активнее всего,
т. е. уровень соответствующей мРНК в нем самый высокий.
После экстракции мРНК из такой ткани приступают к очень
ответственному этапу — получению с мРНК ДНК-копий
(комплементарную ДНК, или кДНК) с помощью обратной транскрипта-
* За открытие этого вирусного фермента Д. Балтимор, Р. Дульбекко и X. М. Те-
мин были удостоены в 1975 г. Нобелевской премии по физиологии и медицине
«за открытия, касающиеся взаимодействия между опухолевыми вирусами и
генетическим материалом клетки».
134
зы*. Комплементарная ДНК намного более стабильна, чем
соответствующая мРНК. Кроме того, в двухцепочечном виде ее можно
интегрировать в плазмиду (бактериальную мини-хромосому),
которую в свою очередь вводят в бактерию типа Е. соН. Такие плаз-
миды, используемые сейчас во всех лабораториях, где проводят
работы по генной инженерии, происходят от дикого типа и несут
в большинстве своем по два гена устойчивости к антибиотикам
(например, к пенициллину и тетрациклину). Эти маркеры
позволяют отбирать те бактерии, которые содержат плазмиду, а среди
них в свою очередь те, у которых плазмида включила в себя кДНК.
Поскольку кДНК встраивается внутрь гена устойчивости к
пенициллину, такой «раздробленныи» ген уже не работает, и бактерии
вновь обретают чувствительность к антибиотику. Устойчивость же
к тетрациклину при этом сохраняется. Следовательно, достаточно
высеять бактерии на питательную среду с тетрациклином, чтобы
отобрать из них содержащие плазмиду, а затем из последних —
содержащие так называемую рекомбипантпую плазмиду и
чувствительные к пенициллину. Таким образом и получают
соответствующий «банк кДНК».
Следующий этап состоит в том, чтобы среди 104—105
независимых бактериальных колоний определить те, которые содержат
генетическую информацию об интересующем нас гене
несвертывания крови.
Как среди десятков тысяч бактериальных колоний банка кДНК
найти ту, которая содержит кДНК нужного белка? Для
достижения этой цели приходится исиольювап. несколько методов,
ибо ни один из них в отдельности не гарантирует успеха. Один из
этих методов заключается в использовании синтетического
зонда, гомологичного нужной молекуле кДНК. Такой меченый зонд
гибридизируется с кДНК, так что метка киодится во всю колонию.
Этот метод позволил в одном из экспериментов (II. Толстовщев,
Ж.-П. Лекок, 1987) за один раз выделить среди сотни других
клонов клон кДНК фактора свертывания крови IX. Разработано
также несколько упрощенных методик, использующих ту или иную
априорную информацию.
Предположим, что известны лишь фрагменты аминокислотной
последовательности этого белка. Зная генетический код, химик
может синтезировать соответствующие им фрагменты ДНК длиной
14—18 п. н. Пометив их радиоактивным фосфором 32Р, биолог
может воспользоваться ими как молекулярным зондом для
выявления тех бактериальных клонов, которые содержат
соответствующую кДНК. Метод основывается на том, что кДНК гомологичных
последовательностей способны связываться друг с другом.
Колонию с кДНК, гомологичной какому-либо из меченых фрагментов,
теперь легко определить после соответствующей экспозиции
фотопленки. За последние годы эта методика была существенно
усовершенствована во многом благодаря серьезным успехам в
химическом синтезе ДНК.
:- - • '- ■■■ ■' 135

Получение кДНК человека возможно в два этапа: после
выделения гомологичной кДНК какого-либо животного ее уже можно
использовать в качестве зонда. Две молекулы кДНК, например,
мыши и человека способны соединяться так же эффективно, как и
в случае двух близкородственных млекопитающих.
Ситуация усложняется, если аминокислотная
последовательность неизвестна. Методика исследования в этом случае сводится к
тому, чтобы заставить бактерии непосредственно считывать
содержащуюся кДНК, после чего выявлять такие колонии
специфическими антителами. Именно так в 1979 г. У. Гилберт со своей
гарвардской группой провел клонирование кДНК инсулина человека*.
Способность кДНК связываться с мРНК также нашла
применение. После гибридизации каждую мРНК элюируют, после чего
с нее считывают белок либо в бесклеточной системе, либо (после
инъекции) в яйцеклетке земноводного. Белок характеризуют по
его молекулярным свойствам и биологической активности. Так
было с интерферонами а и |3, клонированными в 1980 г.
Ученые постоянно разрабатывают новые методы, ускоряющие
выделение клонов. Стало очевидным, что при выделении клонов
следует использовать несколько методов одновременно. При
таком подходе нужный клон кДНК всегда можно будет выделить.
После клонирования начинается «эксплуатация» кДНК. Ее
подробное исследование позволяет быстро определить первичную
структуру соответствующего белка. В большинстве случаев кДНК
непосредственно используют для производства «своего белка». Но
можно ее заменить, воспользоваться ею для выделения самого
гена из банка геномной ДНК (гибридизацией). Изучение самих
генов позволяет лучше понять их организацию и механизмы
действия в организме.
3.7.4. ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ И ВЕКТОРЫ ДЛЯ КЛОНИРОВАНИЯ
РАСТЕНИЙ
Опухолевое заболевание растений, получившее название
корончатый галл, описал еще Аристотель в IVв. до н.э. В начале
XX в. н. э. было установлено, что это заболевание вызывает
почвенная бактерия А§гоЬасгепит Ште/аает. Клетки растительных
опухолей интенсивно растут на искусственных средах и при этом
в отличие от клеток нормальных тканей не нуждаются в
добавлении фитогормонов.
* В 1980 г. Нобелевская премия по химии была разделена: одна половина была
присуждена Полу Бергу «за фундаментальные исследования биохимических свойств
нуклеиновых кислот, в особенности рекомбинантных ДНК», а вторая половина —
поделена между Уолтером Гилбертом и Фредериком Сенгером «за вклад в
определение последовательности оснований в нуклеиновых кислотах».
136
В 70-х годах было установлено, что причиной образования
опухолей являются так называемые Н-плазмиды, обнаруженные в
клетках некоторых штаммов А. Ште/аает. Тл-плазмиды — это
кольцевые молекулы ДНК с молекулярной массой около 1,3 ■ 108 Д и
длиной до 200 тыс. п. н. Эти плазмиды проникают из бактерий в
клетки растения, и часть ДНК Тьплазмиды, получившая название
Т-ДНК, ковалентно встраивается в хромосомы инфицируемого
растения. При этом Т-ДНК вызывает образование опухоли и
индуцирует синтез фитогормонов (цитокининов и ауксина), а также
ряда производных аминокислот, объединяемых общим термином
опины. Опины служат бактерии пищей. Этот механизм инфекции
и используют для введения в растения чужеродных генов. Итак,
операция сводится к включению нужного гена в сайт Т-ДНК и к
трансформации клетки растения такой рскомбинантной плазми-
дой. Клетка должна регенерировать и полноценное растение,
причем встроенный ген лишает Т-ДНК способности к образованию
опухоли. Встраивание клонированного таким путем сегмента ДНК
{трансгена) в ДНК клетки-хозяина и регенерация се в
полноценный организм — перспективный путь создания трансгенных
организмов, как растений, так и животных.
Тьплазмида относится к классу копшгативпых плазмид. В
качестве векторов для клонирования гепои и последующей
трансформации растений используют две ее разновидности. Они
различаются по типу опинов, которые синтезируют зараженные
ими растения. У одной синтезируются октопипы, у другой — но-
палины. Клонируемый ген встраивают имеет кодирующей части
генов октопинсинтетазы или попалинсинтетазы, входящих в
состав Т-ДНК.
В настоящее время выделены и проклопированы десятки генов
высших растений, в том числе гены, контролирующие синтез
запасных белков ячменя, кукурузы, гороха, сои, а также гены,
контролирующие активность ферментов; некоторые гены хлороплас-
тов пшеницы, шпината и других растений. С начала 80-х годов
прошлого века введение в клетки растений чужеродных генов
стало свершившимся фактом.
Для улучшения сортов нужный ген вводят в растительную
клетку с помощью специальных векторов (рекомбинантных
плазмид А$гоЪас1епит Ште/ас1еп$ или А. гИгнщ'пеа). Затем из
трансформированной клетки методом культуры тканей регенерируют
полноценное растение с новыми биологическими свойствами,
дающее семена нового сорта. Этот процесс показан на рисунке 3.20
(М. Рив, 1987), где представлены генно-инженерные манипуляции
с растениями при участии этих бактерий. А§гоЬас1епит Ште/аает
вызывает у растений рак. Бактерия содержит плазмиду Т1, сегмент
которой (Т-ДНК) способен встраиваться в хромосомную ДНК
растительной клетки. Инфекция индуцирует синтез соединений —
опинов, которые служат бактерии пищей.
137

' |1лГ*' Клонирование
Вектор
'клонирования
Плазмида Т\
т-днк
Рекомбинантная
Бактерия ЕсоН яяч^Зб/ плазмида
Вектор
с
интегрированным
геном А 1ите{ааеп5
или
А гЫюдепев
Ядро
Культура клеток
или корней
Трансформированное
растение
Рис. 3.20. Генно-инженерные манипуляции по введению в клетки растений
чужеродных генов с помощью бактерий (пояснения в тексте) (ГужовЮ. Л., Фукс А., Вали-
чек П. Селекция и семеноводство культивируемых растений. — М., 1999. — С. 348)
Используя данный метод, удалось выделить ген устойчивости к
гербицидам, который был перенесен в клетки табака, чтобы
попытаться регенерировать из них устойчивые растения. Группа
исследователей из США трансформировала клетки подсолнечника
геном фазеолина (резервного белка фасоли), который хорошо экс-
прессировался в регенерировавших растениях и передавался
потомству. Другая группа ученых успешно пересадила ген одного из
ферментов фотосинтеза (точнее, малой субъединицы этого
фермента), который экспрессируется у полученного потомства.
Использование в качестве вектора рекомбинантной плазми-
ды бактерии А%гоЪас1епит гЫю§епез имеет некоторую специфику.
Она обладает плазмидой Ш, в которой также содержится Т-ДНК,
способная встраиваться в хромосомную ДНК растительных
клеток. В данном случае Т-ДНК вызывает обильное корнеобразова-
ние — синдром па1гу-гоо1. Эта Т-ДНК функциональна, поскольку
трансформированные клетки корней синтезируют опины.
Преимущества данного вектора (в сравнении с плазмидой Т]) состоят
138
в том, что регенерация из корней представляется намного более
простой и быстрой, чем из клеток раковой опухоли.
Для создания трансгенных сельскохозяйственных растений
сейчас начали применять методы, альтернативные генетической
трансформации. В частности, широко практикуется доставка вектора в4
мишень с помощью высокоскоростной баллистической трансфек-
ции. Сделана попытка создать альтернативную технологию
введения чужеродной ДНК в растительную клетку методом
электрофореза в геле на агар-агаре.
Использование методов генной инженерии позволяет решать
самые разнообразные селекционные задачи. Особенно большие
успехи достигнуты при переносе в растения генов устойчивости к
болезням, вредителям, гербицидам и др.
Так, немецкая фирма АО «Клийпнаицдслсбенер Заатцухт»,
используя методы генной инженерии и стерильной культуры
меристемы, успешно проводит селекцию сахарной свеклы по двум
перспективным целевым проектам: но изучению устойчивости к ри-
зомании и перенесению контролирующего ее гена в клетки
сахарной свеклы и по селекции с помощью генетических маркеров.
При таком подходе свойства будущей линии, гибрида или сорта,
например, устойчивость к той или иной боле ши, которая
контролируется определенными генами, можно предвидеть уже в
лаборатории.
Ризомания, или бородатость корня сахарной свеклы, — одно из
наиболее серьезных заболеваний этой культуры. Оно широко
распространено и вызывает снижение урожайности па 50 % и более.
Во многих районах с зараженными ри юмапией площадями
выращивание сахарной свеклы возможно только при использовании
устойчивых сортов. Еще лучше по сравнению с последними
показывают себя сорта с так называемой полной ре шетентностью,
которые можно получить только методами генной инженерии.
Для формирования резистентности к ричомапии из вируса,
вызывающего заболевание (некротический желтый вирус прожилок
листьев), в клетку свеклы переносят предварительно
изолированный отрезок гена, ответственного ш синто протеина оболочки
вируса (рис. 3.21). Растение, обладающее пой новой
дополнительной генетической информацией, производит в клетке свеклы
пустую вирусную оболочку и, таким образом, блокирует развитие
самого вируса при его внедрении в клетку.
Сорта сахарной свеклы с полной резистет постью к вирусу ри-
зомании имеют огромные преимущества. Некоторые из таких
сортов, например Дора и Габриэла, были созданы уже несколько лет
назад.
Полагают, что генная инженерия особенно перспективна при
изучении процессов развития и дифференциации растений, что
поможет в будущем правильнее организовать селекционный
процесс. Молекулярная биология предложила несколько интересных
139

1 шаг
2 шаг
3 шаг
4 шаг
Свекла, пораженная вирусом ризомании
Выделение вируса из пораженной свеклы
Выделение гена, обеспечивающего синтез
оболочки вируса, и перенесение его
в ядро клетки сахарной свеклы.
Параллельное перенесение гена-маркера,
который позволяет идентифицировать
резистентные к вирусу клетки свеклы
Регенерация из резистентных клеток
полноценных растений: производимые
во всех клетках этих растений оболочки
вируса представляют собой защитный
механизм против самого вируса
Сахарная свекла, резистентная к ризомании
Рис. 3.21. Схема создания резистентных к вирусу ризомании растений сахарной
свеклы с помощью метода генной инженерии (Гужов Ю. Л., Фукс А., Валичек П.
Селекция и семеноводство культивируемых растений. — М., 1999. — С. 350)
вспомогательных методов. Так, Р. Оуэне и Т. Динер (1981) в США
использовали фрагменты ДНК (зонды) для выявления вируса
крайне опасной болезни картофеля — веретеновидности клубней,
показав тем самым простой метод диагностики. Исследователям
из Института растениеводства в Кембридже (Великобритания)
удалось таким способом идентифицировать в геноме пшеницы
фрагменты хромосом ржи после скрещивания этих видов между
собой.
Примеры использования генной инженерии не
ограничиваются приведенными. Одним из перспективных направлений ее
применения считают придание растениям устойчивости к поздним
весенним и ранним осенним заморочкам, которые причиняют
сельскому хозяйству огромный ущерб. Однако не следует забывать,
что селекция новых сортов затрагивает свойства, контролируемые
очень многими генами одновременно, и невозможно все их
подвергнуть генно-инженерным манипуляциям.
Вопросы и задания. 1. Приведите докачательства генетической роли
нуклеиновых кислот. 2. Что служит затравкой при репликации ДНК и клетке? 3.
Сформулируйте правило Чаргаффа. Как вычислить коэффициент нуклеотидной
специфичности? 4. Какие пуриновые и пиримидиновые основания мходят и ДНК и РНК?
5. У каких объектов РНК выполняет роль генетического материала? Приведите
доказательства. 6. Может ли клетка Р~превратитьси и клетку 1;|? Мели может, то каким
образом? 7. Почему генетические карты Е. соП и бактериофага Т4 имеют
кольцевую форму? 8. Что такое эндонуклеазы рестрикции? Ч. II чем сходстао и различия
явлений трансформации и транедукции? 10. Перечислите осионпые свойства
генетического материала. 11. Какие открытия и области химии и генетики
нуклеиновых кислот легли в основу методологии генной инженерии? I.?. Что такое
клонирование генов и как оно осуществляется? 13. Что такое вектор? Какие векторы
используются в исследованиях по генной инженерии у высших растении, живот-
ных, низших эукариот и прокариот? 14. Что представляют собой
реконструированные клетки? 15. Для чего используют в генной инженерии обратную транекрип-
тазу? 16. Дайте определение понятиям: аллель, сайг, локус. 17. Какоиы
доказательства триплетности генетического кода? 18. Какоиы (перечислите) основные
свойства генетического кода? 19. Почему гены эукариот редко экспрееспруются в клетках
бактерий? 20. На каких уровнях осуществляется регуляция действия гена? 21. Что
такое оперон? 22. Каковы основные отличия геном прокариот и эукариот? 23. В чем
сходство и различия организации генов у вирусом, прокариот и эукариот? 24. Что
такое псевдогены? Что такое «эгоистичная ДНК»? 25. Где чаще фиксируются
мутации: в экзонах или в интронах и почему?
Литература
Генетика и наследственность. Сб.статсй/11ер. с франц. — М: Мир, 1987.
Сингер М., Берг П. Гены и геномы. В 2-х т./Пср. с англ. — М.: Мир, 1998.

Глава 4
ХРОМОСОМНАЯ ТЕОРИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ
4.1. ПОЛ И СЦЕПЛЕННОЕ С ПОЛОМ НАСЛЕДОВАНИЕ
Половое размножение характерно для большинства живых
организмов. Перекомбинация генов и хромосом в процессе мейоза и
оплодотворения является основой наследственной (комбинативной)
изменчивости. При этом в результате естественного отбора
накапливаются и закрепляются благоприятные гены и их сочетания.
Половой процесс связан с разделением по полу и наличием
женских и мужских особей или женских и мужских органов у
одного организма, при этом одна особь может производить как
женские, так и мужские гаметы.
В животном мире подавляющее число составляют
раздельнополые организмы, гермафродитизм описан только у
беспозвоночных и кишечнополостных. У растений преобладают
обоеполые (гермафродитные) самоопыляющиеся и
перекрестноопыляющиеся виды, но достаточно распространены и раздельнополые
(двудомные) виды.
Развитие пола — генетически детерминированный процесс, но
поскольку формирование половых признаков проходит в течение
всего периода жизни организма, внутренние и внешние факторы
могут влиять на их реализацию.
Изучение генетических, биохимических, эмбриологических,
физиологических и анатомических особенностей у особей разных полов
животных и растений позволило установить, что даже при
раздельнополости любая особь, особенно на ранних этапах развития,
потенциально двупола, т. е. сохраняет тенденции к развитию, как в женскую,
так и в мужскую сторону. В зависимости от скоординированное™
работы отвечающих за эти процессы генов развивается женский,
мужской, гермафродитный или с различными отклонениями организм.
4.1.1. ТИПЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛА
Определение пола может происходить на разных этапах цикла
размножения. Выделяют следующие типы определения пола.
• Сингамный — преобладание женской или мужской тенденции
развития проявляется в момент слияния гамет и образования зи-
142
готы. Сингамния характерна для большинства растений, птиц, ■
рыб, млекопитающих.
• Прогамный, т. е. происходящий до оплодотворения тип
определения пола, встречается у немногих организмов (коловраток —
КоШопа, первичных кольчецов — БторЬПш, тлей — РкуИохега
уазШпх). У них пол зиготы определяется еще в процессе оогенеза,
при этом у самок вследствие неравномерного деления цитоплазмы
образуются крупные и мелкие яйца, после оплодотворения из
крупных яиц развиваются самки, а из мелких — самцы.
• Эпигамный, т. е. происходящий после оплодотворения,
наиболее редкий тип определения пола. В качестве примера может
служить морской червь (ВопеШа гтсНз), у которого очень мелкие
самцы обитают в матке более крупных самок. Если
свободноплавающие личинки прикрепляются к камням, то они развиваются в
самок, а если попадают на хоботок самки, то превращаются в
самцов и мигрируют в ее половые органы. В опытах, где
свободноплавающих личинок помещали в морскую воду с добавлением
вытяжки из хоботков самки, они также превращались в самцов.
4.1.2. ХРОМОСОМНЫЙ МЕХАНИЗМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛА
ПРИ СИНГАМИИ
К настоящему времени установлено, что пол у большинства
раздельнополых организмов детерминируется в основном
хромосомным механизмом, однако факторы внешней среды могут
регулировать и видоизменять половой фенотип.
Г. Мендель в своих работах предполагал, что пол наследуется
как любой признак при анализирующем скрещивании моногетс-
розиготы (Аа) с рецессивной гомозиготой (аа). Поскольку гетеро-
зигота Аа дает гаметы двух типов (Л и а) в равном соотношении, а
гомозигота аа — гаметы только одного типа —я, то и потомство
будет образовываться в таком же равном соотношении (1:1), как и
исходные родители:
Аа х аа —> /')Аа + аа.
Таким образом, был сделан вывод, что один пол должен быть
гомозиготным (впоследствии его стали называть гомогаметным), а
другой — гетерозиготным (гетерогамстиым).
Первые доказательства этого предположения были получены в
опытах Донкастера (1906) с бабочкой пяденицей крыжовниковой
{АЬтхаз $т$ш1агйа) и Корренса (1907) в скрещивании двудомных
и однодомных растений рода переступень (Вгуота) из семейства
тыквенных.
В дальнейшем подтверждение гомогаметности и гетерогамет-
ности разных полов было получено в цитологических
исследованиях хромосомных наборов разных организмов.
143

Диплоидный набор хромосом возникает при оплодотворении,
когда гаплоидные гаметы материнского и отцовского организмов
образуют зиготу. Гаплоидные наборы хромосом у гамет точно
соответствуют друг другу и в зиготе образуют пары гомологичных
хромосом. Однако при цитологическом изучении клеток женского
и мужского организмов клопов рода Рго1епог было обнаружено
неравное распределение хромосом. У самцов при мейозе в
клетках сперматоцитов второго порядка одни клетки имели 6
хромосом, другие — 7, т. е. одна хромосома была непарной. Ее назвали
Х-хромосомой, а все другие парные — аутосомами (А). В
соматических клетках самцов содержится 13 хромосом, одна из
которых — Х-хромосома. Таким образом, сперматозоиды самца могут
быть двух типов и содержать 6А + Хлибо 6А хромосом.
В соматических клетках самок имеется 14 хромосом (12А + IX)
и соответственно образуются яйцеклетки одного типа — 6А + X.
В сперматозоидах у другого клопа {Ьу§аеиз Шгасш) хромосомы
одной из пар различались по форме и размеру. При этом одна из
хромосом была похожа на пару хромосом женского пола, и за ней
оставили название Х-хромосомы, а другая, негомологичная
хромосома получила название 7-хромосомы.
При написании в схемах Х-хромосому иногда обозначают
прямой чертой (—), а 7-хромосому — неполной стрелкой (—7), т.е.
схему скрещивания можно записать как XX х XV или =х =?.
Цитологическое изучение хромосомных наборов мужского и
женского пола у многих организмов показало, что один пол имеет
две одинаковые Х-хромосомы, а другой — гетероморфную пару из
Хи У хромосом, либо только одну Х-хромосому.
Пол, имеющий пару ХХ-хромосом, назвали гомогаметным, так
как в результате мейоза у него образуются гаметы одного типа — X,
а пол с ХУили ХО-хромосомами — гетерогаметным, так как у него
в равном отношении образуются 2 типа гамет — Хи 7или Хи О.
У разных групп организмов гомо- или гетерогаметным может
быть различный пол (табл.4.1)
4.1. Хромосомное определение пола
Тип


деления
пола
Организмы
Гетерога-
метный
пол
Соматические
клетки (А +)
?
в
Гаметы (А+)
в
ХУ
Человек,
млекопитающие животные,
насекомые (кроме бабочек и
ручейников),
ракообразные, большинство
земноводных, часть рыб,
большинство двудомных
растений
Мужской XX ХУ ХиХ ХжУ
144
Продолжение
Тип


деления
пола
Организмы
Гетерога-
метный
пол
Соматические
клетки (А +)
Гаметы (А +)
ХУ
(2Щ
ХО
ХО
Птицы, бабочки,
пресмыкающиеся, часть рыб,
немногие земноводные,
очень немногие
растения (земляника)
Кузнечики, клопы рода
Рго1епог
Моль Ритеа
Женский
Мужской
Женский
ХУ
или2Ж
XX
ХО
XX
или 22
ХО
XX
Хи У
или
2и Ж
ХиХ
Хи 0
ХиХ
или
2и2
Хи О
ХиХ
* При женской гетерогамстности иногда в отличие от выше описанного типа
ХУ используют обозначение 2\У.
Наиболее широко в генетическом отношении изучен
хромосомный набор плодовой мушки дрозофилы {ОгоюркИа те-
1апо%аз1ег) (рис. 4.1). В ее соматических клетках содержится по
X
Рис. 4.1. Хромосомный набор ОгохоркИа те1апо^ах1ег. Хромосомы 1-й пары (половые)
имеют одинаковую морфологию у самок (XX) и разную у самцов (ХУ); Х-хромосо-
мы — телоцентрические; К-хромосома — акроцентрическая. Хромосомы 2-й и 3-й
пары — метацентрические; 4-й — очень мелкие (Лобашев М. Е. Генетика.—Л.,
1969. - С. 188)
145

«
1
1
т
4
I
III*
13
нам*
14
Г -
15
19
20
Рис. 4.2. Кариотип мужчины: хромосомы окрашены стандартным методом и методами,
ние; схематическое изображение рисунка сегментации; 6-метод; К-метод; С-метод
М., 1989.-Т. 1.-
8 хромосом, образующих 4 пары. В трех парах оба
партнера одинаковы, т. е. гомологичны у самок и у самцов.
Четвертая же пара гомологична только у самок (XX), а у самцов
она гетероморфна: одна хромосома акроцентрическая и
сходна по строению с Х-хромосомой самки, а другая, так
называемая 7-хромосома, — субметацентрическая. Из этого
следует, что самка, хромосомную формулу которой можно
обозначить как 6А + XX, дает однотипные яйцеклетки ЗА + X, а
самец — в А + ХУ образует сперматозоиды двух типов: ЗА + Хи
ЗА + У.
146
л &51 • н
1:5515*
(
в —
«Ш1*
10
11
12
16
17
18
21
22
ж-
выявляюшими характерную сегментацию. Слева направо: стандартное
окрашивало Вг. Т. М. 8спгоейег-Киг1Ь из кн.: Фогель Л., Мотульски А. Генетика человека. —
С. 46-47) -
При оплодотворении и образовании зиготы из яйцеклетки ЗА + X
и сперматозоида ЗА + Сбудет разминаться женская особь, а если
сперматозоид имеет набор ЗА + У— то мужская. При этом
численность самок и самцов будет одинаковой.
Аналогичным образом определяется пол у многих животных, а
также у человека. В соматических клетках женщин находится по
22 пары аутосом и одной паре гомологичных половых Х-хромо-
сом, а у мужчин — по 22 пары аутосом и паре, состоящей из одной
Х-хромосомы и одной У-хромосомы, отличающейся формой и
меньшим размером (рис. 4.2). Соответственно у женщин в результате
147

мейоза (оогенеза) образуются яйцеклетки одного типа — 22А + X,
у мужчин в результате сперматогенеза — сперматозоиды двух
типов: 22А + Хп 22А + У. При слиянии гамет женщины 22А + 1и
мужчины 22А + X зигота развивается в девочку, а 22А + Хк 22А + У—
в мальчика, при этом оба события обычно равновероятны.
При женской гетерогаметности образуется 2 типа яйцеклеток:
А+ХмА + У, а мужские гаметы одного типа — А + X. Например, у
пяденицы крыжовенной у самки две разные половые хромосомы и
образуются разные яйцеклетки двух типов: 26А + X и 26А + У, а
сперматозоиды все одинаковые — 26А + X.
У некоторых видов гетероморфность связана с потерей У-хро-
мосомы. В этом случае гомогаметный пол имеет набор половых
хромосом XX, а гетерогаметный — ХО. По названию клопа, у
которого был установлен такой набор половых хромосом (ХО—
мужской пол), его назвали типом Ргогепог. Иногда гетерогаметность ХО
встречается у женского пола, например у моли (Ритеа).
У тлей, филлоксер и некоторых других насекомых и червей
Х-хромосома теряется в отдельных стадиях жизненного цикла.
Например, несколько летних поколений ивовой тли развиваются
партеногенетически. В этом случае самка 44 + 2Х образует
диплоидные яйцеклетки (вследствие отсутствия редукции числа
хромосом в мейозе), которые развиваются без оплодотворения. К
осени появляются так называемые сексупарные самки, т. е.
дающие потомков, размножающихся половым путем. Такие самки
образуют яйца двух типов: 44 + 2Хи 4А + ХО. Из яиц с утерянной
Х-хромосомой разовьются самцы, а самки будут иметь такой же
набор, как партеногенетическое поколение, т. е. А А + IX. У самок
полового поколения мейоз проходит типичным образом (с
редукцией числа хромосом) и яйца их гаплоидны. У самцов же
первого редукционного деления в сперматозоид развивается только та
клетка, в которую попала Х-хромосома, лишенная же ее
дегенерирует. Поэтому в результате оплодотворения зимующие яйца
(зиготы) имеют женский набор хромосом 44 + 2Х.
4.1.3. ДРУГИЕ ТИПЫ ГЕНОТИПИЧЕСКОГО
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛА
У перепончатокрылых насекомых (пчелы, осы, пилильщики,
муравьи, наездники) самки являются диплоидными формами,
поскольку развиваются из оплодотворенных яиц, а самцы
образуются партеногенетически из неоплодотворенных яиц и потому
первично гаплоидны. Гаплоидность у самцов сохраняется только в
тканях зародышевого пути, т. е. в клетках, из которых образуются
гаметы, а в соматических тканях число хромосом удваивается и
остальные части тела диплоидны.
148
1
У самок мейоз проходит с редукцией числа хромосом и об-^
разованием гаплоидных яйцеклеток, а у самцов без редукции,
т. е. сперматозоиды также гаплоидны.
Относительная сексуальность, описанная у водорослей,
грибов, инфузорий, заключается в наличии нескольких генетически
различных половых форм, способных участвовать в половом
процессе только в определенных состояниях. Например, у
одноклеточной гаплоидной водоросли хламидомонады имеются внешне
одинаковые, но различные в генетическом и биохимическом
отношении «мужские» и «женские» клетки, получившие название
плюс- и минус-форм. В результате слияния, или копуляции, таких
гаплоидных плюс- и минус-клеток возникает диплоидная зигота,
которая после мейоза образует гаплоидные клетки — две минус- и
две плюс-формы. При этом обе формы отличаются степенью
выраженности половой потенции и в ряде случаев возможна
копуляция между клетками одной половой формы. При этом «сильные»
плюс-клетки могут копулировать со «слабыми» плюс-клетками.
Такое же явление наблюдается у минус-клеток.
У инфузории-туфельки бесполое размножение делением
сменяется половым процессом, при котором происходит конъюгация
двух особей и обмен ядерными элементами (микронуклеусами).
Существует несколько внешне одинаковых, но генетически и
физиологически разных форм.
У ряда бактерий (кишечной палочки, сальмонеллы, шигеллы
и др.) половой процесс заключается в одностороннем переносе
генетического материала из одной клетки в другую при их
конъюгации. Мужские клетки (донорные) в дополнение к обычной
хромосоме (молекуле ДНК) содержат еще плазмиду или эписому, так
называемый половой фактор Р+(также состоящий из ДНК и
способный реплицироваться).
Во время полового процесса с женской клеткой, по имеющей
полового фактора (Р~), по коиъюгациошюму мостику,
образуемому клеткой Р+, половой фактор Р' переходит I» женскую Р
-клетку и она превращается в мужскую. При обработке мужской клетки
акридиновым красителем фактор /'' разрушается и клетка
превращается в женскую. , п
4.1.4. БАЛАНСОВАЯ ТЕОРИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛА
Изучение и сравнение результатов различных исследований,
связанных с определением и развитием пола, привело к
пониманию того, что пол, как и другие признаки, определяется генами,
находящимися как в половых хромосомах, так и в аутосомах, и на
его развитие существенное влияние оказывают факторы внешней
среды. Предположение о том, что каждая зигота потенциально
бисексуальна, т. е. обладает двумя возможностями развития пола,
149

и реализация этих возможностей зависит от скоординированной
работы генов половых хромосом и аутосом, было подтверждено
наблюдениями и опытами на различных организмах.
В опытах с плодовой мушкой дрозофилой Бриджес (1920)
установил, что пол у нее определяется не просто наличием XX- и
ХУ-хромосом, а соотношением числа Х-хромосом и числа наборов
аутосом, так называемым половым индексом.
Было обнаружено несколько триплоидных самок с набором
хромосом ЗХ + ЗА, некоторые из них были нормальны и
плодовиты. После скрещивания их с нормальными диплоидными самцами
ХУ+ 2А в потомстве были обнаружены восемь типов особей с
различным соотношением половых хромосом и аутосом: 1) ЗХ : ЗА;
2) 2Х: 2А; 3) (2Х + У) : 2А; 4) 2Х: ЗА; 5) (2Х + У) : ЗА; 6) ХУ: 2А;
7)ЗХ: 2А; 8)ХУ: ЗА.
Появление таких мух связано с нарушениями нормального
расхождения хромосом в мейозе у самок.
При значении полового индекса X : А, равном 1 (2Х: 2А;
ЗХ: ЗА), развиваются самки; равном 0,5 (X: 2А) — самцы; больше 1
(ЗХ: 2А) — сверхсамки, или метасамки; меньше 0,5 — сверхсамцы,
или метасамцы; при значениях, лежащих в интервале 0,5—1,
возникают интерсексы.
Таким образом, в опытах с дрозофилой было установлено, что
Х-хромосома направляет развитие в сторону женского пола, а
отсутствие У-хромосомы (ХО) приводит к образованию стерильных
самцов.
Мухи с набором ХХУ— настоящие плодовитые самки,
несмотря на наличие У-хромосомы. Следовательно, пол у дрозофилы
определяется генами женского пола, локализованными в Х-хромосо-
ме, и генами мужского пола, находящимися в обычных
хромосомах (аутосомах) и У-хромосоме.
Чем большее число аутосом входит в хромосомный комплекс,
тем сильнее выражены мужские признаки. Это подтверждается
возникновением особей с набором хромосом ХУ + ЗА, которых
называют сверхсамцами, или метасамцами.
У-хромосома дрозофилы по величине близка к Х-хромосоме,
но она в основном состоит из гетерохроматина и генетически
инертна. Конъюгация между Х- и У-хромосомами ограничивается
определенным сегментом, расположенным вблизи от центромеры,
который называют конъюгирующим. Установлено, что в
У-хромосоме локализованы гены, влияющие на мужскую фертильность
(формирование и подвижность сперматозоидов).
У дрозофилы и некоторых других насекомых иногда
возникают так называемые гинандроморфы, у которых одни участки тела
женского типа, а другие — мужского. Могут встречаться и случаи
мозаицизма, когда одна сторона тела несет женские признаки, а
другая —- мужские. Такие случаи объясняются утратой в клетке
после первого дробления зиготы одной Х-хромосомы. Если такая
клетка продолжает делиться, то возникают ткани с мужскими
150 ...• -.-:■■■ ■-■• :•
признаками. Из клеток же с двумя
Х-хромосомами развиваются ткани с
женскими признаками (рис. 4.3).
Согласно теории генного баланса
Бриджеса, организм бипотенциален,
он несет в себе задатки мужского и
женского пола. Пол определяется во
время развития особи на базе баланса
мужских и женских генов — детерми-
наторов пола. Половая хромосома —
не совсем точное название,
поскольку не только У- и Х-хромосомы, по
и аутосомы несут гены,
ответственные за развитие пола. Х-хромосомы
благодаря системе XX и ХУ служат
физической основой для менделиро
вания пола.
Гис. 4.3. Гинандроморф
дрозофилы: левая сторона — женская, пра-
иая мужская (Гершензон С, М.
Осноим современной генетики. —
Киев, 1979.-С. 117)
4.1.5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ПОЛА У ЧЕЛОВЕКА
При описании определения и развития пола у человека в
настоящее время выделяют два понятия: биологический пол и
социальный (гражданский, или паспортный, и психосексуальная ауто-
идентификация).
Биологический пол рассматривают как
совокупность генетического, гонадного, гормональною и соматического
пола. Генетический пол зависит от набора половых хромосом: XX—
женский, ХУ—мужской. Гонадный пол определяется типом гонад
индивидуума: яичников у женщин и яичек у мужчин.
Гормональный пол зависит от вида и уровня половых гормонов, основным
источником которых являются гонады. Соматический пол — это
совокупность строения половых органом и развития вторичных
половых признаков, свойственных определенному
биологическому полу. Все компоненты, составляющие понятие «биологический
пол», взаимосвязаны и дополняют друг друга. Нарушения в
отдельных составляющих приводит к изменениям полового
развития. Установлено, что у плода человека, вне зависимости от
набора половых хромосом, первичная гонада имеет индифферентное
строение и формируется из клеток целомического эпителия,
мезенхимы и первичных половых клеток (гоноцитов). Присутствие
в геноме У-хромосомы всегда приводит к формированию мужской
гонады, независимо от числа Х-хромосом. Доминирующее
влияние У-хромосомы рассматривают как первичный сигнал,
направляющий дифференцировку пола по пути формирования яичек и
соответственно мужского фенотипа.
При нарушении развития и отсутствии гонад развитие идет по
женскому типу независимо от хромосомного набора.
' 151

Установлено, что мужским полоопределяющим геном является
ген 5КУ (8ех-<1е1егггшпгщ Ке§юп У), локализованный в коротком
плече К-хромосомы.
Ген 5КУиндуцирует развитие индифферентных гонад в яички,
которые в дальнейшем продуцируют необходимые для полного
развития мужского генотипа гормоны. В отсутствие У-хромосомы
гонады эмбриона развиваются как яичники, а организм — как
женский. Особи, у которых У-хромосома представлена только
коротким плечом — мужского пола, а только длинным — женского.
Клонирование гена ЗКУ показало его уникальную
принадлежность к К-хромосоме. Структурно — это небольшой ген,
лишенный интронов и состоящий из промоторной области длиной
310 п. н., богатой ОС-парами, и рамки считывания длиной 612 п. н.
Ген кодирует белок, состоящий из 204 аминокислот.
Последовательностей, аналогичных структуре гена 5КУ, не обнаружено ни в
АГ-хромосоме, ни в какой-либо аутосоме.
Кроме того, в процессе определения и развития пола участвуют
гены, локализованные в Х-хромосоме и аутосомах. В качестве
гена, ответственного за развитие внутренних и наружных гениталий
по мужскому типу, описан ген М18 (МиПепап 1пЫЪШпу 8иЬ§1апсе)
или АМН (апиМиНепап Ногтопе), локализованный в коротком
плече 19-й хромосомы, со временем экспрессии от 10-й до 12-й нед
внутриутробного развития. Гормон, вырабатываемый в клетках
Сертоли эмбриональных яичек, вызывает гибель клеток мюллеро-
вых протоков (женской тенденции).
Формирование наружных половых органов приобретает
мужское направление только при определенном уровне андрогенов
(мужских гормонов) в организме плода между 12-й и 20-й нед
внутриутробного развития. При недостаточном уровне андрогенов
в этот период или при нечувствительности к ним тканей-мишеней
независимо от мужского генетического или гонадного пола
наружные гениталии формируются по женскому типу или
представляют собой различные степени незавершенной маскулинизации
(мужского направления). Источниками андрогенов в организме
являются эмбриональные яички и надпочечники.
Ген рецептора андрогенов (АК) локализован в длинном плече
Х-хромосомы, он кодирует белок из 917 аминокислот, размер
гена — 75 т. п. н.
Андрогены (тестостерон и особенно дигидротестостерон)
определяют судьбу бипотентных клеток в области закладки наружных
гениталий. Мутации в генах, кодирующих рецепторы андрогенов
и фермент 5-а-редуктазу, приводят к нарушениям полового
развития, объединенным в группу мужского псевдогермафродитизма,
т. е. формы врожденной патологии полового развития, при
которых генетический, гонадный и гормональный пол мужские, но
наружные половые органы имеют черты незавершенной
маскулинизации либо недоразвитый женский тип строения.
152
Кроме приведенных выше генов на формирование и развитие
пола у человека оказывают влияние выделенный и
клонированный ген 2РУ(7лпс Рт§ег У), расположенный в коротком плече
У-хромосомы, и аналогичный ему 2РХ {7лпс Рт§ег X),
расположенный в коротком плече Х-хромосомы, а также аутосомные
гены 80X9.
Таким образом, Г-хромосома играет существенную роль в
определении пола у человека. При ее отсутствии и наличии любого
числа Х-хромосом особь за редким исключением определяется как
женская.
В медицине описана большая группа хромосомных болезней
человека, включающая различные комбинации
дополнительных Х- или У-хромосом, вызнанные нерасхождением половых
хромосом у родителей в момент образования половых клеток
(табл. 4.2).
4.2. Типы полисомий по половым хромосомам у человека (Бочков, 1997)
Х-полисомия при
отсутствии 7-хро-
мосомы
А'-полисомия с одной
К-хромосомой
К 1ЮШ1СОМНЯ С ОДНОЙ
Л' хромосомой
Полисомия по обеим
хромосомам
47,
48,
49,
XXX
ХХХХ
ХХХХХ
47
48
49
,ХХУ
,ХХХУ
, ХХХХУ
47,
48,
49,
ХУУ
ХУУУ
ХУУУУ
48,
49,
ХХГУ
ХХХУУ
Общая частота полисомий по А* или К-хромосомам среди
новорожденных составляет (1,5—2,0): 1000. Чище всего встречаются
полисомий типа XXX, XXV или ХУУ. Так начинаемые мозаичные
формы (комбинации разных клопов) составляют около четверти
всех отклонений.
В группе Х-полисомии при отсутепши К-хромосомы чаще
всего встречаются случаи трипло-АГ (XXX), частота рождения 'таких
девочек 1 : 1000. У таких женщин нормальное физическое и
психологическое развитие, а также плодовитость, хотя риск
хромосомных нарушений и спонтанных абортом у потомства повышен.
С увеличением числа дополнительных А"-хромосом нарастают
степень отклонения от нормы в умственном рачнитии, черепно-лице-
вые изменения (дизморфии) и другие нарушения.
В группе Х-полисомии с одной К-хромосомой (синдром Клайн-
фелтера) наиболее часто встречается набор 47, ХХУ. В полном
мозаичном варианте частота мальчиков среди новорожденных
1 : (500—750). Генетический дисбаланс проявляется в виде
недоразвития мужских половых органов, бесплодии, часто
наблюдается умственная отсталость, высокий рост, женский тип
телосложения и другие отклонения. Варианты с большим числом Х- и У-
хромосом встречаются редко.
Синдром дисомии по У-хромосоме (47, ХУУ) встречается с
частотой 1 : 1000 новорожденных мальчиков. Большинство мужчин
153

не имеют отклонений от нормы по всем показателям, за
исключением некоторых особенностей поведения: такие люди при
соответствующих условиях склонны к агрессии.
Другие случаи полисомий встречаются реже и имеют больше
отклонений.
Синдром Шерешевского—Тернера (45, ХО) — единственная
форма моносомии у живорожденных. Частота встречаемости
среди новорожденных девочек 1 : (2000—5000). Наряду с истинной
моносомией во всех клетках (45, X) встречаются различные
формы хромосомных аномалий по второй Х-хромосоме (делеции
короткого или длинного плеча, изохромосомы, кольцевые
хромосомы), а также различные варианты мозаицизма (30—40 % всех
случаев). В проявлении синдрома отмечается большая изменчивость,
характерными являются маленький рост, короткая шея с крыло'-
видными складками кожи, нарушение скелета, врождённые
пороки сердца и почек и др.
Половой хроматин. Подсчет числа Х-хромосом у
млекопитающих и человека стал достаточно простым после открытия в 1949 г.
Барром и Бертрамом в ядрах нервных клеток кошек сильно
окрашенного тельца, локализованного вблизи ядерной оболочки и
получившего название полового хроматина. В клетках котов такое
тельце отсутствовало. Исследование клеток различных животных
и человека показало, что половой хроматин, или тельце Барра,
имеется в большинстве клеточных ядер (60—70 %) особей
женского пола; у особей мужского пола его обычно нет или оно
встречается лишь в немногих ядрах (5—10 %) (рис. 4.4).
Установлено, что половой хроматин отсутствует у организмов с
одной Х-хромосомой (у мужчин с набором ХУи женщин с
синдромом Шерешевского—Тернера с набором ХО). Один половой
хроматин имеется у женщин (XX) и мужчин с синдромом Клайнфел-
тера (ХХУ). При увеличении числа Х-хромосом число половых
хроматинов на единицу меньше числа Х-хромосом.
Предполагается, что начиная с определенной стадии развития организма все
Х-хромосомы, кроме одной, перестают функционировать, спира-
лизуются и образуют половые хроматины. Это явление
выражается термином «компенсация дозы», т. е. активность у любого пола
сохраняет только одна Х-хромосома.
ххх
ХХХУ
ХХХУУ
хххх
хххху
ххххх
Рис. 4.4. Зависимость числа половых
хроматинов в клетках человека от числа половых
хромосом (по Барру):
а — нет полового хроматина; б—д — один, два, три,
четыре половых хроматина соответственно (Гершен-
зон С. М. Основы современной генетики. — Киев,
1979.-С. 116)
В результате генетических экспериментов на разных объектах
было установлено, что в разных клетках инактивируются разные
Х-хромосомы: в одних клетках активна одна Х-хромосома, в
других — другая. Если эти хромосомы несут различные аллели генов с
четко выраженным фенотипическим эффектом, это повлечет за
собой генетический мозаицизм (различная окраска участков глаз,
тела и др.). Например, так называемая черепаховая (трехцветная)
окраска шерсти у кошек объясняется активностью разных Х-хро-
мосом, в которых локализованы гены окраски.
Достаточно быстрая диагностика по половому хроматину из со-
скоба клеток слизистой оболочки рта, мазков крови, амниотичес-
кой жидкости из матки беременной женщины позволяет
использовать этот метод для установления аномалий в числе половых
хромосом.
У птиц и бабочек, несмотря на то что гетерогаметным является
женский пол, половой хроматин встречается только у самок. Этот
феномен пока не получил должного объяснения.
4.1.6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ПОЛА У РАСТЕНИЙ
Растения, в отличие от животных организмов, популяции
которых состоят из самок и самцов, характеризуются большим
разнообразием половых форм цветков, особей и популяций или групп.
Отдельные цветки растений классифицируют на следующие:
• гермафродитные (обоеполые), образующие тычинки и
пестики ($");
• тычиночные (мужские, андроцейные), формирующие только
тычинки (с?);
• пестичные (женские, гинецейные), содержащие только
пестики (?).
Половые типы растений представлены следующими формами:
• обоеполые — растения с гермафродитнмми цветками (</");
• однодомные — растения как с пестичными (V), так и с
тычиночными (с?) цветками;
• мужские (андроцейные) — растения только с мужскими
цветками (с?);
• женские (гинецейные) — растения только с пестичными
цветками ($);
• андроцейно-однодомные — растения, на которых образуются
как тычиночные, так и обоеполые цветки (6 $");
• гинецейно-однодомные — растения с пестичными и
обоеполыми цветками (9 ^);
• тримоноцейные — растения, на которых образуются цветки
трех типов: тычиночные, пестичные и обоеполые (6 9 $).
При этом как в естественных условиях, так и в культуре могут
формироваться популяции или группы растений, состоящие из
155

различных сочетаний разных половых типов (обоеполые,
однодомные — женские или мужские), андроцейно-двудомные, гине-
цейно-двудомные и др.
Наиболее распространенный тип как цветков, так и
растений — обоеполый, или гермафродитный. Так, 90 %
покрытосеменных образуют обоеполые цветки, у 10 % видов цветки однодомные,
среди них однодомных и двудомных видов более половины.
Гомо- и гетерогаметность у двудомных растений впервые была
описана в опытах Корренса (1906) по скрещиванию мужских и
женских растений брионии двудомной и однодомной. Было установлено,
что женские растения гомогаметны, а мужские — гетерогаметны.
Мох-печеночник (Зркаегосагрш) стал первым растением, у
которого цитологически обнаружили половые хромосомы. Растения
мха гаплоидны, диплоидны спорангий и его ножка. Аллен (1917)
установил, что женские и мужские гаплоидные растения мха
имеют по 7 одинаковых хромосом, а одна пара различается: у мужских
растений маленькая точечная (Г-хромосома), а у женских
—длинная (Х-хромосома) (рис. 4.5).
После оплодотворения и соединения двух гаплоидных
наборов развивается спорофит 14л" + ХУ. После мейоза из одной
материнской клетки образуется 4 споры, две из которых получают
набор 1А + X, а две другие — 7л" + У и соответственно
развиваются женские и мужские растения в соотношении 1 : 1. В
отдельных случаях у некоторых мхов при вегетативном
размножении диплоидного спорангия (14л" + ХУ) можно получить
однодомное растение.
Впоследствии половые хромосомы были обнаружены у таких
цветковых растений, как дрема (Мегапйпит а1Ьа), элодея (ЕЫеа
сагайепзи), конопля (СаппаЫз займа), шпинат (Зртасеа о1егааа),
щавель {Китех асеШа), хмель (Нити1ш 1ири1из), дынное дерево
(Сапсарарауа) и др.
У большинства двудомных растений
Х- и Г-хромосомы отличаются друг от
друга по размерам, обычно Х-хромосома
более крупная, а у дремы белой больше
Г-хромосома.
Цитогенетическое изучение половых
хромосом дремы позволило установить
наличие гомологичных и
негомологичных участков Х- и У-хромосом (см. далее
рис. 4.11).
Рис. 4.5. Хромосомные наборы печеночника 5ркаего-
сагриг.
А — мужское растение с 7 аутосомами и точечной Г-хро-
мосомой; Б — женское растение с 7 аутосомами и
длинной Х-хромосомой (МюнтцингА. Генетика. — М., 1967. —
С. 160)
156
Негомологичный участок К-хромосомы состоит из трех
сегментов. При утере первого сегмента образуются гермафродиты,
второго — женские растения, третьего — мужские со
стерильными пыльниками. Таким образом установлено, что гены,
контролирующие дифференциацию пола у этого вида, локализованы в
У-хромосоме.
Гетероморфные половые хромосомы найдены почти у 50 видов
покрытосеменных двудомных растений, но у 26 видов двудомных
растений они не обнаружены.
У всех гетероморфных растений сингамное определение пола,
т. е. пол определяется в момент слияния гамет и зависит от
сочетания половых хромосом и генов, определяющих пол. Такие поло-
определяющие гены, локализованные как в половых хромосомах,
так и в аутосомах, обнаружены у двудомных и у однодомных
растений (огурцы, кукуруза и др.).
Выделяют два типа хромосомного определения пола у
растений.
Первый тип — У-хромосомной детерминации пола. В этом
случае активную роль в определении пола играет У-хромосома,
определяющая мужской пол, например у МеШпа'гиШ а1Ьа, Китех
асе1о8е11а и др.
У М. а1Ьа женские особи имеют генотип 2А + XX, а мужские
2А + ХУ. Был получен ряд полиплоидов с разным соотношением
Х- и У-хромосом. Растения, имеющие в своем наборе от двух до
четырех Х-хромосом при отсутствии У-хромосомы, были
женскими, но при наличии хотя бы одной У-хромосомы в наборе —
мужскими, при наборе ХХХХУпоявляются гермафродитыые растения.
Увеличение числа У-хромосом вызывает повышение процента
мужских растений в популяции. Перенос фрагментом К-хромосо-
мы на Х-хромосому приводит к образованию интерсексом, что
подтверждает наличие генов мужской тенденции на К-хромосоме.
Второй тип — балансовой детерминации пола (аналогично
дрозофиле), т. е. пол определяется соотношением аутосом и А'-хромо-
сом, а У-хромосома практически инертна. Примером могут
служить двудомные виды подрода шанеля кислого (Китех асегоза).
У типичных форм женские растения имеют генотип 2А + XX, а
мужские — 2А + ХУ. При изучении полиплоидных растений
установлено, что при значениях полового индекса, равных 0,5 и ниже
(Х/ЗА), растения мужские, равных 1,0 и выше (4Х/ЗА) —женские,
при значениях, лежащих в интервале от 0,5 до 1,0 (2Х/ЗА), имеют
промежуточное состояние. В некоторых аутосомах было
установлено наличие половых генов-промоторов, среди них было больше
генов, ускоряющих маскулинизацию.
Полагают, что между этими двумя хромосомными системами
нет четких различий, поскольку все мужские растения содержат
У-хромосому, которая оказывает определенное влияние на
регуляцию пола. .^, ,.„,.,.,.„ „;:*«...
157

У некоторых растений установлены другие механизмы
хромосомного определения пола. Так, у хмеля японского (НитиШз
]аротсиз) и щавеля копьевидного (Китех НазШиШз) генотип
женских растений — XX, а мужских — ХУУ. В мейозе мужские
растения образуют два типа гамет X и УУ.
В большинстве случаев на активность Г-хромосомы влияют
как Х-хромосома, так и аутосомы. У дремы красной (Мегапйпит
гиЬгит) появление однодомных растений объясняют кроссингове-
ром и транслокацией участка У-хромосомы на Х-хромосому,
причем соотношение пестичных и тычиночных цветков зависит от
величины транслоцированного участка Г-хромосомы.
У большинства растений женский пол гомогаметный (XX),
мужской — гетерогаметный (ХУ). У спаржи (Азрат§из) мужские
растения УУжизнеспособны, у пролески однолетней (МегсиШпз
аппиа) — с пониженной фертильностью, а у дынного дерева
(Сапса рарауа) — нежизнеспособны.
Механизм ХО у растений не описан, у некоторых видов
земляники (Рга§апа) — гетерогаметен женский пол.
У однодомных растений с раздельнополыми цветками, таких
как клещевина (Шстиз соттитз), огурец (Сиситгз зайуиз),
кукуруза (2еа тауз), дыня (Сиситгз те1о), гетероморфные половые
хромосомы не обнаружены, но у некоторых культур описаны
основные гены, влияющие на проявление пола цветков. Так, у кукурузы
ген (з (1а88е1 зеес!) вызывает образование женских цветков в
мужском соцветии — метелке, а ген зк (зИМекз) препятствует
образованию початков. У огурца и дыни в генетическом контроле
проявления пола участвует несколько генов (т, асг, з{). При этом
существенное влияние на их проявление оказывают внешние факторы.
Таким образом, у видов с однодомными цветками существуют
различные полоопределяющие механизмы. У одних видов
установлен один локус, определяющий пол, у других — два и более ло-
кусов, включенных в определение пола, у третьих — имеются
половые Х- и У-хромосомы и пол определяется либо по системе ХУ,
либо по типу млекопитающих, у которых 7-хромосома играет
решающую роль в развитии мужского пола, либо по типу
дрозофилы, у которой проявление пола зависит от баланса половых
хромосом и аутосом.
Поскольку все цветки скорее всего потенциально обоеполы
(гермафродитны), механизм определения пола включает
репрессию развития женской части в тычиночных цветках и мужской —
в пестичных. Наряду с этим существуют генный и гормональный
механизмы контроля.
Сидорский (1995) предложил теорию, объясняющую
формирование различных сексуальных типов высших растений,
основанную на работе супергена цветка, включающего группы регулятор-
ных и структурных генов. В соответствии с этой теорией судьбу
меристематических клеток определяет наличие или отсутствие у
158
растений гена, под действием которого конус нарастания
дифференцируется в примордий цветка.
Чайлахян (1998) предложил эколого-гормонально-генетичес-
кую концепцию регуляции проявления пола у растений, смысл
которой заключается в том, что факторы внешней среды
(экологические факторы) вызывают в растениях изменения в
содержании фитогормонов (цитокининов и гибберелинов), которые
влияют на экспрессию генов, ответственных за формирование половых
признаков.
У гермафродитных и раздельнополых однодомных растений
половой диморфизм, т. е. внешние различия, проявляются только
в процессах дифференциации половых органов, а образующиеся
гаметы (яйцеклетки и спермин) обладают одинаковым
генетическим материалом.
У большинства двудомных растений, таких как конопля, хмель,
спаржа, шпинат, дынное дерево, тополь, белая шелковица и др.,
половой диморфизм выражен более четко, но часто различия в
общем строении и в отдельных морфологических признаках
проявляются только ко времени цветения, а у таких растений, как
двудомная земляника и морошка, морфологические различия, за
исключением строения цветка, почти отсутствуют.
У ряда раздельнополых видов мужские и женские растения
различаются по биохимическим и физиологическим
показателям, характеризующим общий обмен веществ и его изменения в
онтогенезе.
Это явление может быть использовано для изменения
гермафродитных растений. Технические приемы такого перевода на
раздельнополость у ряда культур уже разработаны.
У некоторых культур раздельнополые растения отличаются по
скороспелости, качеству продукции и другим свойствам. Гак,
растения дыни только с пестичными цветками отличались по только
скороспелостью, но и образованием продолговатых крупных
сладких плодов, тогда как растения с обоеполыми цветками —
позднеспелостью, а также округлыми менее крупными и менее
сахаристыми плодами. Более высокие продуктивность и качество плодов
наблюдаются у женских растений по сравнению с гермафродит-
ными у дынного дерева, хурмы, огурцов, клещенипы, конопли.
4.1.7. СООТНОШЕНИЕ ПОЛОВ
Хромосомный механизм определения пола у раздельнополых
организмов обусловливает соотношение потомства по полу
близкое к 1 : 1. Это так называемое первичное соотношение верно для
образования зигот. Но в процессе их развития из-за разной
жизнеспособности женских и мужских зигот, переопределения пола в
процессе онтогенеза и других причин это соотношение может ме-
159

пяться. При учете новорожденных говорят о вторичном
соотношении полов, а с возрастом из-за различной смертности
устанавливается третичное соотношение.
Известно, что у человека на 100 новорожденных девочек
приходится 106 мальчиков. В детском возрасте этот показатель
составляет 100 : 103, в 18 лет — 100 : 100, в возрасте 50 лет — 100 : 85,
а в 85 лет — 100 : 50. Эти различия объясняются как
биологическими, так и социальными причинами.
У некоторых насекомых (божьей коровки, дрозофилы)
обнаружены так называемые однополые бессамцовые линии. Из
отложенных оплодотворенных яиц 50 % отмирало, а из остальных
развивались только самки. Впоследствии в теле таких самок была
найдена спирохета — паразит, размножающийся в их теле и
передающийся из поколения в поколение через яйца. Спирохета,
видимо, избирательно поражает мужскую зиготу.
Аналогичное явление дифференциальной смертности
обнаружено у бабочек. Но смертность в гусеничной фазе у самок выше,
чем у самцов. У тутового и непарного шелкопрядов при эпизоотии
инфекционной болезни полиэдроза среди пораженных семей
соотношение между самцами и самками резко сдвигается в пользу
первых.
Дифференциальная смертность разных полов может быть
обусловлена тем, что гомогаметный родитель в одной из своих
половых хромосом содержит летальный ген или ген, снижающий
жизнеспособность. Например, если самец бабочки гетерозиготен по
рецессивному летальному гену, локализованному в Х-хромосоме,
то в потомстве от скрещивания с нормальной самкой самцов будет
в 2 раза больше, чем самок:
9Х1Ух. <ЗХ1Х<-> 8ХЬХ1 + вХ1Х1 + 9Х1У + 5 X1 У (погибают).
Это явление используют как генетический метод борьбы с
вредными чешуекрылыми, для чего обрабатывают самцов
мутагенами, вызывая рецессивную летальную мутацию. После
спаривания таких самцов с нормальными самками в популяции
снижается численность самок, а следовательно, и вредоносность
популяции.
У некоторых животных организмов в редукционном делении
гетерогаметного пола половые хромосомы расходятся в дочерние
клетки не случайно, т. е. в яйцеклетку отходят преимущественно
либо Х-, либо У-хромосомы (другая хромосома отходит в полярное
тельце), что вызывает и соответствующие изменения в
соотношении полов.
Помимо описанных выше явлений, вызывающих отклонение
от первичного соотношения полов при рождении, описаны
случаи переопределения пола в онтогенезе, начиная с эмбриогенеза
до стадии взрослой половозрелой особи.
160
Изменение пола в процессе дифференциации эмбриона и
онтогенеза под действием гормонов служит доказательством
наследственной бисексуальности организмов.
У человека и млекопитающих в эмбриогенезе раздельнополых
близнецов гормонального переопределения, как правило, не
происходит благодаря тому, что дифференциация пола наступает
раньше, чем продуцируются соответствующие гормоны.
Но в отдельных случаях у крупного рогатого скота при
рождении разнополых двоен (бычок и телочка) бычки развиваются
нормально, а телочки оказываются интерсексами, или фримартинами
(наружные гениталии женского типа, а внутренние органы —
мужские). Это объясняется тем, что семенники мужского эмбриона
развиваются раньше и выделяют в кровь мужские гормоны,
изменяющие женский эмбрион.
В литературе описаны многочисленные примеры
экспериментального переопределения пола путем воздействия различными
гормональными препаратами на взрослых особей рыб, птиц,
тритонов, лягушек и других представителей царства животных.
В некоторых случаях для получения особей нужного пола
может быть использовано явление партеногенеза: гиногенеза — для
получения женских организмов и андрогенеза — мужских. Такие
опыты проводились на птицах, мышах, тутовом шелкопряде.
Результаты этих экспериментов подтверждают генетическую
бисексуальность организмов и возможность изменить дифферен-
цировку пола в онтогенезе, а также показывают способы
регуляции соотношения полов.
4.1.8. НАСЛЕДОВАНИЕ, СЦЕПЛЕННОЕ С ПОЛОМ
В опытах Менделя и других исследователей по изучению
закономерностей наследования было установлено, что ход
наследования многих признаков не зависит от того, материнским или
отцовским организмом вносится тот или другой аллель, т. е. ре-
ципрокные скрещивания дают одинаковый результат.
Однако при анализе наследования ряда признаков у
раздельнополых организмов оказалось, что некоторые из них передаются
своеобразно и явно зависят от пола.
В этих случаях реципрокные скрещивания давали разные
результаты. Было высказано предположение о том, что
определяющие такие признаки гены находятся в половых хромосомах, в то
время как гены, определяющие признаки, наследующиеся в
соответствии с классическими схемами, локализованы в хромосомах,
одинаковых у обоих полов, т. е. в аутосомах.
Этот вывод и его доказательство были получены еще в 1909 г.
Т. Морганом с сотрудниками. Изучая наследование признаков, он
установил у дрозофилы наличие связи определенных генов с по-
161

Рис. 4.7. Скрещивание белоглазой самки ши> с красноглазым самцом ИТу дрозофилы
(Гершензон С. М. Основы современной генетики. — Киев, 1979. — С. 107)
зиготные по гену окраски самки ууц> и гомозиготные
белоглазые ту; 1/2 самцов получат Х-хромосомы, несущие ген красных
глаз, и 1/2 — ген белых глаз м>У.
Р $ \т х 3 ШУ
Белоглазая Красноглазый
/", ? Жи- в у/У
Красноглазые Белоглазые
Рг 9 Ш/ $ мм $ ХУУ в у/У
Красноглазые Белоглазые Красноглазые Белоглазые
164
Из результатов скрещивания следует, что самки могут быть
гетерозиготными (№м>) или гомозиготными (№\У, м>и>) по генам
окраски глаз. У самцов ген окраски локализован только в Х-хромо-
соме. К-хромосому называют в этом случае генетически инертной,
т. е. проявляется одна доза гена. Такое состояние называют геми-
зиготным, т. е. \УУ— красноглазый самец, \\>У— белоглазый.
Аналогичным образом наследуются все признаки,
определяемые генами, локализованными в Х-хромосомах, и у других
организмов, у которых гетерогаметен мужской пол. Так, у человека
около 60 генов наследуются сцепленно с Х-хромосомой, в том
числе гены, обусловливающие такие заболевания, как гемофилия,
цветовая слепота, мускульная дистрофия и др.
Известно, что дальтонизм (неспособность различать зеленый и
красный цвет) встречается у мужчин гораздо чаще, чем у женщин.
Это объясняется тем, что это заболевание обусловлено геном,
локализованным в Х-хромосоме. Ниже представлена схема
наследования этого гена (рецессивный аллель й, нормальный аллель В) в
браке нормальной по зрению, но гетерозиготной женщины (так
называемой «носительницы») с нормальным по зрению мужчиной.
Яйцеклетки
О
й
Сперматозоиды
О
ВО
Девочка с нормальным зрением
Ы
Девочка с нормальным зрением
(носительница)
У
БУ
Мальчик с нормальным зрением
е1У
Мальчик-даш.тоиик
Девочки-дальтоники могут полниться только и браке такой
женщины с мужчиной-дальтоником либо и случае брака двух
дальтоников, что встречается горачдо реже.
Аналогичным образом наследуется более редкое
наследственное заболевание человека — гемофилилкпарушепие
свертываемости крови). Больные гемофилией часто умирают в детском или в
юношеском возрасте, поэтому гемофилики-мужчины за редким
исключением не оставляют потомстка, и болезнь передается из
поколения в поколение гетерозиготными
женщинами-носительницами. На рисунке 4.8 приведена известная в литературе схема
родословной потомков английской королевы Виктории, которая
была гетерозиготна по гену гемофилии. По схеме можно
установить, что этот ген наследуется так же, как ген дальтонизма у
человека или белых глаз у дрозофилы. Таким же образом наследуются
Ш

Альберт Саксен-Кобургский
Виктория
бффпйобффо фд
Виктория | АлЦса | Альфред Луиза Леопольд Елена Беатриса Гене
Эдуард | Людовик IV р ' .1 I Вальдек- I Батп
VII Гессенский ^^ ^^ Пирмонтская бергс
Здоровый мужчина
Здоровая женщина
Мужчина, страдающий
гемофилией
Женщина-носитель
гемофилии
оо0пп1фпбф п п йн о р
иЛ~ I Фридрих | Алиса Александр Леопольд Леопольд Морис Ви*гор№ Аль-
^у^ Генрих Нильгельм | Николай! Англии- Атлон- Саксен- Баттен- Баттен- Евгения фоне
Прусский Алиса | о<ая ский Кобург- бергский бергский Баттен- XIII
1—г—' ■-^г-1 ' | ' ский бфгская |
Вальдемар Генрих
Алексей Рупрехт Альфонсо
Гонзалес
Жуан
Рис. 4.8. Генеалогическое древо царствовавших семей Европы, иллюстрирующее
наследование генов гемофилии, локализованного в Х-хромосоме человека (Дубинин Н. П.
Общая генетика. — М., 1970. — С. 155)
все признаки, определяемые рецессивными генами,
локализованными в Х-хромосоме, у организмов, у которых гетерогаметен
мужской пол.
I В случае гетерогаметности женского пола, как у птиц, бабочек,
наблюдается иной тип сцепленного с полом наследования. Так,
известно наследование сцепленного с полом признака
поперечнополосатой (рябой) окраски оперения у кур (рис. 4.9, 4.10). Ген В
(рябая окраска) и рецессивный аллели в (сплошная окраска)
находятся в Х-хромосомах. При скрещивании черной курицы с рябым
гомозиготным петухом все потомство Р\ рябое, а в Р2 — 1/2
курочек черные и 1/2 — рябые, поскольку они гемизиготны и признак
определяется одним аллелем. Петухи все рябые.
В обратном скрещивании, т. е. при скрещивании рябой курицы
с черным петухом, уже в Рх происходит расщепление, т. е. все
курицы черные, а петухи — рябые; в Р2 и среди куриц, и среди
петухов будет 1/2 черных и 1/2 рябых по окраске птиц. !
Мы рассмотрели наследование Признаков, гены которых
локализованы в Х-хромосомах, в У-хромосоме аллелей этих генов не было.
Однако установлено, что ^хромосомы не во всех случаях
генетически инертны и их функции не сводятся только к роли синаптических
партнеров при конъюгации с Х-хромосомой во время мейоза.
Известно небольшое число примеров, когда в 7-хромосоме
локализованы гены, не имеющие аллелей в ^-хромосоме!; Например, у
живородящей рыбки лебистуса (гуппи) один из признаков — темное
пятно на спинном плавнике — обусловлен геном, локализованным в
Г-хромосоме, и потому передается только от отца к сыну.
166
Такие признаки называются голандрическими, т. е.
наследуемыми исключительно по мужской линии. У человека таким образом
наследуется локализованный в Г-хромосоме ген 8РУ,
ответственный за развитие мужской потенции, а также гены,
контролирующие размер зубов, развитие кожной перепонки между пальцам
ног, волосатость мочек ушей (ихтиоз) и др^
Кроме генов, аллели которых локализованы только либо в Х-,
либо в У-хромосоме^ имеются гены, общие для обеих половых
хромосом. Такие гены уЪдного и того же вида наследуются как
сцепленные то с Х-, то с Г-хромосомой и проявляются в зависимости*
от того, в какой из них находится доминантный аллель, а в
какой — рецессивный.
Рис. 4.9. Скрещивание черной курицы с рябым петухом (Гершензон С. М. Основы
современной генетики. — Киев, 1979. — С. 110)
167

Рис. 4.10. Скрещивание рябой курицы с черным петухом (Гершензон С. М. Основы
современной генетики. — Киев, 1979. — С. 111)
Рис. 4.11. Сравнительное
распределение у разных организмов участков,
гомологичных в А'- и У-хромосоме
(заштрихованы), имеющихся только в
Х-хромосоме (черные) или только в
У-хромосоме (светлые):
а —у дрозофилы; б— у гуппи; в — у
человека; г — у дремы белой. Везде слева —
ЛГ-хромосома, справа — У-хромосома
(Гершензон С. М. Основы современной ге-
б й г нетики. -Киев, 1979. -С..112)
168
( У разных организмов количество таких общих для Х-и 7-хро-
мосом генов неодинаково, а следовательно, различаются и
размеры гомологичных участков половых хромосом/(рис. 4.11).
Специфическая часть Г-хромосомы, не имеющая гомологии с
Х-хромосомой, у всех изученных организмов генетически инертна,
т. е. содержит очень мало генов. /
4.1.9. НЕРАСХОЖДЕНИЕ ПОЛОВЫХ ХРОМОСОМ
Изучение закономерностей передачи разных признаков при
скрещиваниях и поведения хромосом в мейозе и при
оплодотворении позволило предположить, что гены находятся в
хромосомах. Еще более убедительные доказательства такого заключения
были получены в опытах по изучению сцепленного с полом
наследования при нерасхождении половых хромосом.
В опытах Бриджеса, одного из сотрудников Моргана, при
скрещивании белоглазой самки дрозофилы с красноглазым самцом
обычно, как было разобрано ранее, в Р\ все самки были
красноглазые, а самцы, получающие свою единственную Х-хромосому от
матери, — белоглазые.
Но среди 2—3 тыс. потомков от таких скрещиваний
появлялись одно-два исключения — белоглазые дочери и красноглазые
сыновья.
Для того чтобы признак белых глаз проявился у дочерей, они
должны иметь две хромосомы и обе — от матери. Красноглазые же
сыновья должны иметь одну Х-хромосому, которая может быть
получена только от отца, так как гена красноглазое™ в
материнской Х-хромосоме нет.
Бриджес предположил, что во время мейоза у матери обе Х-хро-
мосомы отошли к одному полюсу и попали либо и яйцеклетку,
либо в полярное тельце, т. е. произошло нерасхождение Х-хромо-
сом, и образовались два необычных типа яйцеклеток — с двумя
Х-хромосомами (XX) и совсем беч них ((/). После оплодотворения
сперматозоидом Хлибо К возможно образование четырех типов
зигот: XXX, XXV, Х0, ОУ (рис. 4.12).
Подтверждение предположения Бриджеса было получено при
цитологическом изучении «исключительных» особей. У
белоглазых самок кроме двух Х-хромосом присутствовала К-хромосома, а
у красноглазых самцов Г-хромосома отсутствовала.
Красноглазые самки ХХУ вполне плодовиты, но во время
мейоза Х-хромосомы чаще всего конъюгируют друг с другом и
отходят к разным полюсам, а /-хромосома в конъюгации не участвует
и распределяется случайно между дочерними клетками, в
результате чего образуется половина яиц с Х-хромосомой и
половина—с ХГ-хромосомами. В ряде случаев (до 8 %) Х-хромосома
конъюгирует с 7-хромосомой, тогда случайно распределяется вто-
169

Сверхсамка
(Обычно гибнет)
Г Г 1
Рис. 4.12. Наследование окраски глаз и определение пола при первичном
нерасхождении ЛГ-хромосом у самки дрозофилы, гомозиготной по гену, определяющему
белоглазое п., при скрещивании с красноглазым самцом (Гершензон С. М. Основы
современной генетики. — Киев, 1979. — С. 113)
170
рая Х-хромосома и образуются яйцеклетки с двумя Х-хромосома-
ми и У-хромосомой. Это явление называется вторичным
нерасхождением половых хромосом.
Нерасхождение половых хромосом бывает и у самцов
дрозофилы. В этом случае образуются два типа сперматозоидов: с ХУ-хро-
мосомами и без половых хромосом. После оплодотворения с
нормальными яйцеклетками (X) возникают самки XXVи самцы ХО.
У человека явление нерасхождеиия хромосом было
рассмотрено выше и аналогично окраске глаз у дрозофилы наследуются
признаки, сцепленные с половыми хромосомами. Но при этом
следует помнить, что у человека У-хромосома даже при наличии
нескольких Х-хромосом определяет мужской тип.
Связанные Х-хромосомы. У дрозофилы нормальная серая
окраска тела определяется доминантным геном, а желтая —
рецессивным, локализованным в Х-хромосомс. При скрещивании желтой
самки с серым самцом в Р\ все самки серые, а самцы желтые, т. е.
наследование происходит крест-накрест, как и к случае,
рассмотренном ранее на примере скрещивания белоглазой самки с
красноглазым самцом.
При скрещивании самок одной такой линии с желтым телом с
серыми самцами в потомстве всегда обнаруживали только желтых
дочерей и серых сыновей. Было высказано предположение, что
вследствие соединения двух хромосом к мейозе не происходит их
расхождения и образуются гаметы XX и без Х-хромосом, т. с.
наблюдается 100%-ное нерасхождение хромосом.
При цитологическом исследовании было показано, что в этой
линии у самок обе Х-хромосомы соединены концами друг с
другом и имеют общую центромеру, а также нсегда присутствует и
У-хромосома. Следовательно, такое специфическое наследование
окраски тела объясняется наличием так называемых связанных
Х-хромосом.
4.1.10. ОГРАНИЧЕННЫЕ ПОЛОМ
И ЗАВИСИМЫЕ ОТ ПОЛА ПРИЗНАКИ
Ограниченные полом и зависимые от него признаки
необходимо отличать от признаков, сцепленных с полом, поскольку в
отличие от последних это такие признаки, которые проявляются либо
у одного пола, либо у разных полон, по выражение их в последнем
случае различно. Гены, определяющие эти признаки, могут быть
локализованы как в половых хромосомах, так и в аутосомах.
Типичные примеры ограниченных полом признаков —
молочность и качество молока у крупного рогатого скота, яйценоскость
у птиц. Гены, определяющие развитие этих признаков, имеются и
у самок, и у самцов, но проявляются только у самок. Оценку этих
генов у самцов проводят косвенным образом по женским потом-
171

кам. По некоторым признакам отмечается разная степень
проявления (экспрессия гена) в зависимости от пола.
В качестве примера такого признака можно привести наличие
и отсутствие рогов у некоторых пород овец и крупного рогатого
скота и степень их развития (у самцов рога значительно крупнее,
чем у самок). Рогатость определяется доминантным аллелем ауто-
сомного гена Н, а комолость — рецессивным аллелем к. У самцов
Н доминирует над к, однако доминирование это неполное,
поскольку у гетерозиготных самцов Нк рога по размеру значительно
меньше, чем у гомозиготных НН. У самок аллель к наоборот
доминирует над Н, т. е. Нк — безрогие. Гомозиготные самки НН^
рогатые, но рога по размеру существенно меньше, чем у самцов.
Аналогичным образом наследуется у человека признак
плешивости, который зависит от аутосомного гена с доминантным
проявлением у мужчин и рецессивным у женщин. Поэтому у
гетерозиготных по этому гену мужчин плешивость проявляется, а у
женщин нет. У гомозиготных по доминантному гену женщин фено-
типическое проявление указанного признака значительно слабее,
чем у мужчин. Таким же образом проявляются вторичные
половые признаки у человека.
Как показали опыты с кастрацией самцов и воздействием
мужских гормонов на самок, у животных доминирование генов в
значительной степени зависит от наличия мужских половых гормонов,
поэтому у гетерозиготных самок доминирование не проявляется.
Следовательно, ограниченные полом и зависимые от пола
признаки, а также их наследование не связаны с механизмом их
наследственной передачи, и гены могут быть локализованы в любой
паре хромосом.
4.1.11. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
РАННЕГО РАСПОЗНАВАНИЯ ПОЛА
В результате изучения наследования сцепленных с полом
признаков было обнаружено, что такие признаки могут
использоваться в качестве метки для определения пола организмов и их
разделения на ранней стадии развития.
Так, в птицеводстве можно различить пол цыплят в возрасте
одних суток. Известен сцепленный с Х-хромосомой доминантный
ген В, определяющий поперечно-полосатое оперение. Он
проявляется у еще не оперившихся цыплят в виде пятна на затылке.
При скрещивании курицы, несущей в Х-хромосоме доминантный
ген, с петухом, с рецессивными аллелями, в первом поколении все
цыплята-петушки будут иметь такое пятно, а курочки будут
светлыми, поскольку они несут одну Х-хромосому от отца:
Р 9 ВУх 6
ЬУ+ 6 ВЬ.
172
В шелководстве для промышленных целей выгоднее
выкармливать самцов, коконы которых содержат больше шелка, чем у
самок, кроме того, разделение в стадии яиц важно в гибридном
шелководстве.
Японские ученые предложили оригинальный способ
разделения самцов и самок тутового шелкопряда на стадии яйца, который
был усовершенствован В. А. Струнниковым. Он основан на том,
что у тутового шелкопряда черная окраска яиц обусловлена ауто-
сомным доминантным геном Ж Имеются также линии,
гомозиготные по рецессивным аллелям с белой окраской яиц. Методом
экспериментальной перестройки хромосом фрагмент аутосомы с
геном черной окраски был перенесен в Х-хромосому, в результате
чего были получены линии шелкопряда, в которых все яйца с
женскими эмбрионами имели черную окраску, а с мужскими
белую. Их можно было разделить с помощью фотоэлектрических
автоматов. Поскольку мужские особи, гомозиготные по гену белой
окраски т\>, оказались менее жизнеспособными, впоследствии
были созданы линии, при скрещивании которых, наоборот, из
белых яиц выводятся самки, а из черных — самцы с нормальной
жизнеспособностью.
Вопросы и задания. 1. Назовите основные типы хромосомного определения
пола. 2. Почему у раздельнополых организмов при рождении соотношение по
полу обычно соответствует 1 : 1? 3. Объясните, почему при наборе половых
хромосом ХХУу дрозофилы будет женский пол, а у человека — мужской. 4. Что такое ги-
нандроморфы и интерсексы? 5. Каковы особенности определения пола у имел,
водорослей, бактерий? 6. Что такое половой хроматин и почему его обычно
обнаруживают в клетках женского организма? 7. Назовите половые формы у растений.
8. Какие типы хромосомного определения пола встречаются у растений? 9.
Объясните, почему в процессе онтогенеза соотношение по полу меняется. 10. И чем суть
нерасхождения половых хромосом?
Литература
Осипова Г. Р. Генетика развития пола и его нарушении/ Генетика. — 1996. —
Т. 32. — №2. — С. 184—191.
Сидорский А. Г. Эволюция половой организации цветковых растений. — Н.
Новгород: Волго-Вятское кн. изд-во, 1991.
Сидорский А. Г. Наследственные механизмы контроля половой
дифференциации покрытосеменных растений//Успсхи современной биологии. — 1995. — Т. 115. —
Вып. 5. - С. 535-546.
Френкель Р., Галун Э. Механизмы опыления, размножение и селекция
растений. — М.: Колос, 1982.
Чайлахян М. X. Регуляция цветения высших растений. — М.: Наука, 1988.
Чайлахян М. X., Хрянин В. Н. Пол растений и его гормональная регуляция. —
М.: Наука, 1982.
173

4.2. СЦЕПЛЕНИЕ ГЕНОВ. ПЕРЕКРЕСТ
4.2.1. ОТКРЫТИЕ СЦЕПЛЕННОГО НАСЛЕДОВАНИЯ
Вскоре после открытия законов Менделя, в 1902 г. Т. Бовери в
Германии и В. Саттон в США, независимо друг от друга, обратили
внимание на соответствие между расщеплением при
скрещивании, с одной стороны, и поведением хромосом в мейозе и при
оплодотворении — с другой. Это позволило им предположить, что
гены находятся в хромосомах. Данное предположение стало
основой для создания хромосомной теории наследственности.
В 1906 г. английские генетики У. Бетсон и Р. Пеннет в опытах
по скрещиванию душистого горошка обнаружили, что некоторые
признаки наследуются вместе, а не так, как следует из законов
Менделя, т. е. независимо. Это явление получило название
сцепления генов. В дальнейшем оно было обнаружено у всех
организмов.
Впервые сцепление было детально изучено Т. Морганом в
опытах на дрозофиле (см. рис. 4.6 и 4.7). Он убедительно показал, что
цвет глаз у дрозофилы — признак, сцепленный с полом, т. е. гены,
обусловливающие этот признак, находятся в Х-хромосомах. Это
стало первым неопровержимым доказательством справедливости
основного положения хромосомной теории наследственности:
гены расположены в хромосомах.
Законы Менделя справедливы для признаков, которые
определяют гены, находящиеся в разных хромосомах. Расщепление
9:3:3:1 в Р2 при дигибридном скрещивании и 1:1:1:1 в
анализирующем подтверждают закон о независимом
наследовании генов, определяющих разные признаки. Такое
наследование обусловлено случайным и равновероятным сочетанием
негомологичных хромосом при их расхождении в анафазе I мей-
оза и объединении в единый геном при оплодотворении. Но
каждая хромосома содержит много генов, и эти гены
наследуются совместно или сцепленно. Таким образом, все гены одной
хромосомы образуют одну группу сцепления, а число групп
сцепления у особей данного вида всегда точно соответствует
гаплоидному числу хромосом п.
Если гены сцеплены, то дигетерозиготы в анализирующем
скрещивании должны давать расщепление не на 4 фенотипичес-
ких класса, как при независимом наследовании, а только на 2,
причем эти фенотипические классы должны точно
соответствовать фенотипам родителей. Так и бывает при полном сцеплении
генов. Однако часто при скрещивании дигетерозиготы по генам,
наследуемым сцепленно, т. е. расположенным в одной хромосоме,
в потомстве появляются особи с новыми сочетаниями генов,
которые отсутствовали у родителей. Эти новые фенотипические
классы уступают по численности классам с исходными родительскими
фенотипами. Ясно, что новые сочетания генов могут возникнуть в
174
результате обмена частями гомологичных хромосом, » которых
находятся эти гены. Данное явление было названо перекрестом, или
кроссинговером.
4.2.2. ДОКАЗАТЕЛЬСТВА ПЕРЕКРЕСТА ХРОМОСОМ
Б. Мак-Клинток и Крайтон (1931) впервые показали, что при
перекресте происходит физический обмен частями гомологичных
хромосом. Для опыта по доказательству такого обмена у кукурузы
они использовали одновременно генетические и цитологические
маркеры. Девятая пара хромосом была гетероморфной. Один
гомолог был нормальный, и в этой хромосоме находился рецессивный
ген неокрашенного алейрона с и доминантный ген крахмалистого
эндосперма шх+. Другая хромосома этой пары была с утолщением
на конце одного плеча и дополнительным фрагментом на другом
плече, в этой хромосоме находился доминантный ген окрашенного
алейрона с+ и рецессивный ген восковидности тс. Результаты
анализирующего скрещивания такого растения с двойным рецесси-
вом, у которого нормальная морфология обеих хромосом 9-й пары,
приведены на рисунке 4. 13, на котором видно, что новые
сочетания генов в результате скрещивания возникли при взаимном
обмене частями гомологичных хромосом: появились хромосомы только
с утолщением и только с дополнительным фрагментом, у особей с
такими хромосомами 9-й пары был окрашенный крахмалистый и
неокрашенный восковидный эндосперм соответственно.
Аналогичные опыты были проведены К.Штерном (1931) на
дрозофиле. Для доказательства кроссинговера он использовал
самок с гетероморфными половыми хромосомами: одна из Х-хромо-
сом была сильно укорочена, а другая имела форму буквы Г за счет
дополнительного участка из У-хромосомы. Укороченная Х-хромо-
сома несла рецессивный ген коричневой окраски глаз сг и
доминантный ген полосковидной формы глаз Ваг. Г-образная
хромосома содержала нормальные, немутантные аллели этих генов:
доминантный ген красноглазости сг+ и рецессивный ген обычных
круглых глаз Ваг+.
Таких дигетерозиготных самок скрещивали с самцами, у
которых единственная Х-хромосома несла два рецессивных гена: сг и
Ваг+. Все три Х-хромосомы морфологически и генетически
отличались друг от друга. Так как Г-образная Х-хромосома была
похожа на Г-хромосому самцов и их можно было перепутать,
анализировали только самок. Схема скрещивания и его результаты
представлены на рисунке 4.14. В потомстве было 4 фенотипических
класса самок. Два класса значительно преобладали по
численности, а мухи, составляющие эти классы, несли исходные сочетания
генов: сгВаг у самок с коричневыми полосковидными глазами и
сг+Ваг+ у красноглазых круглоглазых мух. Ясно, что у мух, состап-
ляющих эти классы, Х-хромосомы матери не изменились, а дна
'' ' 175

».*»"]■■'• С1
С*
Окрашенный
крахмалистый
X
Неокрашенный
Восковидный
Некроссоверные Кроссоверные
■и/х
Неокрашенный
крахмалистый
Окрашенный
крамалистый
Окрашенный
босковидный
Неокрашенный
босковидный
Рис. 4.13. Цитологическое доказательство кроссинговера у 2еа тауу.
с+ — окрашенный эндосперм; с — неокрашенный; кх+ — крахмалистый; »х— восковидный
других фенотипических класса, сильно уступающие по
численности первым, были с новыми сочетаниями генов: сг+Ваг у мух с
красными полосковидными глазами и сгВаг+ у мух с коричневыми
и круглыми глазами.
Предположили, что мухи, образующие эти малочисленные фе-
нотипические классы, возникли при оплодотворении яйцеклеток,
в которых произошел обмен частями двух гетероморфных
Х-хромосом. Цитологический анализ мух четырех фенотипических
классов показал, что общей у всех мух была только одна нормальная
Х-хромосома, полученная самками от отца, а вторая Х-хромосома
у самок каждого фенотипического класса была особой. Так, у
самок с коричневыми полосковидными глазами вторая Х-хромосома
была укороченной, у самок с красными нормальными глазами —
Г-образной формы, у самок с коричневыми нормальными
глазами — нормальной и не отличалась от отцовской Х-хромосомы, а у
мух с красными полосковидными глазами — состояла из двух
коротких плеч. Получилось, что в двух фенотипических классах с
исходным сочетанием генов материнская Х-хромосома точно
соответствовала одной из двух гетероморфных Х-хромосом матери:
или укороченной, или Г-образной. Мухи двух малочисленных фе-
176
Без кроссинговера
Кроссинговер
Рис. 4.14. Цитологические доказательства кроссинговера дрозофилы:
В+— круглые глаза; В — полосковидные глаза; сг+— красные глаза; сг — коричневые глаза
(Штерн из кн.: Гершензон С. М. Основы современной генетики. — Киев, 1979. — С. 134)
нотипических классов рекомбинантов были с новыми по
морфологии типами материнских Х-хромосом: длинной палочковидной
или с двумя короткими плечами. Поскольку новые типы Х-хромо-
сом могли образоваться только в случае обмена частями между ге-
тероморфными Х-хромосомами матери, эти цитологические
данные подтверждают, что в основе кроссинговера лежит физический
обмен частями между хромосомами.
177

4.2.3. ЦИС-, ГРУШС-ПОЛОЖЕНИЕ СЦЕПЛЕННЫХ ГЕНОВ
АНАЛИЗ ИХ РАСЩЕПЛЕНИЯ В Р2
При анализе ди- и полигибридных скрещиваний не имеет
значения, в какой из двух гомологичных хромосом находятся гены
изучаемых признаков. Но при сцеплении сочетания генов в
гомологичных хромосомах родителей меняют картину расщепления на
прямо противоположную. Так, дигетерозигота АаВЬ при
независимом наследовании образует гаметы АВ, АЬ, аВжаЪ с одинаковой
частотой, в равном соотношении; расположение генов в
материнских или в отцовских хромосомах значения не имеет.
При сцепленном наследовании ситуация меняется. Если от
одного из родителей получена хромосома с генами АВ, а от
другого—с аЬ, то некроссоверные гаметы с АВ и аЬ будут составлять
большую часть, а кроссоверные гаметы АЬмаВ — меньшую часть.
Но если у дигетерозиготы от одного из родителей будет хромосома
с генами АЬ, а от другого — с генами аВ, то численное
соотношение гамет разных классов изменится на противоположное: нере-
комбинантные, некроссоверные гаметы АЬ и аВ будут составлять
большую часть гамет, а рекомбинантные, кроссоверные гаметы АВ
жаЪ — меньшую. Таким образом, принципиально важно, в каких
хромосомах находятся гены изучаемых признаков.
Для обозначения гомологичных хромосом при сцеплении
генов принято записывать генотип в виде натуральной дроби,
числитель и знаменатель которой соответствует двум родительским
гомологичным хромосомам, из которых одна отцовская, а другая
материнская. Если у гетерозиготы доминантные гены находятся в
одной гомологичной хромосоме, а рецессивные в другой, такое
положение генов принято называть цис-положением, если в
хромосоме одновременно находятся и доминантные, и рецессивные
гены, то транс-положением:
АВ
аВ
—-цис- положение —-транс -положение.
аЬ АЬ
При перекресте сразу возникают два новых, рекомбинантных
типа гамет и их численность почти одинакова. Продукты кроссин-
говера — гаметы, споры и зиготы, в которых сцепленные гены
находятся в новых сочетаниях по отношению к исходным,
родительским, сочетаниям, называются кроссоверными. Этот термин
позволяет отличать рекомбинанты, возникшие при кроссинговере, от
рекомбинантов, которые появляются в результате независимого
расхождения хромосом в мейозе и при их независимом и
равновероятном сочетании в момент образования зигот.
Анализ сцепления генов у различных организмов показал что
частота кроссинговера между двумя сцепленными генами —
величина, характерная для данной конкретной пары генов. Для разных
178
пар генов частота кроссинговера неодинаковая, но всегда вполне
определенная для каждой пары генов.
Частота кроссинговера не зависит от того, в цис- или в транс-
положении находятся сцепленные гены в гомологичных
хромосомах. Примером служат данные анализирующих скрещиваний у
кур двух дигетерозигот по генам окраски оперения и роста.
Доминантный ген 5 обусловливает серебристое оперение, а его
рецессивный аллель 5 не дает серебристости, доминантный ген /)и>
определяет нормальный рост птиц, а его рецессивный аллель йм> —
карликовость. При анализирующем скрещивании дигетерозигот
и дигетерозигот
с рецессивными дигомозиготами
51т зау/
доля кроссоверных особей в потомстве оказалась практически
одинаковой (табл. 4.3). Это означает, что кроссинговер между
изучавшимися генами в обоих случаях происходил с одинаковой
частотой.
4.3. Результаты анализирующих скрещиваний петухов
с курами -г-
(Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. — М., 1987. — Т. 1. — С. 141)

Анализируемые
гетерозиготы
Потомство
Всего
Серебристые
крупные

Несеребристые
карликовые

Несеребристые крупные
Серебристые
карликовые

Кроссинговер, %
304
382
153
12
127
12
13
184
11
174
7,9
6,3
Анализирующее скрещивание позволяет сразу определить
частоту кроссинговера по доле кроссоверных классов к потомстве: эта
доля соответствует частоте кросеишовера. По бывает, что частоту
кроссинговера необходимо определять по расщеплению в Р2-
Именно при анализе 7^ был обнаружен первый случай сцепления генов
у душистого горошка.
У горошка фиолетовая окраска цветков определяется
доминантным геном Р, а красная — рецессивным аллелем р.
Доминантный ген Ь вызывает образование овальной пыльцы, а
рецессивный ген /—круглой. При анализе каждого признака по
отдельности в Г2 происходило расщепление 3:1, что
соответствовало менделевскому расщеплению. Но при анализе дигибридного
скрещивания отклонение в соотношении численности фенотипи-
ческих классов от ожидаемого при независимом комбинировании
(9:3:3:1) было очень сильным. Несоответствие наблюдаемого рас-
179

щепления ожидаемому при независимом наследовании было
вызнано сцеплением генов Ри Ь, рекомбинантные гаметы возникали
у гибридов Рх только в случае кроссинговера.
На основании результатов Р2 частоту кроссинговера р
вычисляют х по формуле
пх2 - {Щ -
пх {Щ 2КХ - 2К2 - Щ)х - 2#2 = О,
где N1 — число особей с фенотипом АВ; Ы2 — число особей аЬ\ Я{ — число особей АЬ;
К2 — число особей аВ; п — общая численность Рг.
Частота кроссинговера (р) в долях единицы равна 1 — л/х , если
исходное скрещивание ААВВ х ааЪЬ, и равна ^х, если исходное
скрещивание ААЪЪ х ааВВ. Подставляя в формулу данные по
численности фенотипических классов из таблицы 4.4, получаем, что
кроссинговер между Ря Ь идет с частотой р = 0,122 + 0,004, или
12,2 ±0,4%.
4.4. Расщепление по окраске цветков и форме пыльцы у душистого горошка
рт
в потомстве от самоопыленных гетерозиготных растений Ру (генотип — )
р1
(Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. — М., 1987. — Т. 1. — С. 142)
Численность
растений Р1
Фактическая
численность
Ожидаемое
отношение
Ожидаемая
численность
Фиолетовые,
овальная
4831
9/16
3910,5
Фиолетовые,
круглая
390
3/16
1303,5
Красные,
овальная
391
3/16
1303,5
Красные,
круглая
1338
1/16
434,5
Всего
6952
1
6952
4.2.4. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ КАРТЫ
Впервые генетическая карта хромосомы была построена для
Х-хромосомы дрозофилы в 1911г. Стертевантом. Сначала были
обнаружены мутации, сцепленные с полом, поэтому стало ясно,
что гены, ответственные за эти признаки, находятся в Х-хромосо-
ме. При скрещиваниях между линиями, несущими разные
мутации в Х-хромосоме, было легко установить кроссоверы и
определить их долю в потомстве Е2, поскольку самцы всегда гемизиготны
по Х-хромосоме и по их фенотипу можно было сразу выяснить
генотип. Оказалось, что частота рекомбинации в разных парах генов
зависит от того, какая это пара генов, какие именно гены
составляют эту пару. Стертевант понял возможность использования
данных по частоте рекомбинации между отдельными парами ге-
ков для построения модели или карты Х-хромосомы. Он первый
использовал долю рекомбинантов в качестве критерия удаленнос-
180
о 0,01
•К'
0,31 0,34
0,58
т
Рис. 4.15. Первая генетическая карта Л'-хромосомы 2). те1апо§а$тег. Обозначены гены
уеИоу/, ь>М1е, уеггпШоп, тШаШге и гиНтепШгу. Ген уепоу/ выбран как точка отсчета
(Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. — М., 1988. — Т. 1. — С. 135)
ти сцепленных генов друг от друга. На первой карте хромосомы
было нанесено 5 генов (рис. 4.15).
На основании данных, полученных при сравнении частот
рекомбинации между генами в таблице 4.5 Стертевант построил
первую карту в виде прямой. Эта карта отражала, что
• гены локализованы в одной хромосоме,
• гены расположены в хромосоме линейно,
• гены находятся на определенном расстоянии друг от друга,
которое точно соответствует проценту перекреста (кроссинговера)
и равно доле кроссоверных особей в потомстве анализирующего
скрещивания Ра.
4.5. Частота рекомбинации между некоторыми сцепленными с полом мутациями
Огозоркпа те1апо§амег (8гиг(еуап1 А. Н., 1913. — 3. Ехр. 2оо1., 14, 43)
Гены
Частота рекомбинации
УеИст (у) — юкИе (у/)
Уепом/ (у) — уегтйюп (V)
Уе11оц> (у) — тШаШге (т)
УегтШоп (у) — тШаШге (т)
\УкИе (у/) — уегтпюп (у)
ЦЪНе (ц>) — т'т'юЫге (т)
Ц%Ие (м>) — гиШтепШгу (г)
УегтШоп (у) — гиШтепШгу (г)
0,010
0,322
0,355
0,030
0,300
0,327
0,450
0,269
Сравнивая частоты рекомбинации по каждой паре
проанализированных генов в таблице 4.5, Сто рте лапт точно определил их
взаимное расположение, указанное к его первой генетической карте
(см. рис. 4.15).
В настоящее время 1 % частоты рекомбинации называется в
честь Т. Моргана сантиморганидой (сМ), и она определяет
масштаб генетической карты. Для Х-хромосомы дрозофилы положение
гена уе11ом> условно принято слепа (0), а положение остальных
генов оценивают по сумме частот рекомбинации между соседними
генами. Поэтому на генетической карте Х-хромосомы дрозофилы
расстояние между генами уеИом и гисИтепгагу составляет 0,58 сМ, а
у некоторых хромосом других видов может превышать и 100 %.
Это означает, что судить о частоте кроссинговера по карте можно
только у генов, расположенных вблизи друг от друга. Если гены
расположены довольно далеко, наблюдаются отклонения от
прямо пропорциональной зависимости между частотой кроссингове-
■; 181

ра и расстоянием, разделяющим эти гены на генетической карте.
Благодаря такому подходу в настоящее время составлены
генетические карты для многих организмов. Первоначально на карты
наносили преимущественно гены морфологических признаков, а
в дальнейшем эти карты были значительно обогащены генами
разнообразных биохимических мутаций (рис. 4.16).
Для проверки соответствия расположения генов на
генетической карте по данным кроссинговера их реальному физическому
положению в хромосомах были использованы два метода.
В первом из них применяли разрывы в концевом участке
хромосомы у особи, являющейся доминантной гомозиготой. При
гибридизации с рецессивной гомозиготой рецессивные гены последней
оказывались в гемизиготном состоянии. В Ру особей с нехваткой
по генам А—В— С, фенотипически проявляющих ген с,
обязательно проявляются и гены а и Ь, а у особей с рецессивным признаком
Ъ — рецессивный признак а. Таким образом, показывают, что
последовательность этих трех генов с конца хромосомы соответствует
их расположению на генетической карте, построенной по
результатам расщепления.
Второй метод основан на сравнении длины метафазных
хромосом с делециями внутри какого-либо плеча с расстояниями на
генетической карте. Использование этого метода особенно
целесообразно при работах на двукрылых, у которых есть гигантские
политенные хромосомы в ядрах клеток слюнных желез.
Топография политенных хромосом, основанная на строгом и
специфическом чередовании дисков и междисковых участков, позволяет
точно установить локализацию конкретных генов на
цитологической карте.
Результаты использования обоих описанных методов
подтверждают данные генетических карт: порядок генов и относительные
расстояния между ними на цитологических картах им
соответствуют. Но полного совпадения расстояний между генами при
сравнении этих двух типов карт нет. У разных организмов крос-
синговер идет по длине хромосомы неодинаково. Так, у
дрозофилы он затруднен в прицентромерном районе, а у сумчатого гриба
подоспоры проходит с повышенной частотой. В кольцевой
хромосоме бактериофага Т1 кроссинговер затруднен в середине
хромосомы. Во всех этих случаях происходит искажение расположения
генов на генетических картах при их сравнении с
цитологическими картами. Там, где кроссинговер подавлен, расстояние между
генами искажается в сторону увеличения и наоборот. То есть
генетические карты, построенные по результатам расщепления, отра-
Рис. 4.16. Неполная карта генома ПгоюрНИа теЫпо&аЫег. Первая хромосома —это
-У-хромосома (Мог$>ап Т. N. ТЬе ТЬеогу оГ 1Ье Сепе, Уа1а 11шуег$11у Ргекз, N6^ Науеп,
Сопп., 1926)
182
[0,0 уеНои/
л0,± Наргу
[0,± зси1е
!0311Н1
IV
,5 гиЬу
- -^^13,7 СГО55у'|е55
017^+аеИех
и1
шоай
1,0 ргипе
34: N0(011
,5 АЬпогта!
5,5 есЫпиз
"27,5 *ап
27,7 |О2епде
33,0 уегтШоп
—36,1
- -^36,2
38,± (иггом/ей
43,0 заЫе
—44,4 дате*
/54,2 зта11-\л/тд
/^-54,5 гий1теп(агу
" ' ^56,5 *огкес1
= :^_57,0 Ваг
= :;—58,5 5та11-еуе
" "\Г-59,0 »изеа
- -ХХ59,6 Веас1ех
'ч62,±М|пи4е-п
Ч65,0 с1е«
~-70,0ЬоЬЬеЬ
35,0 5к1-Н
^ 46,± Мти1е-е
- 48,5 Ыаск
- 48,7
0,0 1е1едгарЬ
2,0 51аг
3,±
12,±Ои11
13,0±Тгипса1е
14,0 ± йасЬзоиз
16,0±5(геак
54,5 ригр1е
57,5 аппаЬаг
60,+ 5а*гап|п
67,0 д
68,± 1е1е5соре
72,0 ЬоЬе
74,±дар
75,5 сип/ес*
83,5 »гтд
90,0 Иитру
99,5 агс
100,5 р1ехиз
102,± 1еШа1-Иа
105,0 Ыо\«п
105,+ ЬМ5»егес1
106,+ ригр1ео1с)
107,+ тоги1а
107,0 зреск
107,5 ЬаНооп
20,
0,0 Ьеп1
0,5± зЬауеп
0,9 еуе1еаз
26,0 г,ср|а
26,!)
,35,0 газе
/.16,5 сгпат III
/40,1 МшиШ'Н
'40,7 НИ
"0,4 №:1ьш1и
.-^46,Ь Кк| III
: -47,5 Г)«1о|щи
~~ 4Я,0 р|пк
\~49,7 п|.1пн)п
М 50,1
1 50,0
54,2 Нв1гу-Ш1пд вир.
58,2 8(иЬЫе
58,5 8р1по1еав
Г8,7 ЫИюгах
9,Ь Ы1Ы>гпх-Ь
?0
\69,5 На1г1в»в
у70,7 «Ьопу
72,0 Ытс!
^75,7 согс1та1
76,2 \«Ы1е-осе11|
91,1 гоидИ
93.0 сгитрЫ
93,8 Веааей
94.1 Рот(ес)
100,7 с1аге{
101,0 Мти«е
- - 106,2 Мти1е-д

жают порядок расположения генов точно, но расстояния между
ними соответствуют расстояниям на цитологических и
физических картах только приближенно. Место, которое занимает ген на
карте или в хромосоме, принято называть локусом, в локусе может
быть любой из аллелей данного гена.
4.2.5. ДВОЙНОЙ И МНОЖЕСТВЕННЫЙ КРОССЙНГОВЕР.
ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ
Кроссинговер может одновременно происходить в двух и в
нескольких точках гомологичных хромосом. Рассмотрим продукты
ЛВС _
меиоза — гаметы, которые дает тригетерозигота Самая
большая часть гамет будет представлена исходными,
родительскими сочетаниями генов: при отсутствии кроссинговера — АВС и аЬс.
При кроссинговере между генами А к В возникнут еще два типа
гамет: АЬс и аВС, а при кроссинговере между генами В и С
появятся гаметы типов АВс и аЬС. Доли этих четырех типов гамет будут
меньше, и они будут отражать расстояния между
соответствующими парами генов. Если же эти два кроссинговера произойдут
одновременно в одной и той же паре гомологичных хромосом, то
такой кроссинговер будет двойным, и он даст самые малочисленные
типы гамет: АЬС и аВс. Двойные кроссинговеры необходимо
учитывать при анализе данных по расщеплению в анализирующем
скрещивании, так как в каждом двойном кроссинговере есть
рассматриваемый одинарный кроссинговер. При отсутствии такого
учета расстояние между генами на генетической карте окажется
искаженным в сторону уменьшения.
Рассмотрим наследование трех сцепленных генов у китайской
примулы. Доминантный ген Ь определяет длинный пестик, его
рецессивный аллель / — короткий, доминантный ген К дает ярко-
красную окраску венчика, а рецессивный ген г— темно-розовую,
доминантный ген 5 обусловливает зеленую окраску рыльца
пестика, а рецессивный аллель 5 — красную.
В таблице 4.6 приведены данные по расщеплению при анали-
зирующем скрещивании тригетерозиготы
с рецессивной
тригомозитотой, на их основании можно заключить, что частота
кроссинговера между генами Ь и К равна 9,2 + 2,5 = 11,7, а между
генами Км 8— 31,5 + 2,5 = 34,0. То есть на генетической карте ген 8
должен находиться на расстоянии 11,7 + 34,0 = 45,7 от гена Ь.
Если бы данные по двойному кроссинговеру остались
неучтенными, то расстояние между этими генами на карте должно было быть
9,2 + 31,5 = 40,7.
184 ' .;::• '.; ■"' ,^ ■ •"•■■ '
4.6. Результаты, полученные при анализирующем скрещивании гетерозиготных
растений —=— с гомозиготными рецессивными -—
(Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. — М., 1987. — Т 1. — С. 150)
Численность
растений Рг
Фиолетовые,
овальная
Фиолетовые,
круглая
Красные,
овальная
Красные,
круглая
Всего
Некроссоверные
Одиночный кроссинговер
К
/га
1063
1032
2095
между 1,я К
Одиночный кроссинговер
между К и 5
Двойной кроссинговер между
Ь и К и между К и 5
~Ш
/ЛУ
~Ш
1га
ЬгЗ
156
180
634
526
39
336
56,8
9,2
1160 31,5
93
2,5
1Г5
54
Всего
3684 100
Между гомологичными хромосомами могут происходить не
только одиночные и двойные, ио и тройные, четверные и
множественные перекресты. Любое четное число перекрестов между
двумя генами не приводит к появлению рекомбипаптов по этим генам,
а любое нечетное дает рекомбинаиты. Оказалось, что
произошедший в одном месте перекрест часто чатрудняет одновременные
перекресты в ближайших участках данной хромосомы: про-
исходит интерференция. Таким образом, интерференция снижает
частоту кроссинговера, которую можно рассчитать теоретически, как
произведение вероятностей (частот) двух независимых
перекрестов _ одинарных. В случае с примулой теоретически ожидаемая
частота двойного перекреста составляет (9,2 + 2,5) х (31,5+ 2,5) = 4,0
или 4 %. Однако по данным, представленным в таблице 4.6, то
есть фактически, двойной кроссинговер дает только 2,5 % всего
потомства данного скрещивания и причиной снижения частоты
185

причиной снижения частоты двойных обменов является
интерференция (Г). Значение интерференции принято обозначать
коэффициентом коинциденции С (совпадения) и рассчитывать по формуле
С =
Фактическая частота двойного кроссинговера
Теоретически ожидаемая частота двойного кроссинговера
В случае с тремя сцепленными генами китайской примулы число-
2,5
вое значение коэффициента коинциденции составляет ~гт: = 0,62.
Данная величина (коэффициент коинциденции) специфична для
разных видов, хромосом одного и того же вида, а иногда и участков
одной и той же хромосомы. Так, у дрозофилы коинциденция на
расстоянии менее 10 М полная, т. е. коэффициент интерференции
равен 0. Это означает, что если гены находятся на таком расстоянии
или ближе друг к другу, двойные обмены вообще не происходят.
Чем больше расстояние между генами, тем меньше
интерференция и тем выше коэффициент коинциденции: /= 1 — С. У
дрозофилы при расстоянии между генами более 35 % интерференция
отсутствует, а коэффициент коинциденции достигает наибольшего
значения — 1, т. е. фактическая частота двойного кроссинговера
совпадает с теоретически ожидаемой. Сходным образом сила
интерференции меняется у большинства других организмов, но у
некоторых, например сумчатых грибов, интерференция не
наблюдается вообще.
При составлении генетических карт стараются учитывать
частоты рекомбинации между генами, которые находятся близко друг
от друга. Это позволяет избежать искажений, неизбежных при
двойных и других четных перекрестах между локализуемыми
генами, так как процент рекомбинантов часто бывает меньше
указанного на генетической карте. Именно из-за четных перекрестов,
которые нельзя учесть без промежуточных маркерных генов
между крайними генами — фланговыми маркерами, расстояния на
генетических картах превышают 50 единиц кроссинговера —
наибольшее теоретически возможное значение, которое соответствует
уже не сцепленному наследованию, а независимому.
В некоторых случаях рекомбинация служит дополнительным
доказательством того, что кроссинговер происходит в течение
мейоза. Если в одной из гомологичных хромосом есть удвоение
небольшого участка и он расположен сразу за исходным, т. е. тан-
демно, в мейозе осуществляется неравный кроссинговер. Примером
такого кроссинговера служит соответствие выраженности
признака полосковидных глаз Ваг у дрозофилы и строения
участка ЛГ-хромосомы, в котором находится этот ген. Редко, с частотой
1 на 1600 особей, в потомстве самок Ваг от скрещивания с такими
же самцами появляются мухи с нормальными глазами и так назы-
186
ваемые сверх-Ваг (ультра-5дг), у которых полоски с фасетками
еще меньше. На политенных хромосомах этих особей установили,
что в случае сверх-Ваг в Х-хромосоме есть тандемная дупликация
соответствующего района — Ваг, т. е. строго симметричное
положение гомологичных хромосом в биваленте в профазе мейоза иногда
нарушается, и это приводит к неравному кроссинговеру.
В результате неравного кроссинговера не только образуются
новые комбинации сцепленных генов, как при обычном кроссин-
говере, но и качественно меняются сами группы сцепления: в
одной из гомологичных хромосом число генов увеличивается, а в
другой одновременно с этим сокращается. Скрещивание мутантов
по гену Ваг демонстрирует это весьма убедительно. Таким
образом, неравный кроссинговер является дополнительным
источником генетической изменчивости.
4.2.6. ТЕТРАДНЫЙ АНАЛИЗ
На генетических картах высших растений и животных
расстояния между генами соответствуют доле рекомбинантных особей в
потомстве, т. е. организмов, развившихся из диплоидных зигот
после оплодотворения. Однако непосредственным продуктом
кроссинговера являются гаплоидные рекомбинантные гаметы или
споры, и для строгого доказательства соответствия рекомбинантных
зигот кроссоверным гаметам и спорам надо анализировать
результаты кроссинговера непосредственно по продуктам мейоза.
Впервые это было осуществлено на хлебной плесени {Ыеигоарога
сгазза), у которой 7 групп сцепления.
Жизненный цикл этого гриба (рис. 4.17) состоит из
нескольких стадий. При половом спороношении 2 ядра из разных ми-
целиев оказываются в одной клетке и образуют дикарион. Затем
они сливаются, и при этом возникает диплоидная зигота,
которая сразу вступает в мейоз. Эти события происходят в особом
органе — перитеции, где после мейоза и одного митотического
деления образуются десятки сумок с гаплоидными аскоспорами.
Поскольку у хлебной плесени гетероталлизм, т.е.
самостерильность мицелиев, на любом гаплоидном мицелии в перитециях
будут сумки с аскоспорами, появившимися в результате
скрещивания (спаривания).
Мейоз у хлебной плесени имеет важную особенность:
продольная ось веретена делений всегда совпадает с продольной осью
сумки. Поэтому споры в сумке расположены цепочкой, а так как
после мейоза сразу идет митоз, в каждой сумке оказывается 4 пары,
или 8 аскоспор. Анализ расщепления по аскоспорам дал
непосредственные доказательства того, что перекрест и расщепление
происходят в мейозе; так как после мейоза образуется тетрада
гаплоидных спор, сам анализ называют тетрадным. Каждую ас-
' ' . . 187

с, Конидия
Гифы
(тип
скрещиваемости
А (л))
Гифы
{тип
скрещиваемости
а (л))
Аскоспоры после митоза (л)
Рис. 4.17. Жизненный цикл Меигохрога; показан механизм линейного упорядочения
аскоспор (АйалаФ., КайгерДж. Современная генетика. — М., 1987.—Т. 1.—
С. 141)
коспору из сумки можно выделить, вырастить из нее на
питательной среде гаплоидный мицелий и определить любые
наследуемые признаки.
При моногибридном скрещивании ожидаемое расщепление по
спорам 2А: 2а, или 1:1. На рисунке 4.18 видно расщепление по
одной паре аллелей, которая определяет скорость созревания
аскоспор. В каждой сумке (аске) видны 4 зрелые, а потому окрашенные
споры {А), и 4 незрелые неокрашенные (а). То есть расщепление
соответствует теоретически ожидаемому 1:1, а порядок
расположения спор в сумке по отношению к основанию перитеция строго
зависит от расхождения гомологичных хромосом в анафазе I мейоза,
и может быть либо ААААаааа, либо ааааАААА. Наличие в сумке
иного расположения аскоспор служит прямым доказательством
188
Рис. 4.18. Расщепление по одной
паре аллелей, определяющих созревание
аскоспор у Меигозрога:
темные споры — созревшие; светлые
споры — незрелые; стрелками указаны аски,
в которых прошел кроссинговер (Лоба-
шев М. Е. Генетика. — Л., 1969. — С. 252)
перекреста между двумя
гомологичными хромосомами,
который произошел между
локусом изучаемого аллеля и
центромерой. При этом
последовательность спор в сумке
будет зависеть от
расхождения рекомбинантных
гомологичных хромосом в
анафазе I и рекомбинантных
хроматид в анафазе II и может
быть: ААааААаа, ааААааАА,
ааААААаа, ААааааАА. Но если перекрест произойдет не между
центромерой и данным локусом, а между локусом и противоположным
теломером, обнаружить его этим методом будет невозможно.
Таким образом, особенности полового спороношения хлебной
плесени позволяют определить локус гена в любой из 7 групп
сцепления по расщеплению даже одной пары аллелей, что у
диплоидных организмов сделать невозможно. Тетрадный анализ
доказывает, что кроссинговер, как и менделевское расщепление,
определяется закономерностями мейоза.
4.2.7. ЦИТОЛОГИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ КРОССИНГОВЕРА
Для того чтобы произошел кроссингопер, обмен еоответствую-
щими друг другу участками гомологичных хромосом, они должны
быть расположены вплотную друг к другу. Именно так и
располагаются в норме все гомологичные хромосомы и мейозе па стадии
профазы I (см. раздел 1.3). Клетка перед мейочом проходит
синтетический период, и объем ДНК составляет 4С. Таким образом, в
мейоз вступают диплоидные клетки 2п4С\ в которых есть обе
гомологичных хромосомы и каждая состоит из двух сестринских
хроматид. Результаты расщепления в опытах с хлебной плесенью
убедительно подтверждают этот факт: если бы кроссинговер
происходил на стадии двух хроматид, то при этом в каждой сумке
были бы только кроссоверные аскоспоры, что в действительности
не наблюдается. В сумке с кроссоверными спорами всегда
находится равное число некроссоверных, т. е. кроссинговер во всех
парах хромосом происходит на стадии 4 хроматид, и в каждом акте
обмена участвуют только 2 несестринские хроматиды.
При множественных кроссинговерах может происходить смена

хроматид, обменивающихся своими частями, но в отдельном
событии перекреста всегда участвуют только две хроматиды.
У хлебной плесени последовательность спор в аске позволяет
выявить 4 типа двойных кроссоверов (рис. 4.19). Существование
сумок с таким расположением спор, которое соответствует крос-
синговеру, захватывающему 3 или 4 хроматиды одновременно,
доказывает, что он происходит на стадии 4 хроматид. Кроме того,
возникающие в результате кроссинговера рекомбинантные типы
являются реципрокными.
С генетическими данными полностью совпадают
цитологические. Как отмечалось ранее, именно соответствие поведения
хромосом в мейозе расщеплению у потомства послужило толчком к
развитию хромосомной теории наследственности и объяснению
сцепленного наследования признаков.
Еще в 1909 г. Ф. Янсенс высказал предположение, что
гомологичные хромосомы меняются своими участками в районах хиазм,
однако он считал, что хиазмы являются предпосылкой такого
обмена. Работы С. Дарлингтона показали, что хиазмы являются не
предпосылкой, а следствием обмена частями хроматид, этот вывод
детально обоснован им в теории хиазмотипии.
Кроме того, Дарлингтон (1934) установил, что средняя частота
хиазм на определенный бивалент никогда не превышает среднее число
перекрестов в данной группе сцепления. Пионерские работы С.
Дарлингтона продолжили на остроумных цитогенетических моделях
Б. Мак-Клинток и ее коллеги. Они показали, что средняя частота
хиазм очень близка к среднему числу обменов у кукурузы, а у лилии
совпадает с ним. То, что хиазмы являются результатом перекреста, а
не скручивания, которое может обеспечить перекрест, или быть
вообще артефактом, убедительно показано при изучении мейоза у
объектов с четко различимыми гетероморфными гомологичными
хромосомами. Современные цитологические данные также
подтверждают теорию хиазмотипии: установлено, что хиазмы состоят из белка,
входящего в состав боковых элементов синаптонемного комплекса.
Сейчас методы молекулярной цитогенетики позволяют
составлять точные карты по хиазмам отдельных хромосом. Так, Хальтен
(1995) построил хиазменную карту Х-хромосомы мыши. Размер
этой карты почти полностью совпал с размером карты,
построенной по расщеплению в потомстве. М. Санчес с сотрудниками
(2001) использовал флуоресцентную гибридизацию т кип (Р18Н)
мейотических хромосом арабидопсиса с рибосомными генами 45*5*
РН К и 5.5" РНК и установил полное совпадение размеров хиазмен-
ных и классических генетических карт. Важно, что данная работа
выполнена на полностью отсеквенированном объекте. Как показал
А. Кристейн (2002), бивалент представляет собой отличную
модель для микрохирургии и хромосомного картирования. Д. Герлих
(2003) проанализировал распределение хромосом в ядрах
дочерних клеток т У1УО и подтвердил существование у эукариот
конфигураций Рабля, которые К. Рабль выявил еще в 1885 г. Н. Копена-
190
Двойной кроссинговер, захватывающий
две хроматиды
А В А 8
Порядок
аскоспор
Двойной кроссинговер, захватывающий
три хроматиды
(3
Первое а
деление
В
Двойной кроссинговер, захватывающий
три хроматиды
А В А Ь
Двойной кроссинговер, захватывающий
четыре хроматиды
А В А Ь
АЬ
АЬ
В Мито\ аЬ
* ЛВ
В А§
Второе
деление
О., _.
_4—.
Рис. 4.19. По последовательности спор в аскс можно выделить четыре типа двойных
кроссоверов (Акала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. — М., 1987. — Т. 1. — С. 143)
вер (2000) открыл мутацию квартет (дг(), позволяющую вести
тетрадный анализ у высших растений. Эти факты вместе с
совершенствованием росписи хромосом при гибридизации с меченой
ДНК полной хромосомной библиотеки, развитием лазерной
микротехнологии, амплификацией ДНК ш 8Йи сразу с
несколькими праймерами обещают стремительный прогресс в этой
области генетики.
191

4.2.8. МИТОТИЧЕСКИЙ КРОССИНГОВЕР
Еще в 1916 г. цитологи иногда наблюдали в профазе митоза
соматических клеток конъюгацию отдельных гомологичных
хромосом. Были описаны конфигурации, очень похожие на хиазмы, но
редукции числа хромосом при этом не происходило. Затем были
накоплены генетические данные по изменчивости некоторых
признаков в онтогенезе у гетерозигот, преимущественно на
эмбриональных стадиях развития. Первое сообщение о митотическом
кроссинговере сделал А. С. Серебровский. В 1925 г. им
опубликована статья об особенностях развития оперения у гибридов от
межпородного скрещивания кур плимутрок с орловскими.
Появление в оперении у гибридов исключительных перьев
Серебровский рассматривал как результат «соматического расщепления»
после митотического кроссинговера. Позже К. Бриджес наблюдал
мозаицизм по признакам тела и глаз у самок дрозофилы,
гетерозиготных по генам, находящимся в Х-хромосоме. Для точного
установления митотического кроссинговера К. Штерн (1936) брал
самок дрозофилы, /и^онс-гетерозиготных по гену желтой окраски
тела у и гену опаленных щетинок т+: у хп+/у+ зп~. В случае
перекреста на стадии профазы митоза между локусом гена зп и
центромерой и расхождения в следующем митозе рекомбинантных хро-
матид к противоположным полюсам деления (рис. 4.20) в
соматических тканях на теле мух появляются так называемые
«близнецовые» мозаичные пятна: желтые с обычными прямыми щетинками
и серые с опаленными щетинками. Если перекрест происходит
между генами ж и у, то появляются одиночные желтые пятна.
Но так как эти гены расположены в Х-хромосоме близко друг к
другу, такие пятна появляются очень редко. Еще реже желтые
пятна на теле /и/7йнс-гетерозиготных самок будут появляться в
результате двойного кроссинговера.
М. Джонсон исследовал митотический кроссинговер на
кукурузе. В яг/7анс-гетерозиготных зерновках кукурузы сходные пятна
можно обнаружить в алейроновом слое, при митотическом
кроссинговере между локусом гена с+ и центромерой: на
незначительном участке зерновки соседствует яркое пятно с насыщенной
окраской и неокрашенное пятно; близнецовые мозаичные пятна
всегда примерно одинакового размера.
Обязательное условие митотического кроссинговера — наличие
тесной конъюгации гомологичных хромосом на стадии профазы
митоза, когда клетки находятся в состоянии 2л4С. Вероятность
этого низка, поэтому частота митотического кроссинговера в
тысячи раз меньше мейотического у этих же видов между теми же
локусами. Однако данные митотического кроссинговера очень
важны для локализации генов у видов, для которых не известен
половой процесс, а потому невозможно локализовать гены по
расщеплению при скрещивании.
192
о в
А ь
а В
а В
А Ь
Рис. 4.20. Схема митотического кроссинговера:
] — поведение пары гомологичных хромосом в митозе в отсутствие соматического
кроссинговера, генотипы образовавшихся клеток одинаковы (АаВЬ); 2— при наличии соматической)
кпоссинговера генотипы образовавшихся клеток различаются (ааВВ, ЛЛЬЬ) (ЛоГкшк-н М. К.
Генетика. - Л., 1969. - С. 270)
Большое значение имеют работы по митотическому кроссинго-
веру, проведенные на сумчатых, базидиальпых грибах и дрожжах.
Использование митотического кроссишовера для построения
генетических карт основано па том, что чем дальше лежит локус
от центромеры, тем больше вероятность перекреста между ним и
центромерой, а затем переход этого юна у гетерозиготы в
гомозиготное состояние. Результаты, полученные при картировании
методом митотического кроссинговсра, промерены на объектах с
половым процессом и показывают удовлетворительное совпадение.
Эти данные имеют особое значение для грибов — продуцентов
антибиотиков, которые известны только в виде бесполых
поколений — анаморф.
1 4.2.9. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА КРОССИНГОВЕР
Перекрест хромосом представляет собой сложный
физиологический, биохимический и физический процесс. Он в
значительной степени зависит от функционального состояния всего орга-
193

пи зма и клетки, вступающей в мейоз, от условий внешней среды,
генотипа организма и структуры его генома.
У большинства бисексуальных организмов мейоз протекает у
обоих полов. Но существуют отдельные виды, у которых
кроссинговер в норме идет только у гомогаметного пола, а у гетерогамет-
ного — нет. Причем перекрест в таких случаях отсутствует не
только между половыми хромосомами, которые у гетерогаметного
пола, как правило, гетероморфны, но и не идет ни в одной группе
сцепления. Так, у самцов дрозофилы и самок тутового
шелкопряда в профазе I мейоза синапсис с образованием хиазм либо не
происходит, либо он идет на более ранних стадиях развития
половых клеток, т. е. происходит гениальный кроссинговер на стадии
гоний — сперматогониев и оогониев. У гомогаметного пола этих
видов кроссинговер протекает нормально.
У некоторых видов частота рекомбинации в прицентромерном
районе значительно подавлена, при удалении от него она растет, а
ближе к теломерам вновь снижается. Считается, что у ряда видов
кроссинговер идет преимущественно в эухроматиновых районах
хромосом, а в области структурного гетерохроматина он
значительно снижается.
В онтогенезе частота перекреста значительно и достоверно
меняется у разных видов. У дрозофилы частота перекреста между генами,
находящимися на расстоянии 6 М, в течение только первых 10 дней
после лёта достигает этой величины. У 2-недельных кладок доля ре-
комбинантов между этими же генами составляет 1,8 %, а у 4-недель-
ных — 3,8 %. У томата частота кроссинговера достоверно отличается
в материнских клетках пыльцы у бутонов с разных кистей.
Огромное влияние на кроссинговер оказывает генотип
организма. В настоящее время для кукурузы, наиболее удобного
объекта, созданы целые коллекции так называемых мей-мутан-
тов — растений, которые несут гены, контролирующие строго
определенный этап кроссинговера или мейоза, обусловливающие
формирование определенных структурных белков, без которых
кроссинговер идет только до определенной стадии. К таким генам
относятся гены белков центрального и боковых элементов синап-
тонемного комплекса, веретена деления, гены контроля гомеоло-
гичной конъюгации.
Особое место среди факторов, влияющих на кроссинговер,
занимают условия окружающей среды. Решающее значение имеют
температура, пищевой и водный режимы, обработки
биологически активными веществами. Работами А. А. Жученко показано, что
регулирование этих факторов лежит в основе индуцированного
рекомбиногенеза, позволяет вскрыть особенности кроссинговера
в определенных группах сцепления у конкретных видов.
Эти исследования были начаты Г. Плу и К. Штерном, которые
установили, что низкие и высокие температуры увеличивают
частоту кроссинговера у дрозофилы, тогда как при рптимальной темпе-
194
ратуре развития частота кроссинговера у мух минимальна. В этих
же опытах было показано, что на частоту перекреста в разных
районах хромосом температура влияет неодинаково: наиболее
чувствительны районы между теломерами и центромерой, вблизи центро-
мерного района температурный эффект резко снижается.
Значительно повышает частоту перекреста (в 2,5 раза)
облучение рентгеновскими лучами. Если температура действует в
основном на клетки в профазе I, то облучение повышает кроссинговер и
у клеток, находящихся еще в предмейотическом состоянии. Из
химических веществ значительно повышают частоту
кроссинговера мутагены.
4.2.10. МЕХАНИЗМ КРОССИНГОВЕРА
Первую модель кроссинговера предложил в 1964 г. Р. Холлидей
(рис. 4.21), она объясняла не только процесс перекреста у эукариот,
но и явление, названное конверсией генов. Эта модель описывает
процесс обмена строго соответствующими участками
однонаправленных (3' и 3' или 5' и 5') гомологичных молекул ДНК или
несестринских хроматид гомологичных хромосом. Согласно данной
гипотезе перекрест начинается с разрыва в одной точке каждой из двух
гомологичных цепей ДНК или хроматид гомологичных хромосом,
затем образуются гетеродуплексные участки и крестообразная
структура. Центр этого креста — точка перекреста — может
перемещаться вдоль спаренных цепей ДИК или хроматид. Вращение
креста вокруг точки перекреста па 180 может дать изомерную форму.
Разрезание каждого из крестов приводит к возникновению двух ре-
комбинантных форм, т. е. возможно образование четырех типов
двойных молекул ДНК, или бивалентов. Структуры с
рекомбинацией фланговых маркеров появляются при разрезании по
вертикали, а без рекомбинации фланговых маркеров — при разрезании по
горизонтали. Крестообразная структура называется структурой
Холлидея, по имени автора этой модели. Важнейшее допущение
данной гипотезы — появление в процессе разрыва и воссоединения
цепей родительских молекул ДМ К гетеродуплексных участков —
отрезков рекомбинантных ДНК или хромосом, в которых есть
пары оснований, не соответствующие правилу комплементарнос-
ти, — А—Ц и Г—Т. Для того чтобы подчеркнуть независимость
этого процесса от процесса полуконсервативной репликации, его
называют консервативным разрывом и воссоединением.
Впервые консервативный характер рекомбинации показан в
опытах с фагом Я. Фагами с генотипами Хс+ и Хс, размноженными в
Е. соН на среде с тяжелыми изотопами азота и углерода, заражали
бактерии, растущие на обычной среде. На чашках Петри были
обнаружены не только прозрачные и мутные негативные колонии,
соответствующие родительским генотипам фагов, но и крапчатые,
195

А В
а
А
а
А
а
А
ь
в
ж
ь
в
ь
в
Рис. 4.21. Общая рекомбинация — модель Холлидея (РойегН.,
Ргос. N81. Асаа. 8а. ТЛ8А, 73, 3000)
в
., 1976.
Прозрачные бляшки (с)
Мутные бляшки (с*)
Крапчатые бляшки (с /с*)
■ в
Рис. 4.22. А. Фотографии бляшек с фаговыми частицами Х<1 (прозрачные), Хс1+
(мутные) и гетерозиготами Хс1+/с1 (крапчагые; покачана стрелкой) (Соиг1е«у Эг. Ме«е1-
8оп, Нагуагй 11шуеге1гу). Б. Распределение фагоного ногомста но плотности. Б.
Структура ДНК гетерозиготы Кс1+/с1 (Айала Ф., КайгерДж. С'онрсменная генетика. — М.,
1988.-Т. 2.-С. 136)
которые появились при лизисе бактерий гетерозиготными фагами
с/с+. Если отцентрифугировать фаговую Д Н К из разных типов
колоний, то окажется, что во всех колониях есть фаги с двумя
тяжелыми цепями ДНК НН, т. е. фаги, в которых репликации не было
(рис. 4.22). Это означает, что гетерозиготные фаговые частицы
появились до репликации, т. е. перекрест, рекомбинация,
происходит независимо от репликации.
197

4.2.11. ФЕРМЕНТЫ РЕКОМБИНАЦИИ
В опытах с Е. соН установлены важнейшие ферменты
рекомбинации. Методом отпечатков были найдены мутантные клетки Р~,
которые не давали рекомбинантов при конъюгации с клетками
Н Гг. Оказалось, что все мутанты Е. соН по рекомбинации
относятся к четырем генам: гесА, гесВ, гесС и гесО.
Сравнительный анализ позволил найти продукты этих генов.
Так, белок КесА оказался многофункциональным ферментом,
который связывается с одноцепочечной и двуцепочечной ДНК,
работает как геликаза — расплетает двойную спираль, перемещает цепь
из одной родительской молекулы ДНК в другую и обеспечивает
реципрокный перенос с образованием области перекреста,
которая может смещаться вдоль двуцепочечных участков
крестообразной структуры. Таким образом, данный белок оказался ключевым
ферментом рекомбинации; т уИго К.есА обеспечивает
формирование структур Холлидея из родительской ДНК. При изучении
рекомбинации у плазмиды Со1Е1 Е. соН установлено, что этот белок
обеспечивает образование так называемых восьмерок —
промежуточных структур рекомбинации. Расщепление восьмерок рестрик-
тазой показало, что они состоят из двух одинаковых молекул плаз-
мидной ДНК, которые соединены между собой двумя
перемычками. Когда после расщепления остается только одна из них,
появляющаяся конфигурация сильно напоминает структуру Холлидея,
причем одну из двух возможных изоформ.
Надо отметить, что белок КесА обладает, кроме того, протеоли-
тической активностью (расщепляет некоторые белки-репрессоры)
и играет важную роль в процессах репарации ДНК.
Гены гесВ, гесС и гесВ кодируют 3 субъединицы АТФ-зависи-
мой нуклеазы, которая разрезает структуру Холлидея и завершает
процесс рекомбинации.
4.2.12. ВЫСОКАЯ ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ.
КОНВЕРСИЯ ГЕНОВ. МОДЕЛИ РЕКОМБИНАЦИИ
Огромное значение для понимания механизма перекреста
имело открытие явления, получившего название «высокая
отрицательная интерференция». Оно заключается в том, что при очень
тесном сцеплении маркеров, когда они находятся рядом,
наблюдаемая частота двойных, тройных и четверных перекрестов
оказывается выше, чем ожидаемая, т. е. коэффициент совпадения
превышает I, а интерференция становится отрицательной." /= 1 — С,
при С>1 /<0.
Причины, вызывающие высокую отрицательную
интерференцию, оставались непонятными до тех пор, пока у сумчатых грибов
не была обнаружена и детально изучена конверсия генов.
198
Тетрадный анализ на хлебной плесени был подробно разобран
выше. На близкородственном гомоталличном виде сордарии
навозной (8огйапа$ппсо1а), у которой есть только половое спороно-
шение, подробно изучена конверсия генов. Углеводным
голоданием этого гриба можно индуцировать массовое и быстрое
образование перитециев с асками. И в очень редких случаях были
получены неожиданные варианты расщепления гетерозигот,
совершенно не соответствующие ожидаемому соотношению 4 : 4. Так,
были обнаружены аски с соотношением спор 6 : 2; 2 : 6; 5 : 3; 3 : 5
и, кроме того, аски с соотношением спор 4:4, но с необычным
сочетанием спор — (3 + 1): (1 + 3) (рис. 4.23).
N7
А Проксимальный Дистальный
!
\7
I
V
Чередующиеся Симметричные
' " V '" " '
и
I II
4+:4т
127 000
■'«
V
6+:2т
93
V
\7
2+:6т
13
5+:Зт
108
3 +: 5 т 4 +: 4 т
20 15
Рис. 4.23. Нормальные и аберрантные аски, возникающие при скрещивании мутанта
с серыми спорами и штамма дикого типа (черный цвет спор) гриба Яогйаг'ш/1тко1а:
А — изображены по группам обычные варианты расщепления; Я — нормальные и аберрантные
аски распределены по группам независимо от симметрии расщепления. В нижней строчке
приведены количественные данные, отражающие частоту образования каждого типа асков
(КйашУ. е1 а1., 1962. Ат О. Во1., 49, 697)
199

Предположение о том, что аберрантные аски появляются в
результате мутаций были отвергнуты сразу по трем причинам. Во-
периых, они образуются с частотой на порядок выше; во-вторых,
происходит не просто мутантное изменение данного гена, а его
конверсия именно в тот аллель, который есть в генотипе гетерози-
готы; в-третьих, соконверсия, т. е. одновременная конверсия двух
соседних гетероаллелей, происходит с частотой на порядок и
более выше, чем ожидаемое расчетное значение для двух
независимых событий — двух одновременных мутаций. Явление генной
конверсии объясняет модель Холлидея. Можно предположить, что
при образовании креста гетеродуплексные участки перекрываются
с локусами маркерных генов, по которым есть гетерозиготность.
В этом случае в гетеродуплексе обязательно будут
некомплементарные пары А—Ц и Г—Т. Если репарации не будет, то цро-
изойдет расщепление 4 : 4, но с аберрантным чередованием сдор
(3 + 1): (1 + 3). Если репарация произойдет в двух хроматидах, то
расщепление будет 2 : 6 или 6 : 2. В случае, когда одна из хроматид
пройдет репарацию, а другая нет, расщепление будет
соответствовать соотношению 5 : 3 или 3 : 5.
Таким образом, модель Холлидея объясняет возникновение
аберрантных асков действием репарации, при которой в качестве
матрицы для исправления используется одна из цепей, входящих
в гетеродуплекс. Варианты репарации и соответствующие им типы
расщепления представлены на рисунке 4.24. При репарации в
зависимости от того, какие именно нуклеотиды будут репарирова-
ны, возможны конверсия по одному гену, соконверсия или
отсутствие конверсии. При этом репарация дает варианты, которые
имитируют двойной или тройной кроссинговер. Если при этом
вести статистический учет неупорядоченно распределенных
продуктов мейоза, например, у дрожжей, а не сумок у аскомицетов, то
наблюдаемые значения коэффициента совпадения становятся очень
высокими и дают, в свою очередь, высокую отрицательную
интерференцию. При таком анализе кажущиеся множественные
перекресты были бы истолкованы как истинные.
Надо подчеркнуть, что согласно модели Холлидея даже в
отсутствие рекомбинации фланговых маркеров и без репарации
некомплементарных пар нуклеотидов, гетеродуплексные участки
имитируют двойной кроссинговер и дают высокую отрицательную
интерференцию по генам, с локусами которых они совпадают.
Тетрадный анализ у сумчатых грибов показал, что модель
Холлидея точна не во всем: соотношения сумок с асками 5 : 3 и 3 : 5, а
также 6 : 2 и 2 : 6 были резко неравными, а в рамках этой модели
нет места специфичности или предпочтительности репарации не-
комплементарной пары по одной из цепей. Резко неравное
соотношение аберрантных сумок (см. рис. 4.23) указывает, что часто
рекомбинация начинается не с реципрокного обмена цепями
молекул родительских ДНК или хроматид.
200
Для объяснения асимметрии были выдвинуты две гипотезы.
Модель Мезелсона — Реддинга (рис. 4.25) включает следующие
этапы рекомбинации: 1) в одной хроматиде происходит одноцепо-
чечный разрыв ДНК, и в месте разрыва начинается
репарационный синтез ДНК, одновременно происходит вытеснение одной
цепи ДНК; 2) вытесненная цепь внедряется в двойную цепь ДНК
гомологичной хромосомы, образует петлю и взаимодействует с
комплементарной цепью, при этом она вытесняет
некомплементарную цепь; 3) вытесненная цепь деградирует, на ее место встает
цепь из гомологичной хромосомы и образует в месте, где
кончается деградация, ковалентную связь; 4) в ДНК «активной» хромата -
ды продолжается репаративный синтез, который дает
асимметричный гетеродуплекс, и происходит изомеризация, которая
дает структуру Холлидея; 5) точка перекреста скользит вдоль
бивалента и дает участки симметричных гетеродуплексных
районов; 6) разрезание в области перекреста и образование
бивалентов с исходным типом сцепления или с рекомбинацией
фланговых маркеров.
При рекомбинации по такой модели активно
взаимодействуют однонаправленные цепи ДНК двух гомологичных хромосом.
В результате одновременной репарации одной цепи в хромосо-
ме-«доноре» и деградации одной цепи ДНК в
хромосоме-реципиенте», гетеродуплексный район возникает только в
хромосоме-«реципиенте».
Эта модель рекомбинации позволяет объяснить большинство
результатов, полученных при изучении генной конверсии и
аберрантных расщеплений у грибов.
Модель «двухцепочечный разрыв — репарация» (рис. 4.26) вклю-
чает следующие этапы рекомбинации: 1) возникает разрыв и
одной цепи хроматиды; этот разрыв вызывает деградацию части
данной цепи и образование бреши; 2) под действием пуклеаз такой
же разрыв и брешь образуются в сестринской хроматиде; 3) концы
одноцепочечной ДНК с границы бреши одной ич этих хроматид
внедряются в двойную спираль хромосомы «реципиента»; 4)
репарация закрывает обе бреши и таким обрлчом получаются 2
перекреста одновременно, один и I перекрестом рачречается по
внешней цепи и остается одна структура Холлидея; 5) структура
Холлидея режется нуклеазой по горизонтали или по вертикали и дает
хромосомы с исходным типом сцепления или с рекомбинацией
фланговых маркеров соответственно. 11ри этом с каждой стороны
от репарированной бреши возникают асимметричные
гетеродуплексные области. Данная модель рекомбинации объясняет все
наблюдения и результаты.
Есть убедительные факты, подтверждающие существование
данного механизма. Так, если вводить в дрожжи гибридные плазми-
ды, отклонированные на векторе Е. сой и содержащие участки
дрожжевой ДНК с маркерными генами, плазмидная ДНК иногда
■■>■ ; 201

X
X
X
Сайты
1 2
А О
1
т -
с.
8
с
о
,А
А
У
У
У
У
—..V
Тетрада до
кроссинговера
)
Рекомбинация
фланкирующих
маркеров
5'
3'
Образование
3' гетеродуплекса
=•5'
Нет рекомбинации
фланкирующих
маркеров
Б
X А О
Возможные варианты
репаративной репликации
Рис. 4.24. Образование гетеродуплексов, конверсия и расщепление. В соответствии с
ри области генетической гетерозиготности предшествует генной конверсии. Формиро
рекомбинацией фланкирующих маркеров. Постмейотическое расщепление без репара
распределением (4 :4) (I). Изображены также тетрады, возникающие при реализации
нетика. - М., 1988. — Т. 2. —
Конверсия в сайте 1 {ЗАТ:1С(3)
с образованием одной хроматиды
с кажущимся тройным перекрестом
и сохранением одной хроматиды
с единичным перекрестом
С Т
Двойная конверсия
всайтах 1 (ЗАТ:1С6) и 2 (ЗСО.1ТА)
с сохранением двух
хроматид с единичным перекрестом
О У
Отсутствие конверсии в каком-либо
сайте (2:2) с сохранением двух
хроматид с единичным перекрестом
IV
С \~Г"
Конверсия в сайте 1 (ЗАТ:1СС)
с образованием хроматиды
с кажущимся двойным
перекрестом
X
X
ч
А
Г
А
--&
"""""У""
С
С
А
С
' ^*
" 3
Двойная конверсия
в сайтах 1 (ЗАТ:1СС) и 2 (ЗОС:ПА)
с образованием хроматиды
с кажущимся двойным перекрестом
А О У
Окуипкие конверсии в каком-либо
сайте (2:2) с образованием двух
хроматид с кажущимся двойным
перекрестом
моделью Холлидея образование симметричных участков гетеродуплексной ДНК внут-
вание гетеродуплексных ДНК может сопровождаться (А) или не сопровождаться (К)
ции неправильных нуклеотидных пар приводит к возникновению аберрантных асков с
некоторых вариантов репарации (II—IV) (АйалаФ., КайгерДж. Современная ге-
С. 144-145)

;• х
1
А
ь
В
.. „—_,
В
йч
ь
в
X .
Рис. 4.25. Модель Мезельсона — Рэддинга (объяснение в тексте) (Мевекоп М. 8.,
Ка(1(Нп§ С. М., 1975. Ргос. N81. Асай. 8сь ША, 72, 358—361)
встраивается в дрожжевую хромосому путем перекреста между
гомологичными участками дрожжевой хромосомы и участками плаз-
миды, несущими ДНК из дрожжевой хромосомы. Если перед
внесением этой плазмиды в дрожжи обработать ее рестриктазой,
которая дает дпуцепочечный разрыв плазмидной ДНК, то частота
встраивания плазмиды в хромосому вырастает в 3000 раз.
204
Еще одно доказательство рекомбинации по модели «двуцепо-
чечный разрыв — репарация», но уже других ее этапов, получено
при введении плазмиды, у которой в дрожжевом участке есть де-
леция. Оказалось, что 1) делеция не снижала частоту
рекомбинации и соответственно трансформации; 2) у трансформированных
дрож- жевых клеток хромосома была со встроенной плазмидой,
причем делетированный район был полностью восстановлен.
Удалось установить, что восстановление делетированного района
плазмиды на матрице дрожжевой хромосомы происходит под
действием белка, который кодируется геном гай52. Этот ген обеспечивает
способность к репарации двуцепочечных разрывов после
облучения и нормальный ход мейоза у дрожжей.
Рис. 4.26. Модель «двуцепочечный разрыв — репарация» (объяснение в тексте)
(8го8(ак 3. \У. е! а1., 1983. Се11, 33, 25-35)
205

Электронная микроскопия дрожжевой ДНК, выделенной на
стадии мейоза, показала, что соединения между молекулами
образуются не в одной, а в двух точках перекреста, на расстоянии от
100 до 1000 п. н. М. Лихтен (2001) обнаружил универсальное
начало мейотической рекомбинации: под контролем гена зро11р
возникают двунитевые разрывы ДНК.
Таковы экспериментальные данные в пользу последней модели
перекреста.
4.2.13. СЦЕПЛЕНИЕ ГЕНОВ И КАРТЫ ХРОМОСОМ
У БАКТЕРИЙ И ВИРУСОВ
Хромосома бактерий представлена одной двойной кольцевой
молекулой ДНК. Если у эукариот в кроссинговере участвуют две
равноценные гомологичные хромосомы, образующие бивалент, то
у бактерий от реципиента участвует целая хромосома, а от клетки-
донора — только часть хромосомы. Поэтому обмен происходит в
частично диплоидной клетке — мерозиготе, в клетку-реципиент
попадает только часть, отрезок хромосомы, который называется эк-
зогенотой.
Целостность кольцевой хромосомы бактерии сохраняется, если
при рекомбинации будет четное число обменов. Если число
обменов нечетное, то образуется линейная рекомбинантная хромосома
с дупликациями на обоих концах, такая хромосома
нежизнеспособна и подлежит деградации. Поэтому самый простой крос-
синговер в мерозиготе — двойной. Обмен участками можно
обнаружить, если мерозигота будет гетерозиготной по генам,
находящимся в перенесенном при кроссинговере участке. Такая
мерозигота называется гетерогенотой.
При двойном кроссинговере происходит реципрокный обмен
между хромосомой реципиента и экзогенотой. Так как экзогенота
нежизнеспособна и вскоре деградирует, учет продуктов
кроссинговера ведут только по половине его продуктов — по интеграции
участков экзогеноты в хромосому реципиента.
Нуклеоиды бактерий, как отмечалось, гаплоидные, но в
бактериальной клетке бывает несколько нуклеоидов и чистый
гаплоидный клон рекомбинантов выщепляется только после нескольких
делений. Число мерозигот, дающих рекомбинанты, всегда
неизвестно. Поэтому используют не менее четырех маркерных генов.
Это позволяет исключить число мерозигот при расчетах и
получить абсолютные значения частоты кроссинговера в каждом из
трех участков между генами по уравнениям
г/х
Чи 1-г/2
где г/, г/, г/ — частоты кроссинговера соответственно в первом, втором и третьем
участках; .у— число рекомбинантов по первому участку; ? — то же по второму
участку; и — то же по третьему участку; V — одновременно по всем трем участкам.
206
Расчет частоты кроссинговера по этим формулам позволяет
достаточно точно определить расстояния между генами в
бактериальной хромосоме.
При составлении генетических карт бактерий считают, что
интерференции нет, но в отдельных случаях на концах экзогеноты
частота рекомбинации возрастает, при этом отмечается
отрицательная интерференция. Самый распространенный способ
картирования хромосом бактерий основан на определении времени, которое
необходимо для встраивания гена донора в хромосому бактерии.
Для этого используют клетки НГг, в которых половой фактор,
обычно присутствующий в виде автономной плазмиды, встраивается в
хромосому бактерии (рис. 4.27). Такие клетки не просто передают
половой фактор Е+ в женскую, реципиентную клетку (Р~), а
резко повышают частоту рекомбинации (отсюда и их название: Шф
р-ециепсу гесотЫпапоп — высокая частота рекомбинации).
При конъюгации одна из нитей кольцевой хромосомы бактерии
НГг обрывается рядом с фактором Р и начинает встраиваться в
хромосому реципиента концом, наиболее удаленным от этого
фактора. Точка, с которой начинается встраивание, оп, является локу-
сом гена ощт, с которого начинается и репликация
бактериальной хромосомы. Получается, что фактор Р оказывается на самом
конце. Если встряхивать пробирку через определенное время и
отбирать пробы, можно определить, какие гены успели перейти в
клетку-реципиент за это время и встроиться путем кроссинговера
в хромосому. Расстояние на карте, получаемой таким методом,
выражают в минутах (см. рис. 3.5).
У кишечной палочки карта хромосомы включает более 300
генов и поделена на 90 единиц, каждая из которых соответстиует
одной минуте. Именно за 90 мин вся донорная хромосома
полностью переходит и встраивается в реципиентную. В опытах с
некоторыми штаммами НГг кишечной палочки было показано, что
точка оп находилась у них в разных местах хромосом. Эти штаммы
осуществляли перенос по-разному: одни — по часовой стрелке,
другие — против. Объяснить эти результаты можно было, только
приняв, что хромосома Е. соП является кольцевой. И дальнейшем
это подтвердили прямые данные электронной микроскопии.
У большинства вирусов есть только одна хромосома, состоящая
из ДНК или РНК. Рекомбинация обнаружена у многих ДНК и
РНК-содержащих вирусов. Подробно изучена рекомбинация у
бактериофагов. Поскольку при заражении бактерий смесью
разных штаммов возможна неоднократная рекомбинация, была
выведена специальная формула для расчетов рекомбинации между
двумя генами
тп
где г/дв — частота рекомбинации между локусами А и В на один цикл репликации;
К/ав — частота рекомбинации между локусами А и В на т циклов репликации;
т — число циклов репликации.
207

Р-клетка
Жг-клетка
Контрольные вопросы. 1. Какие генетические и цитологические опыты
подтверждают положения хромосомной теории наследственности? 2. Какая модель
перекреста наиболее полно объясняет все результаты расщепления при
сцепленном наследовании и почему? 3. Каковы особенности составления генетических
карт хромосом бактерий по результатам конъюгации.
Литература
1. Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. В 3-х т. — М.: Мир, 1987—1988.
2. Смирнов В. Г. Цитогенетика. — М.: Высшая школа, 1991.
3. Картель И. А., Макеева Б. Н., Мезенко А. М. Генетика: Энциклопедический
словарь. — Минск: Тэхналогия, 1999.
4. Цитология и генетика мейоза. — М.: Наука, 1975.
5. Епсус1оре(На оГ Сепейсз/Её. Ьу 8ус1пеу Вгеппег апй 1еЯгеу Н. МШег. Асаёегшс
2001.
Перенос донорной хромосомы в Р"-клетку
Рис. 4.27. Включение Р-фактора и его передача при конъюгации (Айала Ф., Кайгер Дж.
Современная генетика. — М., 1988. — Т. 1. — С. 235)
Значение гГАВ получают опытным путем, а число циклов
репликации устанавливают при сравнении частоты кроссинговера
при тригибридном скрещивании по любым трем локусам с
известной 11 ослед овательностью.
Дли многих фагов были построены генетические карты. Для
одних они оказались кольцевыми, для других линейными. При
рекомбинации у вирусов часто проявляется отрицательная
интерференция. Это в основном объясняется неоднократным участием
одной хромосомы в рекомбинации.
208

Г л а в а 5
НЕХРОМОСОМНАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
5.1. НЕХРОМОСОМНАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
И ЕЕ ОСОБЕННОСТИ
Явление нехромосомной наследственности было открыто в
1908 г. немецкими ботаниками Корренсом и Бауром.
Первоначальное название этого типа наследственности — «материнская
наследственность». Суть ее заключается в том, что в отличие от
большинства признаков, которые передаются потомству от
обоих родителей, некоторые признаки и свойства наследуются
только от одного из родителей, а именно по материнской
линии. Поскольку у высших растений цитоплазма зиготы
происходит в основном от женской гаметы (яйцеклетки), а мужская
гамета (спермий) представлена главным образом хромосомным
материалом, объяснение феномена материнской
наследственности сводилось к тому, что некоторые наследственные
факторы расположены не в ядре, а в цитоплазме. Отсюда и синонимы
материнской наследственности: цитоплазматическая,
нехромосомная, внеядерная, экстрахромосомная, неменделевское
наследование. Впоследствии такой тип наследования был
обнаружен не только у высших растений, но и у многих других
организмов (бактерий, грибов, водорослей, насекомых,
млекопитающих и др.), что свидетельствует об универсальности этого
явления.
С момента открытия цитоплазматической наследственности было
ясно, что это явление не противоречит принципам менделизма и
ядерной наследственности. Морган, создатель хромосомной
теории наследственности, считал, что участие цитоплазмы в
наследственности не является альтернативой существования
хромосомной системы генов. Он писал: «Остается рассмотреть одну
категорию случаев, когда совершенно очевидно, что в плазме
присутствуют саморазмножающиеся элементы, которые наследуются и
обусловливают собой некоторые признаки организма,
совершенно независимо от влияния ядра»*.
11а современном этапе развития генетики уже на новом
молекулярном уровне показано, что в клетке существуют две
генетические системы, которые функционально связаны, и что носите-
———■■———— /
* Морган Т. Г. Экспериментальные основы эволюции. — М.; Л.: Биомедиздат,
1936. - С. 32.
210
л ем наследственных свойств в цитоплазме, как и в ядре,
являются дискретные, самореплицирующиеся структуры,
сохраняющие физическую и генетическую непрерывность в ряду
клеточных поколений.
Несмотря на то что цитоплазматическая наследственность
открыта давно, вплоть до 60-х годов прошлого века эта область
генетики по сравнению с хромосомной наследственностью
развивалась очень медленно. Это объясняется в первую очередь
особенностями цитоплазматических элементов, которые обусловливают
их меньшую доступность для генетического анализа по сравнению
с ядерными. Можно выделить три главные причины.
• Трудности поисков генетических маркеров, т. е. таких фено-
типических признаков (вызываемых мутациями и наследуемых по
материнской линии), по которым можно было бы отличать
органоиды цитоплазмы скрещиваемых форм. При отсутствии такого
отличия бесполезно даже пытаться выявить причастность данного
органоида к детерминации признака.
• Изменению должен подвергнуться не один, а множество
подобных органоидов, в противном случае он просто будет вытеснен
в процессе размножения неизменными органоидами, которых не
один и не два, как генов в гаплоидных и диплоидных клетках, а
десятки, сотни, тысячи.
• Отсутствие (не удалось пока обнаружить) механизма
закономерного распределения органоидов цитоплазмы, подобного мейо-
тическому делению хромосом.
Все это затрудняет генетический анализ и установление связей
неменделевского наследования с определенными органоидами
цитоплазмы.
Весь генетический материал клетки можно представить и виде
следующей схемы (Джинкс, 1966, с модификациями):
Геном ► Хромосомы ► Гены
(ядерный)
Весь генетический
материал
Пластиды
Плазмон ■
(митохондриальный геном,
хлоропластный геном)
1"
Митохондрии
Основное
вещество
цитоплазмы
Плазмогены
(мт гены,
хп гены)
211

Наиболее полно изучены три формы цитоплазматичеекой
наследственности: пластидная, митохондриальная и цитоплазмати-
меская мужская стерильность (ЦМС).
5.2. ПЛАСТИДНАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
Пластидная наследственность открыта и подробно изучена в
классических опытах Корренса (1904) и Баура (1909) по
скрещиванию пестролистных и зеленых растений львиного зева, ночной
красавицы и пеларгонии.
У львиного зева и ночной красавицы реципрокные комбинации
пестролистных и зеленых растений давали следующие результаты.
Если в качестве материнской формы использовали зеленое
растение, а отцовской — пестролистное, все потомство Р\ было зеленым.
В обратной комбинации, где материнская форма пестролистная, а
отцовская зеленая, в Р{ появлялись чисто-белые растения
(погибали на ранней стадии, так как неспособны к фотосинтезу), зеленые
и пестролистные. Таким образом, в обратной комбинации
нарушалось правило единообразия первого поколения гибридов, а пестро-
листность наследовалась только по материнской линии, отцовский
компонент не оказывал влияния на этот признак.
Позднее подобное явление было обнаружено и у других
растений, в том числе у левкоя, подсолнечника, арабидопсиса,
хлопчатника, кукурузы. Рассмотрим это явление подробнее на кукурузе.
У кукурузы встречаются мозаичные растения, на которых
одновременно развиваются листья, метелки и незрелые початки
разного цвета: зеленые, белые и пестрые (полосатые). Полосатость
выражается в чередовании зеленых и белых полос с постепенным
переходом от белой к зеленой через бледно-зеленую. Если
пыльцой таких растений опылять нормальные зеленые растения, то
потомство будет зеленым. В последующих поколениях
пестролистные растения не выщепляются. Следовательно, этот признак
по мужской линии не наследуется.
Если же початки пестролистных растений опылять пыльцой
зеленых, то результаты будут иными. Из зерен початков, которые в
незрелом состоянии были белыми, возникают только белые
проростки, погибающие после исчерпания питательных веществ
эндосперма. Из зерен зеленых в незрелом состоянии початков
вырастают только зеленые растения, не расщепляющиеся в следующих
поколениях. Из зерен полосатых в незрелом состоянии початков
появляются разные растения: белые, зеленые и пестролистные.
Причем соотношение этих фенотипов не носит закономерного
характера.
Особенности расщепления и характер наследования окраски
растений в реципрокных скрещиваниях пестролистных и зеленых
растений были объяснены после изучения пластид у таких форм.
212
Рис. 5.1. Схема случайного распределения белых и
зеленых пластид при клеточном делении
В клетках пестролистных растений
обнаружено два типа хлоропластов: нормальные а ^
(содержащие хлорофилл) и дефектные
(без хлорофилла). Причем отмеченные
особенности передаются следующим
поколениям этих органоидов клетки. В зеленых участках пестролистных
растений все пластиды нормальные, в белых — дефектные, в бледно-
зеленых — те и другие. Поскольку мужская гамета (спермий) не
содержит пластид, эти органоиды передаются только с яйцеклеткой.
Отсюда ясно, почему имеются различия в реципрокных гибридах.
Что касается расщепления в Рь то при использовании
пестролистных форм в качестве материнских, оно будет определяться
тем, как произойдет деление цитоплазмы, предшествующее
образованию яйцеклетки. Схема такого деления представлена па
рисунке 5.1. Если деление произойдет по линии АВ, возможно
появление яйцеклеток с зелеными и белыми пластидами, что и
объясняет наличие зеленых и белых растений. Если же деление
произойдет по линии СП, в яйцеклетку попадут и нормальные, и
дефектные хлоропласты, что и обусловливает появление
пестролистных растений.
В опытах Баура с пеларгонией пестролистность переданалаа. и от
отцовской формы, но при этом также получалось неменделепское
соотношение фенотипов. Подобные результаты получил
французский ученый Реннер в опытах с энотерой. Он показал, что отдельные
пластиды могут передаваться через пыльцевую трубку. I) его опытах
пластиды, полученные от отцовского компонента скрещиваний,
сохраняли свою специфичность в 14 изученных поколениях.
Итак, характерная черта пластидной
наследственности—беспорядочное расщепление на различные фенотипы в потомстве,
обусловленное случайным распределением пластид.
Главным объектом в изучении пластид стала одноклеточная
водоросль хламидомонада. Она содержит одно ядро (обычно
гаплоидное), один хлоропласт и 20 митохондрий. -Ото облигатный
аэробный организм, растет на свету, используя СО, в качестве
источника углерода. Кроме того, он способен к гетеротрофному росту в
темноте за счет ацетата натрия как источника углерода и к мик-
сотрофному с использованием и ацетата натрия, и СОг на свету.
Жизненный цикл хламидомонады включает бесполую фазу с
рядом митозов и половую, когда две морфологически идентичные
особи (гаметы) противоположных типов (т(+ и т1~)
объединяются, при этом сливаются два гаплоидных ядра и два хлоропласта.
После образования зиготы обычно сразу происходит мейоз, а
следовательно, и расщепление ядерных генов в отношении 1: 1. У этой
213

иодоросли известны многочисленные ядерные мутанты,
неспособные к фототрофному росту из-за нарушений отдельных звеньев
фотосинтеза, но способные к миксотрофному и гетеротрофному
росту. Обнаружено также большое число пластидных мутаций.
11аиболее изучены мутации, характеризующие различную степень
устойчивости к антибиотикам (стрептомицину и эритромицину).
Эти мутации или наследуются строго по материнской линии, или
проявляют неменделевское расщепление.
В качестве примера рассмотрим результаты скрещивания двух
рас, одна из которых устойчива к стрептомицину (5Г), а другая
чувствительна к нему (5^) (рис. 5.2). При реципрокных скрещива-
Копуляция
Диплоидные
зиготы
Мейоз
Мейоз
4/ 4/ 4/ \1/ х ж х х
Хламидомонада
Рис. 5.2. Наследование устойчивости к антибиотикам у хламидомонады
214
.©
Копулирующие гаметы
Зигота исключительная
Зооспоры
Мейотическое
расщепление
цитогеты
Митотическое
расщепление
цитогеты
Рис. 5.3. Расщепление цитогеты у хламидомонады
ниях устойчивость или чувствительность потомков к
стрептомицину определяется исключительно тем, к какому полоиому типу {тг+
или т(~) принадлежит клетка расы 5" или »У. Снойстпо передается
только по материнской линии, т.е. от родителя (////'). Подобное
наследование обнаруживают более 100 пластидных генов
хламидомонады. Передача признаков по материнской линии объясняется
тем, что все пластидные гены, привносимые в зиготу отцовской
клеткой (т!~), каким-то образом элиминируются и не попадают в
образующиеся после мейоза четыре дочерние клетки. Однако в
редких случаях (менее 1 %) зигота несет пластидные гены обоих
родителей. В отличие от ядерных гстсрозигот их называют цито-
плазматическими, или сокращенно цитогетами. При мейозе,
происходящем у цитогет, пластидные гены не расщепляются, так что
все клетки образующейся тетрады также являются цитогетами. В
ходе дельнейших митотических делений, т. е. при бесполом
размножении этих особей, постепенно выщепляются оба
родительских пластидных гена и возникают клоны клеток, несущих либо 5Г,
либо "»У*"(рис. 5.3).
215

Ичучеиие потомства цитогет показало, что все пластидные ге-
пы хламидомонады составляют одну группу сцепления, в
отношении которых клетки диплоидны. Выщепление родительских генов
осуществляется посредством митотического кроссинговера на
стадии четырех «хроматид», попарно связанных центромерой, как это
происходит при митотическом кроссинговере хромосомных генов
у дрозофилы, кукурузы и др.
Рут Седжер и Раманис, используя различные методы,
основанные на расщеплении и скорости гомозиготизации, построили
карту генома хлоропласта хламидомонады, которая оказалась
кольцевой, как и хромосомные карты бактерий.
5.3. МИТОХОНДРИАЛЬНАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
Митохондриальная наследственность впервые была изучена у
дрожжей и нейроспоры. В 50-е годы прошлого века Эфрусси и
Слонимский получили у дрожжей Засскаготусез сегеушае
обширный класс мутантов, так называемых «рей1е со1оше» (маленькая
колония), которые медленно росли и давали мелкие колонии на
чашках с агаром, содержащим мало глюкозы. Это свойство
мутантов связано с утратой ими способности синтезировать ферменты,
необходимые для нормального аэробного дыхания,
локализованные в митохондриях (цитохромоксидазу, сукциндегидрогеназу,
индофенол оксидазу). С помощью электронной микроскопии были
выявлены некоторые аномалии в строении таких митохондрий.
Это прежде всего слабое развитие их внутренних мембран.
При скрещивании с диким штаммом дрожжей мутантные
формы не выщепляются ни в одном из поколений, так как потомки
приобретают от дикого штамма нормальные митохондрии,
обеспечивающие аэробное дыхание (рис. 5.4). Не выщепляются
мутантные формы и при беккроссировании гибридов мутантом.
Исчезновение признака «маленьких» колоний у потомков от
скрещивания их с нормальными вызвано тем, что среди
находящихся в гибридной зиготе дефектных и нормальных митохондрий
вторые размножаются быстрее первых и очень скоро вытесняют их.
Мутации реШе возникают спонтанно гораздо чаще (одна
мутация на 500 клеток в одну клеточную генерацию), чем большинство
генных мутаций, причем путем облучения ультрафиолетом или
обработки некоторыми химическими веществами (акрифлавином,
бромистым этидием) частоту реи1е-мутаций можно довести до
100 %. Было показано также, что и многие другие наследственные
признаки, в частности мутации по системам окислительного фос-
форилирования, резистентности к антибиотикам, наследуются
через цитоплазму, связаны с митохондриями и определяются мито-
хондриальными генами. У дрожжей получено много мутантов,
устойчивых к лекарственным препаратам, т. е. способных расти при
216
2РеГ: 2Ре4
4Ре1+: ОРеГ
Рис. 5.4. Наследование «рсШе со1оше» у дрожжей при ядерной (Л) и цшоплиш:пн-
ческой (Б) детерминации признака (Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с оспинами
селекции. - М., 1989. - С. 239)
таких концентрациях, которые подавляют рост штаммов дикого
типа. При выявлении устойчивых мутантов чаще всего используют
хлорамфеникол и эритромицин, которые подавляют белковый
синтез в бактериях и митохондриях, по не затрагивают цитоплаз-
матических рибосом в клетках эукариот.
В зиготах многих организмов (кроме дрожжей) митохондрии
родителей почти не смешиваются. У высших животных в
сперматозоидах может содержаться огромное количество митохондрий,
но в течение длительного времени выживают лишь немногие.
Есть данные, что митохондрии сперматозоидов утрачиваются
после оплодотворения.
У дрожжей, наоборот, образование зиготы сопровождается
полным смешением двух гаметных клеток. Их митохондрии
участвуют в метаболизме гибридных клеток, и их рекомбинация в этом
случае — обычное явление. Доказательство рекомбинации —
возникновение диплоидных клеток, чувствительных к эритромицину
и хлорамфениколу (два рецессивных плазмогена).
217

Рекомбинация в пределах митохондриальных геномов видна по
результатам скрещивания между штаммами, устойчивыми к спира-
мицину (.57*), парамомицину (/*), эритромицину {ЕВ!) и
неустойчивыми к этим агентам. В скрещиваниях типа ЕВ5 ЗРР'у. ЕВг5РгР
получались формы: 1) ЕК5 5Р5РГ, 2) ЕВГ 5РТ5, 3) ЕЕ5 ,57»/*,
4) ЕКГ5РГРГ, 5) ЕВ55РГР, 6) ЕВГ5РГР\ 7) ЕВ'ЗР'Р*, 8) ЕВ? 5Р~ Р"
в соотношении 49 : 25 : 14 : 23 : 3 : 4 : 1 : 1. Это свидетельствует о
тесном сцеплении ЕВ и 5Р и менее тесном между ними и Р-факто-
ром.
5.4. ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ МУЖСКАЯ СТЕРИЛЬНОСТЬ
(ЦМС)
Мужская стерильность, впервые обнаруженная в 1904 г. Кор-
ренсом у огородного растения летний чабер (8агища Иог1епж),
сейчас описана у большинства культурных растений. Различают
два типа мужской стерильности: генную (ГМС), или ядерную, и
цитоплазматическую (ЦМС). Первая обусловлена генами ядра и
наследуется в соответствии с законами Менделя, вторая —
взаимодействием ядерных генов и плазмогенов, она передается только
по материнской линии.
К настоящему времени ЦМС установлена более чем у 100 видов.
У большинства из них она получена экспериментально путем
межвидовой и межродовой гибридизации. К растениям с ЦМС
гибридного происхождения относятся лен, табак, пшеница, рис,
хлопчатник, картофель, томат, ячмень и др. Случаи спонтанной ЦМС
зарегистрированы у 21 вида, из которых 19 являются перекрестниками
и только 2 (кормовые бобы и ячмень) — самоопылителями. У
кормовых бобов и ячменя формы с ЦМС выявлены в посевах образцов,
характеризующихся открытым типом цветения. К растениям со
спонтанной ЦМС (по-видимому, мутационной) относятся
кукуруза, сахарная свекла, лук, морковь, сорго, просо, рожь,
подсолнечник и др. С помощью мутагенов (физических и химических) ЦМС
вызвана у ряда видов, характеризующихся спонтанной природой
ЦМС (сахарной свеклы, кукурузы, сорго, лука, моркови) и
гибридной (пшеницы, ячменя, чины посевной).
Разберем ЦМС на примере кукурузы (молдавский тип
стерильности). Цитоплазма, обусловливающая стерильность пыльцы,
получила название стерильной и обозначается цит5, а цитоплазма,
дающая растения с нормальной фертильной пыльцой, называется
нормальной и обозначается ищК Стерильная цитоплазма
проявляет свое действие только в сочетании с рецессивными генами
хромосом в гомозиготном состоянии. Если ген находится в доминантном
состоянии {В/), то специфичность стерильной цитоплазмы не
проявляется, и растение формирует фертильную пыльцу. Генетическая
структура растений с молдавским типом стерильности, где признак
обусловлен цитоплазмой и парой генов, следующая:
218
г,,, ;■,. 1. Цит5 г/г/ стерильная пыльца
2. Цит5 К/К/ фертильная пыльца
■ 3. Цит3 К/г/фертильная пыльца
4. Цит^ г/г/фертильная пыльца
5. Цит'1' К/г/ фертильная пыльца
6. Цит^ К/К/ фертильная пыльца
В этом типе стерильности ген В/ имеет индекс 3 (В/з), В/
(гейопгщ ГегШпу) — восстановитель фертильности.
Линии, закрепляющие стерильность называются
закрепителями стерильности и имеют генотип цит" г/г/. Линии, обладающие
восстановительной способностью (восстановители фертильности),
имеют генотип цит^ В/В/или цит5 В/В/.
Скрещивание, приводящее к закреплению мужской
стерильности, в генных формулах записывают следующим образом:
? цит5 г/г/ х $ цит"//г/
Гаметы 2 цит5//с? г/
Р\ цит5 г/г/
Путем насыщающихся скрещиваний, включающих 5—6 бек-
кроссов, можно получить стерильные аналоги любой линии,
обладающей закрепительной способностью, поскольку ядро
материнской формы заменяется ядерным материалом отца
примерно на 98 %.
Скрещивание, приводящее к восстановлению фертилыюсти,
записывают следующим образом:
9 цит'5' г/г/ х в цит - К/К/
Гаметы 9 цит5 г/ в К/
/, пит5 Я/г/
Прочерк вместо индекса .V или N и цитоплазме отца означает,
что в данном случае она может быть любой: и нормальной, и
стерильной. Ядерный ген нейтрализует дейстние плазмогенов у
отцовской формы, поэтому она фертильпая, а следующим
поколениям они не передаются, так как мужские гаметы у цветковых
растений практически не содержат цитоплазмы. Генетические
системы, подобные описанной выше, обнаружены у сорго, лука,
подсолнечника, огурца, томата. У растений кукурузы с техасским
типом стерильности (7) восстановление фертильности
обеспечивается комплементарным взаимодействием доминантных генов
м, в/аТ.
У пшеницы (рис. 5.5) восстановление фертильности связано с
комплементарным взаимодействием не менее двух пар генов и
действием генов-модификаторов. Однако эффективность
имеющихся восстановителей недостаточно высока, что служит главным
219

а 6
Рис. 5.5. Колос пшеницы:
а — ЦМС; б— фертильной
(фото автора)
препятствием внедрения в производство
гибридов этой важнейшей
сельскохозяйственной культуры.
Сложная генетика ЦМС у сахарной
свеклы. По классификации Оуэна (1942)
у этой культуры различают три типа
стерильности — О, I и II:
0 — цит5 хх%с — полная мужская стерильность;
1 — цит5 Ххц, цит5 хх2г, цит5 ХХгг, цит5 хх22—
желтые пыльники, содержащие мелкие
нежизнеспособные пыльцевые зерна;
II — цит5 Хх2% — растения пылящие, дающие смесь
фертильных и стерильных пыльцевых зерен.
Функция опыления других растений
и принудительного самоопыления
возможна для всех генотипов с
цитоплазмой N и четырех генотипов с
цитоплазмой 5 {Хк2г, ХХ21, Хх2,2, ХХ27).
У африканского проса выделены
следующие типы стерильности (Вайоп АШ-
1 1967):
Открытие ЦМС дало возможность использовать явление
гетерозиса в производстве таких культур, как сорго, лук, томат,
подсолнечник, рис и др., у которых ручная кастрация цветков,
обязательная для получения гибридов, практически невозможна. В ряде
регионов (США, Австралия, Канада) есть производственные
посевы и гибридной пшеницы.
Что касается кукурузы, то перевод ее на стерильную основу
обеспечил повсеместный переход на посев гибридов и решение зерновой
проблемы в ряде стран, например в США. К сожалению, техасский
тип стерильности оказался сцепленным с неустойчивостью к гель-
ми нтоспориозу, что заставило ученых срочно искать новые
источники стерильности. Семеноводство гибридов кукурузы с
использованием ЦМС в настоящее время ведется на молдавском (Мили 8) и
бразильском (С) типах цитоплазмы, но не на техасском (7).
5.5. МЕХАНИЗМЫ РЕДУКЦИИ ЧИСЛА
ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКИХ ОРГАНОИДОВ
Цитоплазматическую наследственность обычно объясняют тем,
что более крупная женская гамета содержит наследственные
факторы, которых в мужской гамете меньше или нет совсем. Однако
220
опыты с хламидомонадой (одноклеточной водорослью) показали,
что односторонняя передача признаков наблюдается и там, где
весь организм представляет собой гамету, и зигота образуется в
результате слияния двух одинаковых гамет. Цитологические
наблюдения над другой водорослью, Еийоппа, показали, что
пластиды, попавшие в зиготу от одного из родителей, именно отца,
всегда исчезают или, вернее, разрушаются после конъюгации.
У сосны (голосеменного растения) пластиды и митохондрии,
внесенные мужской гаметой, тоже разрушаются (после того как
они сконцентрировались в одной части оплодотворенной
яйцеклетки) и не передаются зародышу. По-видимому, односторонняя
передача признаков в эволюции предшествовала появлению более
мелких мужских гамет. Если меньший размер мужских гамет
играет какую-либо роль в этом процессе, то особенность эта
вторичная, возникшая на основе уже существовавшего механизма
односторонней передачи плазмогенов.
Поскольку для органоидов цитоплазмы не существует
редукционного деления, передача пластид, митохондрий только от одного
из родителей в определенном смысле эквивалентна
редукционному делению хромосом и обеспечивает устойчивое равновесие
между хромосомным и нехромосомным генетическим материалом.
Существуют три механизма редукции числа цитоплазматичес-
ких органоидов (Джинкс):
1. Исчезновение мужских нехромосомных структур после
образования зиготы (хламидомонада, мул, лошак, сосна)
2. Деление ядра клетки без деления нехромосомных структур
(энотера, пеларгония)
3. Исчезновение мужских нехромосомпых структур во время
гаметогенеза, до образования зиготы (высшие растения)
221

У большинства из 213 изученных видов обнаружен однороди-
тельский тип наследования пластид и только 1/3 видов имеет
наряду с чисто материнскими или отцовскими плазмогенами в
зиготах определенное число бипарентальных зигот (пеларгония).
Можно предположить, что у последней категории организмов
редукция плазмогенов до и после образования зиготы происходит у
обоих родителей с одинаковой частотой.
5.6. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКОЙ
НАСЛЕДСТВЕННОСТИ
С помощью биохимических и электронно-микроскопических
исследований в пластидах, митохондриях, эндоплазматической сети,
протоплазматических мембранах обнаружена ДНК.
В пластидах и митохондриях обнаружены, выделены и
подробно охарактеризованы по физико-химическим свойствам все
классы РНК (рибосомная, транспортная, информационная),
рибосомы, все факторы и ферменты репликации, транскрипции и
трансляции генетической информации, хранящейся в ДНК, т. е. полная
система синтеза белка и условия для генетической и физической
непрерывности этих органоидов, обнаружена также система
обратной транскрипции ДНК <— РНК.
Белоксинтезирующая система пластид и митохондрий
осуществляет синтез белков ряда структур этих органоидов по
информации, закодированной как в собственной ДНК, так и поступающей
в виде мРНК из ядра.
Установлено, что генетическая рекомбинация ДНК пластид и
митохондрий протекает через такие же этапы «разрыва —
слияния» и образования новой гибридной молекулы ДНК, что и крос-
синговер хромосом.
Прежде чем перейти к подробному рассмотрению
молекулярных основ митохондриальной и пластидной наследственности,
остановимся на особенностях строения этих органоидов.
Схема строения митохондрий показана на рисунке 5.6. Все
митохондрии ограничены наружной и внутренней мембранами и за-
Рис. 5.6. Схема строения
митохондрии:
/ — наружная мембрана; 2 —
митохондриальная ДНК; 3 —
криста; 4 — внутренняя
мембрана; 5 — митохондриаль-
ные рибосомы (БилДж., Но-
улзДж. Внеядерная
наследственность. — М., 1981. — С. 23)
3 4
222
Рис. 5.7. Схема строения
части хлоропласта:
1 — ламелла стромы; 2— грана;
3 — ограничивающая мембрана
хлоропласта; 4— строма; 5— ДНК
хлоропласта; 6— тилакоид; 7—
рибосомы хлоропласта (БилДж.,
НоулзДж. Внеядерная
наследственность. — М., 1981. — С. 61)
полнены матриксом, содержащим большой набор продуктов
обмена, а также ДНК, РНК и рибосом. Внутренняя мембрана
чрезвычайно сложного строения. Обычно она представляет систему
пластинчатых или трубчатых крист. На ее поверхности происходят
важные биохимические процессы, связанные с транспортом
электронов, окислительным фосфорилированием и синтезом белка.
Общепризнано, что митохондрии не возникают ни йе поуо, ни
путем инвагинации мембранных структур, а образуются путем
репликации предшествующих митохондрий или, по крайней
мере, каких-то их частей.
Строение хлоропласта схематически показано на рисунке 5.7.
Функциональной единицей фотосинтетического аппарата
хлоропласта является тилакоид (замкнутый уплощенный пузырек или
диск). Тилакоиды могут располагаться или поодиночке
(параллельными рядами), или стопками, образуя граны, соединенные
ламеллами. Ограничивающие мембраны очень подвижны, и
мембраны соседних хлоропластов могут сливаться.
Обычный способ репликации хлоропласта — деление пополам.
Почти все компоненты, необходимые для транспорта электронов
при фотосинтезе, находятся и ламеллярных мембранах. Строма,
окружающая эти мембраны, содержит растворимые ферменты,
осуществляющие фиксацию СО2 и цикл Калинина. ДНК, РНК и
рибосомы также находятся в матриксс, ДНК и рибосомы
хлоропласта иногда тесно связаны с внутренней мембраной.
ДНК митохондрий и хлоропластом имеет кольцевую структуру.
К настоящему времени секвенирокапы геномы хлоропластов
водоросли (Еи§1епа ^гасШз), мхов {МагсНапИа ро1утогрНа и Ерг/а^из
ущЫапа), черной сосны {Ртт п'щга) и некоторых
покрытосеменных (в том числе табака, риса).
Геномы хлоропластов варьируют от 70 до 217 т. п. н., составляя
в среднем 120—160 т. п. н. У большинства высших растений
геномы представлены одним типом кольцевых молекул ДНК (2 типа
имеют некоторые водоросли и картофель). Почти у всех хлоро-
пластовых ДНК растений (хпДНК) имеется длинный инвертиро-
223

пошор (ИИ), который делит остальную часть генома на
дм* уникальные последовательности — большую и малую (Ь8С и
М.Ч(') (рис. 5.8). Сегменты ИП (ША и 1К.В) содержат гены одинако-
1Ч.1Х транспортных РНК, рибосомных белков и рибосомных РНК
(168, 235, 4,58, 58). Считывание информации идет с двух нитей
ДНК в противоположных направлениях. Идентифицировано
большинство генов хлоропластов, известны принципы их
организации, порядок расположения.
тсогшпа шЬасит
хпДНК
155 844 п.н.
Рис. 5.8. Генетическая карта генома хлоропласта табака (ЗМпогак! К., ОЬте N..
'Гамака М. е( а1.). Гены, обозначенные на внешней стороне карты, транскрибируются
против часовой стрелки. Звездочкой обозначены гены, содержащие интроны:
ЬЗС, 38С — большая и малая уникальные последовательности; 1КА, 1КВ — А- и В-сегменты ИП
(Юдина Н. П., Одинцова М. С. //Генетика. — 1998. - Т. 34. - № 1. - С. 6)
224
МагскаМш ро1утогрка
мтДНК
Рис. 5.9. Генетическая карта генома митохондрий МагскипНа ро1утогрка (Оаа К.,
УашаГо К. е( а1.). Гены, обозначенные на пнеишей счороно карчы, транскрибируются
против часовой стрелки. Зачерчены и отмочены точками ж юны и шп роны генов
соответственно (Юдина Н. П., Одинцова М. С. //Генетики. — 1998. 'Г. 34. — № 1. — С. 7)
Геномы митохондрий растений изучены значительно хуже, чем
геномы хлоропластов, что связано отчасти с многокомпонентной
организацией митохондриального генома (мтДНК) у большинства
высших растений. Определена полная нуклеотидная
последовательность только одного митохондриального генома —
печеночника МагскапИа ро1утогрка (рис. 5.9). Геномы митохондрий
растений значительно более вариабельны, чем геномы хлоропластов.
У нескольких десятков изученных представителей покрытосеменных
размеры мтДНК различаются более чем в 10 раз (200—2500 т. п. н.).
225,

Даже в пределах одного семейства (например, тыквенных) геномы
различаются более чем в 7 раз (у дыни мтДНК — 2400 т. п. н., у
арбуза — 330 т. п. н.).
У животных, в том числе и у человека, геном митохондрий
представлен небольшими кольцевыми молекулами ДНК размером
около 16 т. п. н. Таким образом, наибольший митохондриальный
геном растений в 150 раз превышает геном митохондрий
животных. У большинства высших растений геном митохондрий
многокомпонентный: он представлен гетерогенной популяцией
кольцевых молекул ДНК, причем у некоторых видов растений
наблюдаются определенные классы кольцевых молекул, у других —
распределение кольцевых молекул непрерывное. Два исключения —
М. ро1утогрка и Вгазжа НШа, у которых геном митохондрий
представлен кольцевыми молекулами ДНК одного размера. Число
молекул ДНК и в хлоропласте, и в митохондриях 5—10, иногда
больше (до 60). Некоторые митохондриальные гены высших растений
приведены в таблице 5.1.
5.1. Гены митохондрий высших растений (ЪопхсЫе с(е. 1992. — Р. 183)
Ген
Транскрипт
—14,
/77126
/77118
Кгп5
Ггп
грз\, грзЪ, грз1,
гр12,гр15,гр1\6
та1-г
Субъединицы
пасИ—4, паЛ4\, пас15—9
соЬ
сох\,сох\1, сох\\\
афА, а(р6, а(р9
По крайней мере 4 гена
Генетический аппарат
265 рРНК
185 рРНК
55 рРНК
РНК, по крайней мере 16
Белки малой субъединицы рибосом
Белки большой субъединицы рибосом
Матураза/обратная транскриптаза
комплексов дыхательной цепи
НАДН-дегидрогеназа
Цитохром Ь
Цитохром-с-оксидаза
АТФ-синтетаза
Цитохром с, биогенез
У некоторых видов растений наряду с мтДНК в
митохондриях обнаружены кольцевые молекулы низкомолекулярной ДНК
(I—30т. п. н.), которые способны к автономной репликации и не
имеют гомологии с высокомолекулярными мтДНК, поэтому их
относят к плазмидам. Иногда митохондрии содержат несколько
видов плазмид. Они могут варьировать по числу копий,
различаться но нуклеотидной последовательности или обладать
известной гомологией. Происхождение и функции плазмид
неизвестны. Исключение составляет линейная плазмида кукурузы длиной
2,3 т. п. и., которая содержит копию гена тРНКТгр.
226
■1* В пластидах высших растений плазмиды обычно отсутствуют,
но у табака описан внехромосомный элемент пластид МУСЕ1,
который представляет собой мини-кольцо (868 п. н.).
Как известно, кроме фотосинтеза пластиды выполняют
множество других функций: участвуют в синтезе аминокислот, липидов,
восстановлении нитрита, сульфита, синтезе хлорофилла и т. д.
Однако большая часть генов, кодирующих белки для осуществления
этих функций, находится в ядре. Хлоропластная ДНК содержит
лишь небольшую часть генетической информации, необходимой
для функционирования пластид — всего около 120 генов, но к ним
относятся ключевые компоненты фотосинтеза и экспрессии
генов. Так, в хлоропластной ДНК локализованы 28 генов,
кодирующих компоненты каждого из крупных фотосинтетических
комплексов. Кодируемая пластидами тРНКо1и нужна в качестве
кофактора на начальной стадии биосинтеза хлорофилла, хлДНК
кодирует 4 субъединицы РНК-полимеразы хлоропласта, все 4 вида
рРНК и 30—32 вида тРНК, а также 1/3 из 60 белков рибосом хло-
ропластов (табл. 5.2).
5.2. Некоторые гены хлоропластов высших растений (\У1нгНег КР., 1992. — Р. 165)
Ген
Ген
235 гБИА
165 гБЫА
55 гБ^
4,55 гБ^
1гпА-Ж
грз2—4, гр$7, //«8, гр$\1
грз 12, грх 14, грз 15, грз 16
грз1&, грз 19
грП, грПА, грИб, /р/20-23
гр1ЪЪ, гр136
гроА
гро В
Ф ото с
гЬсЬ
рваА
рзаВ
р$ЬА
р$ЪЕ, рзЬР
ре1А
ре(В
Транскрипт
етический аппарат
235 рРНК
165 рРНК
55 рРНК
4,55 рРНК
-РНК, 30 видов
Белки субъединиц рибосом
303
С52-4, С57, С58, С511
С512, С514, С515, С516
С518, С519
505
а.2, СЫ4, СЫ6, СХ2О-23
СЬЗЗ, С1.36
РПК-молимераза
Суб'ьелимицп а
Субъедипици /;
интстичсский аппарат
Большая субглдиница К11В15С0
Фотосистема 1
Апобслок \а реакционного центра
Апобслок \Ь реакционного центра
Фотосистема 11
Д1 пол и пептид реакционного центра
Цитохром Й559, атлЬ субъединицы
соответственно
Цитохром /
Цитохром #6
227

Хорошей иллюстрацией распределения генетической
информации между ядром и хлоропластом является синтез основного
белка стромы хлоропласта — рибулозо-бнс-фосфаткарбоксилазы —
фермента, ответственного за первый этап фиксации СО2.
Молекула этого белка состоит из двух субъединиц: большой (мол. масса
5,5 х 104) и малой (1,4 х 1(г). Большую субъединицу кодируют
ДНК хлоропласта, она синтезируется на хлоропластных
рибосомах. Малую субъединицу контролируют ядерные гены, она
синтезируется на цитоплазматических рибосомах, затем проникает в
хлоропласт, где, соединяясь с большой субъединицей, образует
функционально активный фермент.
Подобное явление характерно и для митохондрий. Объем
генетической информации, содержащейся в митохондриях,
значительно меньше, чем требуется для кодирования всех белков, входящих
в их состав. Считается, что мтДНК кодирует только 7—10 % мито-
хондриальных белков.
Остальные белки синтезируются на рибосомах цитоплазмы по
информации, поступающей из ядра, а затем переносятся в
митохондрии и встраиваются в их мембраны. Например, мтДНК
кодирует, и митохондриальные рибосомы синтезируют лишь
отдельные полипептидные цепи двух ключевых ферментов
митохондрий: цитохромоксидазы и АТФ-синтетазы. Последняя
состоит из 10 субъединиц. У дрожжей 4 субъединицы
закодированы в митохондриях, 6 — в ядре; у нейроспоры — 2
субъединицы в митохондриях, 8 —в ядре. В таблицах 5.3 и 5.4,
составленных Дж. Билом и Дж. Ноулзом, суммированы данные,
касающиеся генетического контроля различных компонентов
митохондрий и хлоропластов. Распределение генетической
информации между ядром и этими органоидами объясняет, почему
органоиды цитоплазмы при наличии собственной ДНК и всей
белоксинтезирующей системы не могут размножаться вне
клетки, т. е. являются полуавтономными. В случае их утраты они
также не могут восстановиться за счет продуктов ядерных синтезов,
отсюда и необратимость этой утраты.
5.3. Генетический контроль хлоропластов
Продолжение
Процесс, система
Контроль
геномом
ядра
Контроль
геномом

хлоропласта
ДНК (структура)
Репликация, рекомбинация, транскрипция хлДНК
Белоксинтезирующая система хлоропластов
рРНК
Рибосомные белки
тРНК
Растворимые ферменты
228
Процесс, система
Контроль
геномом
ядра
Контроль
геномом

хлоропласта
Белковая фракция 1 (РБФК)
Большая субъединица
Малая субъединица
Ламеллы и фотосистемы 1 и II
Оболочка хлоропласта
5.4. Генетический контроль компонентов митохондрий
Компонент
Контроль
геномом
ядра
Контроль
геномом

митохондрии
+
ДНК (структура)
Факторы, контролирующие репликацию, рекомбинацию и
транскрипцию ДНК
Белоксинтезирующая система в
митохондриях
рРНК
Рибосомные белки
тРНК
■ Растворимые ферменты
Другие белки
АТФ-синтетаза
цитохромоксидаза
цитохром Ь
5.6.1. ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ ГЕНОВ И ГЕНОМОВ
Хлоропластная ДНК характеризуется компактным
расположением генов, и многие гены транскрибируются п составе оперонов,
например гены рибосомпых белков, рРНК и некоторых белков
фотосистем.
В мтДНК межгенные участки (спейсеры) довольно длинные,
часть генома является некодирующей, и в большинстве
случаев транскрибируются отдельные гены, т. с. геном митохондрий
моноцистронный. Порядок расположения генов в хпДНК у
всех высших растений примерно одинаков, в мтДНК —
вариабельный.
В отличие от хлоропластной ДНК, кодирующей 30 тРНК,
мтДНК кодирует не все типы тРНК, а только 16. У картофеля,
например, 11 тРНК, необходимых для синтеза белка в
митохондриях, кодируются ядром. Набор тРНК, кодируемых митохондриаль-
ным геномом, несколько отличается у разных видов.
229

В генах клеточных органелл высших растений обнаружены
интроны. Они встречаются в генах, кодирующих белки, и в генах
тРНК.
Просеквенированный геном мтДНК М. роНтогрка содержит
32 интрона. В митохондриях покрытосеменных их, по-видимому,
меньше, поскольку многие гены, аналогичные генам М.роН-
тогрка, интронов не содержат. Известны митохондриальные
гены, содержащие 2 и более интрона. Так, 2 интрона обнаружены в
гене пай 5 у ОепоЫга и 4 интрона в гене пай 1 у арбуза. Хлоро-
пластная ДНК растений содержит около 20 интронов.
В органоидах цитоплазмы и ядре обнаружена «общая» (ргоппк-
сиош) ДНК. Под «общей» ДНК, по определению Дж. Эллиса,
понимают нуклеотидную последовательность, которая встречается
более чем в одной из трех мембраносвязанных генетических систем
органелл эукариотической клетки. У высших растений наиболее
известным примером «общей» ДНК являются последовательности
пластидной ДНК в ядерном и митохондриальном геномах,
обнаруженные у всех изученных растений. У кукурузы митохондриаль-
ный геном содержит почти в неизмененном виде фрагмент
инвертированного повтора хлоропластной ДНК, в котором
локализованы гены 165 рРНК, тРНКце и тРНКуа1- У риса геном
митохондрий содержит 16 фрагментов, гомологичных хлоропластной ДНК
размером от 32 п. н. до 6,8 т. п. н., что составляет около 6 %
генома (табл. 5.5). У разных видов «общая» ДНК по одним генам
или фрагментам может быть одинаковой, по другим — разной.
5.5. Последовательности хпДНК риса, перенесенные в геном митохондрий
(Р1ап1. Мо1. Ыо1. КероПег. — 1993. — V. 11. - № 2. - Р. 99)
Размер перенесенного
фрагмента, п. н.
570
6800
463
1090
1530
2536
5500
2094
457
Ген
1гпС
гроВ, гроС1, гроС2
арН
афА, 1тК
1гп5, фх4
1гпЬ, {гпГ, ОРС159, пйНК
1гпУ, 1гпМ, ШрЕ, а/рВ, гЬсЬ
гр123, гр12, 1тН, грх19
1гп)У, 1тР
Большинство последовательностей хпДНК, присутствующих с
мтДНК растений, не транскрибируется.
Наряду с пластидной ДНК в митохондриях идентифицированы
и последовательности ядерной ДНК. Например, у ОепогНега мито-
хондриальный геном содержит последовательность
длиной 528 п. н., обладающую 91%-ным сходством с ядерным
геном 185 рРНК.
230
8зВ геноме хлоропластов до сих пор достоверно не
идентифицированы последовательности митохондриальной или ядерной ДНК.
Предполагается, что плотность генетической информации в ДНК
хлоропластов такова, что любое беспорядочное встраивание нук-
леотидов будет вызывать летальную мутацию. Наряду с переносом
генов из хлоропластов и ядра в митохондрии в эволюции имел
место и перенос функциональных генов органелл в ядро. Вероятно,
этот процесс завершился в основном до возникновения царств
животных, грибов и растений. Поскольку содержание генов в
ДНК пластид основных групп растений очень близко, считают,
что большинство переносов произошло на ранних этапах
эволюции фотосинтезирующих клеток. Недавно удалось обнаружить
более поздний функциональный перенос двух генов пластид в ядро:
1) ген (и/А, являющийся фактором элонгации хлоропластов ЕР-
Ти (у водорослей это пластидный ген и 400 млн лет назад он был
перенесен в ядро предка наземных растений) и 2) ген рибосомно-
го белка хлоропластов гр122 около 75 млн лет назад
«переместился» в ядерный геном общего предка бобовых.
В обоих случаях ядерные формы этих генов приобрели
последовательности, необходимые для их экспрессии (ядерные
промоторы и полиаденилатные последовательности) и последующего
поступления обратно в пластиды. Пример недавнего или даже
ныне идущего процесса переноса генов из митохондрий в ядро —
это наличие митохондриальной и ядерной копий гена
субъединицы 9 АТФ-синтетазы у гриба Иеигозрога сга$$а.
Каким образом последовательности переносятся из одной орга-
неллы в другую, пока неизвестно. Предполагают, что это может быть:
• перенос, опосредованный вектором (транспозоном, ретрапс-
позоном, вирусом);
• трансформация (поглощение митохондриями ДНК
разрушенных пластид);
• слияние органелл (пластид и митохондрий) с последующей
межгеномной рекомбинацией.
В конце 70-х годов XX в. было сделано интересное открытие в
отношении генетического кода. Код митохондрий оказался иным,
чем код ядра эукариот и прокариот. Он получил название
классического в отличие от ядерного — стандартного. Суть отличия
заключается в том, что в митохопдриалмюм коде четко
прослеживается следующее правило: если в триплетах мРНК последний
третий нуклеотид имеет пуриновое основание (А или Г), кодируется
одна аминокислота, если пиримидиновое (У или Ц) — кодируется
другая, например УГА и УГГ кодируют триптофан, УГУ и УГЦ —
цистеин. В стандартном коде есть исключения из этого правила.
Например, УГА играет роль терминатора (нонсенс-триплет).
Изучение молекулярных особенностей цитоплазматических
органоидов и выявление двойного контроля функционирования их
генетического аппарата позволили установить конкретные причи-
231

им тех явлений, которые мы рассматривали в качестве примеров ци-
топлазматической наследственности. Так, например, установлено,
что бесцветные пластиды кукурузы содержат полный набор
нормальных пластидных генов, но под действием ядерного гена /у у них
не происходит транскрипции рРНК и синтеза пластидных рибосом,
так что собственная белоксинтезирующая система в этих пластидах
не работает. Репродукция этих бесцветных пластид осуществляется с
помощью белков, синтезируемых на основе ядерных генов.
В биохимических исследованиях колоний рехИе дрожжей было
установлено, что эти мутанты лишены ряда дыхательных
ферментов, локализованных в митохондриях. Количество ДНК в таких
митохондриях оказалось на 3/4 меньше, чем у дикого типа.
Потеря фрагмента ДНК, содержащего большое число генов, и явилась
причиной мутации регйе, в результате которой клетка лишается
способности к аэробному дыханию.
Изучение митохондриальной и хлоропластной ДНК у форм с
цитоплазматической мужской стерильностью выявило у них
значительные изменения генетического аппарата, которые можно
свести к следующим закономерностям.
• У форм с ЦМС изменен митохондриальный геном.
• Эти изменения включают появление нового гена,
отсутствующего у фертильных форм.
• Новый ген всегда является химерным. Иногда в
строительстве химерного гена принимают участие гены хлоропластной ДНК
(у фасоли) или ядерной ДНК (у подсолнечника).
В качестве примера рассмотрим ЦМС у риса и кукурузы. У
стерильных форм риса мтДРНК имеет химерный ген, включающий
ген 6-й субъединицы АТФ-синтетазы и последовательность,
гомологичную трем генам: гену цитохромоксидазы II, гену
транспортной формилметиониновой ДНК и гену цитохромоксидазы I. Такой
химерный ген транскрибирует два генных продукта: нормальную
субъединицу АТФ-синтетазы и полипептид, вызывающий
мужскую стерильность.
У кукурузы техасского типа стерильности мтДНК имеет
химерный ген Т-игГ 13. Он содержит части гена 6-й субъединицы
АТФ-азы и гена 268 рРНК. Этот ген кодирует полипептид массой
13 кД, который способен встраиваться во внутренние мембраны
митохондрий материнских клеток пыльцы (МКП) и блокировать
нормальную работу дыхательной цепи, что приводит к
стерилизации пыльцы.
5.6.2. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ АСПЕКТЫ ЭНДОСИМБИОТИЧЕСКОЙ
ГИПОТЕЗЫ
Изучение генетических и белоксинтезирующих структур
митохондрий и хлоропластов вьывило ряд признаков подобия между
этими органеллами, с одной стороны, и бактериями и вирусами — с
232
другой. О некоторых из них упоминалось выше. Суммируя эти
данные, можно назвать следующие черты сходства: митохондрии
и пластиды, как и бактерии, содержат кольцевую молекулу
«голой» ДНК с большим количеством копий, их рибосомы
чувствительны к одним и тем же лекарственным препаратам (например, к
хлорамфениколу) и устойчивы к другим (например, к циклогекси-
миду). Гены рРНК расположены в ДНК органелл такими же
блоками, как и у бактерий. Размеры рРНК одинаковые: 238 и 168
(ядерной рРНК —288 и 188). Размер генома бактерий и
хлоропластов приблизительно одинаков (3,7 х 106 и 3 х 106
соответственно), у митохондрий животных — значительно меньше
[(1,5—7,5) х 104]. У хлоропластов гены организованы в опероны, у
цианобактерий тоже. Установлено сходство интрона в гене 1гпЬ
хлоропластов и пяти изученных видов цианобактерий.
Этот перечень можно было бы продолжить. Однако наряду с
подобием наблюдаются и различия, сближающие эти органеллы с
ядерными структурами, например, мРНК митохондрий
отличается высоким содержанием рогуА, что характерно не для
бактериальных, а для эукариотических мРНК. В митохондриях и в хло-
ропластах обнаружены внутригенные последовательности (интро-
ны), характерные (за некоторым исключением) для ядерных
геномов высших растений.
Митохондриальные геномы Рагатесшт и Хепориз образуют
четко видную хроматиноподобную структуру, вероятно, содержащую
белки типа гистонов. В этом отношении они отличаются от ДНК
бактериального типа, характерной для митохондрий других
организмов. Есть и уникальные черты, не свойственные ни эукарио-
там, ни прокариотам, например классический генетический код
митохондрий. Мы затронули этот вопрос в связи с тем, что
имеется много сторонников теории эндосимбиотического
происхождения органелл цитоплазмы. Еще и конце XIX и начале XX I!.
Альтман (1890) и Мережковский (1905, 1910) высказывали мысль об
эволюционном происхождении митохондрий и хлоропласт» от пред-
ковых свободноживущих бактериоподобпых орпшишов,
установивших симбиотические отношения с древними эукариотически-
ми клетками, т.е. ставших эндосимбиоптами. С развитием
генетики эти представления были отвергнуты, так как почти все
специалисты в этой области полагали, что наследственный материал
находится исключительно в ядре, которое управляет развитием
всех клеточных признаков. Когда стало известно, что клеточные
органеллы обладают собственными генетическими системами, и
особенно после открытия в них ДНК, эндосимбиотическая
гипотеза вновь приобрела популярность. Особенно подробно ее
разрабатывала в 70-е годы XX в. Маргелис. Согласно этой гипотезе,
предполагается, что первыми формами жизни на земле были
анаэробные прокариоты, поскольку земная атмосфера состояла в
основном из азота. После появления фотосинтеза, который возник у
233

организмов, сходных с цианобактериями и фотосинтезирующи-
ми бактериями, в атмосферу стали поступать большие
количества кислорода и преимущества получили организмы, способные
к аэробному дыханию. По мнению Маргелис, произошло
объединение аэробного прокариота с анаэробным протоэукариотом,
который уже прошел некоторый путь развития в направлении
эукариотической клетки, но, по-видимому, не смог выработать
собственную дыхательную систему. В результате длительной
совместной эволюции обоих организмов произошло выпадение
«избыточной» генетической информации из генома эндосимби-
онта и некоторые функции его биогенеза взяло на себя ядро
эукариота. На другом этапе, согласно этой гипотезе, произошел
второй акт захвата: на этот раз протоэукариотические клетки
приобрели фотосинтезирующих эндосимбионтов — потомков
циано-бактерий, у которых выработалась система фотосинтеза,
обособленная от цитоплазмы собственными мембранами.
Многочисленные черты сходства генетических систем
митохондрий и пластид с генетическими системами бактерий
свидетельствуют о высокой вероятности гипотезы эндосимбиоза.
Главные возражения, которые приводятся противниками этой гипотезы,
заключаются в том, что огромное большинство признаков органелл
контролируется ядерными генами, а не их собственными. И если
принять симбиотическую гипотезу, то нужно допустить, что
произошла массированная передача генетического контроля с ДНК
органелл на ДНК ядра. Открытие мобильных генетических
элементов (МГЭ) в определенной мере позволяет сделать такое допущение.
Тем более что экспериментальные доказательства таких
перемещений имеются. У гриба Ройозрога ашеппа обнаружены межгеномные
перемещения в конце
онтогенеза, что связывают со
старением гриба. У растений, кроме
того, обнаружены плазмидо-
подобные кольцевые мито-
хондриальные ДНК (наряду с
более крупными), которые,
возможно, способны осуществлять
транспозиционные перемеще-
Ядерная \ \ НИЯ внутри МИТОХОНДРИЭЛЬНО-
Днк \ \ го генома и между геномами в
клетках растений. Обобщенная
схема этого процесса
представлена на рисунке 5.10.
Рис. 5.10. Перевес сегментов ДНК из
органелл в ядерную ДНК. Жирными
стрелками указаны переносы,
подтвержденные экспериментально, тонкими —
гипотетические (Ьемп К. // 8с!епсе. —
1984. - 224. — Р. 970)
Хлоропласт ная
ДНК
234
Вопросы и задания. 1. В чем различия наследования признаков,
детерминированных цитоплазмой, и признаков, контролируемых ядром? 2. Почему
генетический анализ цитоплазматической наследственности проводить труднее, чем
ядерной? 3. Почему пластидная наследственность у высших растений передается в
основном по материнской линии? 4. Как можно объяснить тот факт, что мутантный
признак не проявляется в гибридных поколениях и при беккроссах дрожжевых
грибов? 5. Где локализованы гены устойчивости к антибиотикам. Приведите
примеры. 6. Участвуют ли ядерные гены в формировании ЦМС? Каковы
генетические формулы молдавского и техасского типов стерильности у кукурузы? 7.
Какими механизмами обеспечивается в клетке баланс ядерной и цитоплазматической
генетической информации? 8. Какова молекулярная организация геномов
хлоропласта и митохондрии? 9. Почему органоиды цитоплазмы не могут
размножаться вне клетки? Что означает термин «полуавтономия»? 10. Каковы молекулярные
основы эндосимбиотической гипотезы происхождения органелл цитоплазмы?
Литература
1. Антонов А. С. и др. Геном растений. — Киев: Наукова думка, 1988.
2. Бил Дж., Ноулз Дж. Внеядерная наследственность. — М.: Мир, 1981.
3. Давыденко О. Г. Нехромосомная наследственность. Курс лекций. — Минск:
БГУ, 2001.
4. Джинкс Дж. Нехромосомная наследственность. — М.: Мир, 1966.
5. Сингер М., Берг П. Гены и геномы. — М.: Мир, 1998. — Т. 2. — С. 216—226.
6. Сэджер Р. Цитоплазматические гены и органеллы. — М.: Мир, 1975.
7. Юдина Н. П., Одинцова М. С. Сравнительная характеристика структурной
организации геномов хлоропластов и митохондрий растений//Генетика. —
1998. - Т. 34. - № 1. - С. 5—22.
8. \У|Шат.ч М., 2еуш&$ СЬ. Мо1еси1аг Вю1ое1 оГ Су1ор1а$гшс МаИ 51еп1иу//Р1ап1
ВгеесНгщ Кетаглу;;. — 1992. — V. 10. — Р. 23—51.
Митохондркальная
ДНК

Глава 6
МУТАЦИОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ
Знание законов мутирования, вероятно,
приведет к искусственному получению
мутаций и тем самым к созданию
растений и животных с совершенно новыми
свойствами.
Хуго Де Фриз, 1901
Удвоение генетических структур в процессе их ауторепликации
осуществляется с поразительной точностью и приводит в ходе
роста и развития организмов к образованию многих миллионов
клеток с совершенно одинаковыми хромосомами и генами,
обеспечивая воспроизводство организмов с неизменными признаками и
свойствами в течение многих поколений. Однако если бы это
происходило всегда только так, то не было бы генетической
изменчивости, не было бы базы для развития органических форм и
эволюционного процесса. В действительности же стабильность
генетических структур в процессе репликации не абсолютна. Под
влиянием определенных физических или химических факторов они
способны изменяться. Эти генетически стойкие изменения в генах
и хромосомах называют мутациями, а измененные гены —
мутировавшими. Новый организм с измененным признаком,
обусловленным мутированием гена или перестройкой хромосомы, называют
мутантом.
Мутационные изменения могут затрагивать любой признак.
При этом встречаются все переходы от резких морфологических
изменений до незначительных отклонений в физиологии,
которые обычно даже трудно обнаружить. Мутации могут быть
полезными, вредными, даже летальными, например многие хлофилль-
ные мутации и нейтральными для организма.
Мутационная изменчивость — это процесс, закономерно
протекающий в природе. Он подчинен определенным законам.
6.1. ТЕОРИЯ МУТАЦИЙ
Мутационная теория, или, правильнее, теория мутаций,
основы которой были заложены в трудах X. Де Фриза (1901—1903),
вскоре после переоткрытия законов Г. Менделя, — одна из
базовых для современной генетики. Представления о скачкообразном
изменении наследственных свойств были впервые сформулированы
русским ботаником С. И. Коржинским, который обосновал мута-
236
ционную теорию эволюции в своем труде «Гетерогенезис и
эволюция» (1899). Так что не было бы ошибкой говорить о теории
мутаций С. И. Коржинского — X. Де Фриза.
На первых этапах разработки мутационной теории основное
внимание было уделено фенотипическим проявлениям
наследственных изменений признаков; исследователи практически не
занимались изучением механизма их возникновения. В
соответствии с определением X. Де Фриза мутация представляет собой
явление скачкообразного прерывистого изменения наследственного
признака.
Основные положения мутационной теории X. Де Фриза, который
посвятил изучению мутационной изменчивости растений
большую часть своей жизни, сводятся к следующему.
• Мутации возникают внезапно как дискретные изменения
признака.
• Новые формы стабильны.
• В отличие от ненаследственных изменений мутации не
образуют непрерывных рядов, не группируются вокруг какого-либо
среднего типа. Они являются качественными изменениями.
• Мутации проявляются по-разному и могут быть как
полезными, так и вредными.
• Вероятность обнаружения мутаций зависит от размера
выборки исследованных особей.
• Сходные мутации могут возникать неоднократно.
X. Де Фриз, как и многие другие генетики раннего периода,
ошибочно полагал, что мутации могут сразу давать начало новым
видам, минуя естественный отбор. $
Строгие доказательства возникновения мутаций впервые были
представлены В. Иоганнсеном (1908—1913), изучавшим
наследование количественного признака — массы семян и чистых линиях?
фасоли и ячменя. В результате этих исследований гипотеза о
возможности скачкообразных наследственных изменений получила
экспериментальное подтверждение.
6.2. ЗАКОН ГОМОЛОГИЧЕСКИХ РЯДОВ В НАСЛЕДСТВЕННОЙ
ИЗМЕНЧИВОСТИ
Крупнейшим обобщением работ по изучению изменчивости в
начале XX в. стал закон гомологических рядов в наследственной
изменчивости, сформулированный II. И. Вавиловым в докладе на
III Всероссийском селекционном съезде в г. Саратове 4 июня 1920 г.
Н. И. Вавилов обнаружил, что у близких видов и родов
изменчивость протекает сходным образом. Например, для двух видов пше-
* Длительно самоопылявшиеся линии, гомозиготные по большинству генов.
237

ницы — твердой и мягкой — легко составить два тождественных
ряда наследственных вариаций. Так, оба вида имеют
разновидности остистые, полуостистые и безостые, плотноколосые и рыхлоко-
лосые, с опушенным и гладким колосом, с белым и красным
зерном, озимые и яровые, узко- и широколистные, засухоустойчивые
и влаголюбивые и т. д. У близких по происхождению видов яснее
проявляется сходство рядов наследственной изменчивости.
Однако параллелизм изменчивости характерен не только для
видов, но и для близких родов. Например, считалось, что рожь и
пшеница различаются между собой по многим признакам.
Опираясь на закон гомологических рядов, Н. И. Вавилов предпринял
поиск таких форм ржи, которые соответствовали бы по признакам
многообразным формам пшеницы. Он обнаружил образцы ржи с
остями и без остей, с красной, белой, черной и фиолетовой
окраской зерна, полым и выполненным стеблем, простым и ветвистым
колосом, фиолетовой и зеленой окраской всходов, стекловидным
и мучнистым зерном и т. д. Все эти признаки давно были
известны у пшеницы, но у ржи не описаны.
Отдельные признаки или ряды признаков одинаково
проявляются даже у различных семейств, например утолщенный корень можно
наблюдать в семействах капустных (редька, репа, брюква),
сельдерейных (морковь) и др. Указанную закономерность Н. И. Вавилов
сформулировал в виде закона гомологических рядов в
наследственной изменчивости, включающего следующие положения.
1.Виды и роды, генетически близкие, характеризуются
сходными рядами наследственной изменчивости с такой
правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно
предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов. Чем
ближе генетически расположены в общей системе роды и линнео-
ны, тем полнее сходство в рядах их изменчивости.
2. Целые семейства растений характеризуются определенным
циклом изменчивости, охватывающим все роды и виды,
составляющие семейство.
Открытие этого закона послужило основой во всей поисковой
работе ученых и помогло обнаружить в известных до того
системах ботанических разновидностей и сортов культурных растений
и их диких сородичей множество недостающих звеньев.
Теоретически эти звенья должны были существовать как в прошлом, так и
в настоящем. Естественно, возник вопрос: где, в каких областях
надо их искать? Это вновь привело к постановке проблемы
происхождения культурных растений, но уже с решением новых,
конкретных задач. По мере углубленного изучения наследственной
изменчивости видов вскрывались все новые возможности
формообразования. Открылась перспектива создания и использования
мировых сортовых растительных ресурсов.
Закон гомологических рядов имеет большое значение для
систематизации внутривидового разнообразия как культурных, так и
238
диких форм и позволяет установить общие линии развития. Он
применим не только для систематизации разнообразия видов, уже
существующих в природе, но и для исследования вновь
возникающих форм, в том числе искусственных мутантов, помогает
селекционеру ориентироваться в исходном материале.
Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости
иногда сравнивают по значимости с периодической системой
элементов, разработанной Д. И. Менделеевым. Как отмечал Н. И.
Вавилов, закон гомологических рядов показывает
исследователю-селекционеру, что следует искать. Он позволяет предугадать
открытие форм, еще не найденных у данного вида, но уже
обнаруженных у другого близкого вида. Во многих случаях этот закон может
указать на существование отсутствующих членов цепи
гомологических рядов, которые могут быть ценным исходным материалом
для получения новых сортов или даже культурных растений из
дикорастущих. Примером служит выведение кормового
(безалкалоидного, или сладкого) люпина. В 1927 г. немецкий генетик
Э. Баур, исходя из закона гомологических рядов, высказал
предположение, что в посевах горького люпина, возделывавшегося
только на зеленое удобрение, должны возникать безалкалоидные
формы, которые можно использовать на корм животным.
Правильность этого предположения доказал Р. Зенгбуш. В
результате проведенного им анализа 2,5 млн растений люпина было
выделено пять растений с низким содержанием алкалоидов,
которые стали родоначальниками новой культуры — кормового
люпина. В последующие годы эта культура распространилась во
многих странах мира. В Российской Федерации в 2002 г. выращивали
14 сортов этого растения.
В ходе последующего развития генетики и селекции удалось
подтвердить правильность закона гомологических рядов и
наследственной изменчивости и показать его большое знамение дли
решения практических селекционных задач. I) частности, с
помощью этого закона удается облегчить нахождение форм с цитоплаз-
матической мужской стерильностью при селекции па гетерозис,
поиск растений, размножающихся апомиктическим путем, а
также мутантов с измененным качеством зерна, типа ора§ие-2 и
Яоигу-2 у кукурузы, и т. д.
Закон Н.И.Вавилова находит подтверждение и при изучении
животных и микроорганизмов, и не только па уровне целых
организмов, но и отдельных их структур. Достаточно вспомнить
эволюционный принцип параллелизма п развитии тканей,
сформулированный затем советским гистологом, академиком А. А. Заварзи-
ным (1886—1945). Этот закон полностью согласуется с
современными представлениями об эволюционной геномике.
Закон Н. И. Вавилова стоит в ряду научных достижений,
приведших к современным представлениям об универсальности
многих биологических структур и функций.
239

6.3. ТИПЫ МУТАЦИЙ И ИХ ПРОЯВЛЕНИЕ
Существуют несколько принципов классификации мутаций.
В зависимости от характера изменения наследственных
структур (генома) мутации обычно делят на три основных типа: генные,
или /почковые, хромосомные перестройки (аберрации) и геномные.
Первые обусловлены изменениями молекулярной структуры
мутировавшего гена, т. е. нарушением специфической
последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Поскольку они, как правило,
не связаны со структурными изменениями хромосом, их
возникновение обычно не приводит к серьезным нарушениям
конъюгации хромосом в мейозе.
Второй тип мутаций характеризуется разрывами и
различными последующими структурными перестройками хромосом.
Любое из этих изменений обычно сопровождается проявлением
какого-либо нового признака или свойства. Для селекции более
важны генные мутации, так как хромосомные перестройки
обычно приводят к отрицательным последствиям, в частности к
снижению плодовитости из-за нарушений конъюгации
хромосом в мейозе.
К мутациям третьего типа относят изменения, связанные с
кратным увеличением или уменьшением основного числа
хромосом (полиплоидия, гашгоидия), называя их геномными
мутациями (они будут рассмотрены в гл. 7).
Все типы мутаций в зависимости от характера изменения
генетических структур могут быть объединены следующей общей
схемой.
МУТАЦИИ-
г>ГЕННЫЕ-
^. Транзиции
^Замена нукле-_|
отидов в ДНК~1* трансверсии
^Сдвиг рамки_
считывания
.-►Делении
.ХРОМОСОМНЫЕ_[> Дупликации
ПЕРЕСТРОЙКИ \*- Инверсии
•-► Транслокации
г> Делеции
нуклеотидов
. Вставки
нуклеотидов
-►ГЕНОМНЫЕ
^.Аутополи-
плоидия
[-►Полиплоидия-н
Аллополи-
Эуплоидия
'-►Таплоидия
■Анеуплоидия
^гаюидия
240
« Эти мутации могут возникать в разных клетках организма.
Но у растений, размножающихся семенами, потомству
передаются лишь те из них, которые появляются в зародышевых клетках
или в тех соматических клетках, от которых через цепь
последовательных делений берут свое начало половые клетки. У
вегетативно размножающихся растений мутации, возникающие в
соматических клетках, могут передаваться вегетативному потомству и
давать начало новым мутантным клонам.
6.3.1. ГЕННЫЕ МУТАЦИИ
Как видно из приведенной схемы, генные мутации можно
подразделить на два больших класса. К первому классу относятся те
из них, которые связаны с заменой оснований. Мутации второго
класса обусловлены сдвигом рамки считывания. Последние
включают в себя вставки или делеции одной или нескольких нуклео-
тидных пар. Замены оснований составляют не более 20 %
спонтанных мутаций; большинство же остальных мутаций происходит
в результате делеции и вставок различной протяженности.
Исключение составляют так называемые горячие точки.
Замены пар оснований. Существуют два типа замен
нуклеотидов: транзиции и трансверсии. Транзиции заключаются в замене
одного пурина на другой пурин или одного пиримидина на
другой пиримидин (АТ->ГЦ, ГЦ—>АТ, ТА—>ЦГ и ЦГ—>ТА).
При трансверсии пурин меняется на пиримидин или наоборот
(АТ -> ЦГ, АТ -4 ТА и т. д.).
Замены оснований происходят разными способами. Например,
спонтанные транзиции могут происходить при репликации ДНК
вследствие таутомеризации, т.е. изменения положения прогона,
меняющего химические свойства молекулы. Таутомеричации и
нуклеотидных основаниях меняет их способность обрачовывать
водородные связи, в результате чего адспип приобретает свойства
гуанина, гуанин — аденипа, циточип — тимипа, а тимип — цито-
зина. Мутагенная активность 5-бромурацила, аналога тимина, в
котором метильная группа замещена атомом брома, обусловлена
таутомеризацией, связанной с большим сродством к электрону
атома брома по сравнению с мстилыюй группой. Индуцируемые
5-бромурацилом мутации могут обусловливаться ошибками либо
при включении, либо при считывании, что приводит
соответственно к замене ГЦ —> АТ или АТ --> ГЦ.
Другим мутагеном из числа химических аналогов
нуклеотидных оснований является 2-аминопурип, способный спариваться
либо с тимином, либо с цитозином.
Азотистая кислота также является мутагеном, индуцирующим
транзиции ГЦ -> АТ и АТ -» ГЦ в результате дезаминирования ци-
тозина и превращения его в урацил, а также при переходе аденина
в гипоксантин (спаривающийся так же, как и гуанин).
241

Механизм возникновения трансверсий менее понятен.
Известно, что именно трансверсиями являются многие мутации,
индуцируемые ультрафиолетовым облучением. Возможно, причина их
возникновения заключена в механизме репарации.
Мутации, вызывающие сдвиг рамки считывания. Мутации со
сдвигом рамки считывания составляют значительную часть всех
спонтанных генных мутаций. Данные об их природе получены в
генетических экспериментах, выполненных на мутантах с делециями
или вставками длиной один, два или три нуклеотида в генах,
кодирующих белки. Использовались мутагены (в частности, профла-
вин), которые индуцировали делеции или вставки одного либо
двух оснований. Образующиеся мутанты синтезировали
неактивные или укороченные полипептиды, поскольку сдвиг рамки
приводит к появлению кодонов, детерминирующих неправильные
аминокислоты, или стоп-кодонов. Рекомбинация между двумя
мутантами, один из которых содержит делецию, а другой в этой же или
близкой позиции — вставку (например, — 1 х +1 или —2 х +2),
может привести к восстановлению функционального гена, если
несколько концевых, находящихся за рамкой считывания кодонов
приходятся на несущественную часть полипептида. Рекомбинация
между мутантами, которые имеют по одной вставке (+1 х +1) или
по делеции из двух оснований (—2 х —2), не способна исправить
мутацию. Рекомбинация же между генами, имеющими в сумме три
близко расположенных вставочных основания (например, +1 х +2)
или три близко расположенных делетированных основания
(например, —1 х —2), может привести к восстановлению
функциональных генов, поскольку за этими измененными участками
восстанавливается нормальная рамка считывания.
Большая часть изученных мутаций,- вызывающих сдвиг рамки
считывания, обнаружена в последовательностях, которые состоят
из одинаковых оснований или пар оснований. Описано
множество различных вариантов таких последовательностей.
Мутации в кодонах и антикодонах. Мутации могут затронуть
различные компоненты трансляционного аппарата и таким
образом изменить результат считывания кодирующей
последовательности нуклеотидов. Наиболее существенные последствия
вызывают те мутации в гене, кодирующем синтез определенного белка,
которые превращают кодон, комплементарный определенной
аминокислоте, в терминирующий кодон, т. е. приводят к
преждевременному завершению синтеза из-за досрочной терминации
трансляции в мутировавшем сайте. Примером может служить
превращение лизинового кодона ААА в УАА и глутаминового кодона
ЦАГ и УАГ. Аналогично любая мутация, приводящая к замене
аминокислотного кодона на кодон УГА, также вызовет
преждевременную остановку синтеза полипептидной цепи. Такие
мутации получили название нонсенсов; на самом деле эти кодоны
представляют собой знаки терминации трансляции. Однако, если в ре-
242
зультате второй мутации произойдет изменение соответствующего
основания в антикодоне тРНК, терминация может быть
предотвращена, или супрессирована, при этом образуется полноразмерный,
хотя и измененный белок. Например, если тРНКТир, тРНКЛей,
тРНКСер изменятся подобным образом, то они смогут прочитать
кодон УАГ как аминокислотный. С помощью различных
механизмов может произойти ошибочная трансляция и таких мутантных
кодонов, как УАА и УГА. Мутации в тРНК-генах, затрагивающих
основания, отличные от тех, которые составляют антикодон,
могут привести к изменению специфичности или стабильности
взаимодействий кодона и антикодона.
Мутационные изменения в антикодоне тРНК — наиболее
распространенный механизм супрессии. Ошибки в трансляции могут
возникать и в том случае, если в результате мутаций происходит
изменение белков или РНК-компонент рибосом, участвующих в
кодон — антикодоновом взаимодействии. Точность трансляции
умень- шается и под действием некоторых химических
соединений окружающей среды, которые связываются с рибосомными
белками. Такие случаи нарушения процесса трансляции приводят
к более тяжелым последствиям.
Итак, генная мутация любого типа связана с изменением
специфической последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК,
которое ведет к образованию белка иного типа или препятствует
образованию данного белка. Таким образом, генные мутации
совершаются на молекулярном уровне. Увидеть такое изменение не
удается даже с помощью самого мощного микроскопа. Любое из
этих изменений может сопровождаться появлением нового
признака и наследоваться в соответствии с законами Менделя.
Передача и обнаружение мутаций. Генная мутация, как уже
отмечалось, — результат изменения определенного гена, вследствие
чего и появляется новый признак или свойство. Мутировавший
ген, как и исходный, обладает способностью к
самовоспроизведению и передается всем последующим поколениям клеток.
Мутации могут возникать в любой клетке организма. Исходя из
интересующих нас вопросов, все клочки можно разделить на два
типа: 1) половые, или зародышевые, клетки и 2) соматические, к
которым относятся все клетки юла, т. с. большая часть клеток
организма.
У видов, размножающихся половым путем, потомству
передаются лишь мутации, появляющиеся в зародышевых клетках или в
тех клетках тела, от которых берут свое начало половые клетки.
У видов, размножающихся бесполым путем, мутации,
возникающие в соматических клетках, могут передаваться вегетативному
потомству и давать начало новым мутантным линиям. Таким
путем в результате использования так называемых почковых
вариаций выведено много сортов декоративных и плодово-ягодных
культур.
243

Рассмотрим сначала мутации, возникающие в половых клетках.
Эти мутации не затрагивают непосредственно тот организм, в
котором они возникают, а влияют только на его потомство,
разумеется, если гамета с мутировавшим геном будет участвовать в
оплодотворении. Однако не все новые мутации можно обнаружить
сразу в виде мутантного потомства.
Так, рецессивная мутация (А —> а) в гамете диплоидного
организма, гомозиготного по доминантному аллелю АА (в случае
полного доминирования), даст внешне нормальное потомство, и это
будет продолжаться до тех пор, пока при образовании зиготы не
встретятся две гаметы, каждая из которых будет нести
мутировавший рецессивный аллель. Тогда особь, развившаяся из этой
зиготы, будет гомозиготной по мутировавшему гену (а + а =аа),
и мутация проявится. У самооплодотворяющихся культур, таких,
как ячмень, пшеница, горох, соя, арахис, это произойдет через
год после образования гетерозиготы. Среди потомства второго
поколения примерно у одной четвертой части растений
обнаружатся мутации.
У перекрестнооплодотворяющихся растений и у животных вновь
возникший рецессивный аллель передается в гетерозиготной
форме, не выявляя себя в течение нескольких или многих
поколений, пока скрещивание таких гетерозигот не даст
гомозиготное потомство.
Для животных характерна специфика проявления рецессивных
мутаций, возникающих в половых хромосомах, например в Х-хро-
мосоме. У мужского и женского пола эта мутация проявляется
по-разному: у мужских особей она обнаруживается уже в первом
поколении, а у женских — только при сочетании двух
рецессивных аллелей при оплодотворении.
Доминантная мутация, в отличие от рецессивной,
обнаруживается в потомстве особи, у которой она впервые появилась в
половых клетках. Мутация проявляется у каждой особи, получившей
от отца или от матери хотя бы один мутировавший доминантный
аллель. Если он был получен только от одного из родителей, то
будет передан половине потомства. Действие доминантного гена
не может быть замаскировано действием его исходного
рецессивного аллеля.
Возникновение и проявление мутаций в соматических клетках.
Допустим, мутация произошла в одной из меристематических
клеток точки роста растения. Клетка, содержащая мутировавший
аллель, разделится на две, две разделятся на четыре и т. д. Это
будет продолжаться до тех пор, пока не образуется целая ветка с
листьями, цветками, а затем и с плодами. При митотическом
делении каждая из двух дочерних клеток получает совершенно
одинаковые хромосомы. Если в исходной клетке в одной хромосоме был
мутировавший ген, то в конечном итоге он окажется во всех
клетках выросшей ветки.
244
Если новый аллель является доминантным, то он вызовет
видимый эффект: появится так называемая почковая вариация, или
спорт, например ветка с измененной окраской цветков или ягод
на кусте растения. Спорты часто можно легко размножить
отводками или прививкой. Многие сорта плодовых и ягодных культур,
например бессемянные сорта винограда, ценные сорта яблони и
груши, были получены из почковых вариаций. *
У животных в ходе развития также могут возникать
соматические мутации. Их видимое проявление называется не спортом, а
мозаиком, например так будет называться человек с одним карим
глазом и другим голубым. Очень эффектные мозаики встречаются
у птиц. Так, у попугайчика-неразлучника изредка появляются
особи, у которых одна половина тела зеленая, а вторая,
симметричная первой, — голубая. В данном случае мутация, вызвавшая
голубое оперение, возникла, очевидно, в одной из двух первых
клеток разделившейся зиготы.
Рецессивная же соматическая мутация, в отличие от
доминантной, не может вызвать видимого эффекта в присутствии своего
нормального доминантного аллеля. В этом случае появление спорта
или мозаика возможно только тогда, когда мутация возникнет в
гетерозиготной по данному гену клетке. Это вполне может
случиться, поскольку многие организмы несут рецессивные аллели,
появившиеся в результате мутации, быть может, много лет назад,
которые не могут проявить себя фенотипически в присутствии
доминантного аллеля. Действие их проявится лишь в том случае,
если в гетерозиготной клетке произойдет аналогичная мутация, и
клетка станет гомозиготной по рецессивному аллелю.
Тот факт, что не всякая соматическая мутация, возникшая в
ходе развития, приводит к появлению спортов или мозаиков,
объясняется и еще одной причиной. Дело в том, что
мутировавший ген проявляет свое действие только в соответствующих типах
клеток. Так, совершенно очевидно, что мутация окраски глаза
может проявиться только в глазу, и если определяющий ее
мутировавший ген возникнет, например, в клетке печени, то эту мутацию
нельзя будет обнаружить.
Возникает вопрос: может ли спорт или мошик дать мутантное
потомство при половом размножении? 11а этот вопрос можно
ответить вполне определенно: если мутировавший ген будет
передан хотя бы некоторым половым клеткам, то может; если же
такой передачи не произойдет, то потомство будет нормальным.
Мозаики были найдены у кроликов, мышей, крыс, морских
свинок, птиц, но большинство из них не передавали мутировавший
ген потомству.
Следует учитывать, что даже доминантные или
полудоминантные мутации не всегда дают отличимое потомство. Это прежде
всего относится к тем случаям, когда какой-либо признак
определяется совместным влиянием нескольких или многих генов, каж-
245

дый из которых в отдельности обладает слабым действием. Так
наследуются количественные признаки, например урожайность
растений, молочная продуктивность коров, яйценоскость кур, рост
человека, а также многие физиологические функции, например
интенсивность обмена веществ, плодовитость, устойчивость к
низким температурам, острота органов чувств и др. Мутацию со
слабым фенотипическим проявлением нелегко распознать, прежде
всего потому, что ее эффект может быть приписан влиянию
среды. Из-за этого часто невозможно решить, обусловлены, ли
наблюдаемые незначительные различия мутациями или факторами
окружающей среды. В эволюционном отношении и в
селекционной практике эти мутации играют важную роль.
Прямые и обратные мутации. Аллелизм. В зависимости от
характера изменения аллеля мутации подразделяют на прямые и
обратные. При прямой мутации аллель дикого типа переходит в новое
состояние. Поскольку аллель дикого типа, как правило, бывает
доминантным, прямое мутирование выражается формулой А —> а.
При обратной мутации мутантный аллель возвращается к дикому
типу (формула реверсии, как правило, а —>А). Частота прямых
мутаций обычно значительно выше, чем обратных.
Однако процессы мутирования аллелей отнюдь не
ограничиваются взаимопревращением аллелей А и а (А—> а, а-> А). Мутации
генов А и а могут дать целый ряд разных состояний одного гена.
Создается так называемая серия аллелей, состоящая из
нескольких (А, А1, А2, А3, А4 ...) или многих вариантов. Разнообразные
стойкие состояния одного и того же гена, занимающего
определенный локус в хромосоме, получили название множественных
аллелей. При этом явлении каждый ген может многократно
изменяться, по-разному влияя на развитие признаков особи.
Важнейшей чертой генетики этих серий аллелей является то, что у
диплоидных организмов в двух гомологичных хромосомах
одновременно могут сочетаться только два аллеля из всей серии. Эти серии
аллелей в огромной степени увеличивают комбинационную
изменчивость организмов. С другой стороны, у целого ряда аллогам-
ных видов растений выработались специальные генетические
механизмы несовместимости, обусловленные сериями аллелей 51 —
8", которые с успехом можно использовать в селекции на
гетерозис (Гужов, Фукс, Валичек, 1999).
6.3.2. ХРОМОСОМНЫЕ МУТАЦИИ
Различные соматические клетки одного организма и
различные особи одного вида обладают, как правило, одинаковым
числом хромосом. В гаметах число хромосом обычно в 2 раза
меньше, чем в соматических клетках. Кроме того, число
гомологичных хромосом и последовательность расположения в
246
них генов в различных клетках и у разных представителей
одного вида также совпадают.
Однако число хромосом, их размер и организация у разных
видов сильно варьируют. Гаплоидный геном большинства
животных содержит около 2 ■ 109 п. н.; у некоторых насекомых и
примитивных хордовых это число на два порядка ниже, тогда как у
некоторых амфибий, напротив, достигает 10й п. н. ца одно ядро. В
клетках растений количество ДНК варьирует в еще более широких
пределах.
В процессе эволюции могут измениться не только число и
размер хромосом, но и их организация. Отдельные участки хромосом
могут менять свое расположение внутри хромосомы и даже
переходить из одних хромосом в другие. Изменения числа, размера и
организации хромосом называют хромосомными мутациями,
перестройками или аберрациями.
Хромосомные перестройки. Мутации, связанные с разрывами и
различными последующими перестройками хромосом, называют
хромосомными. Концы разорванных хромосом могут слипаться друг
с другом, вновь образуя стойкие структуры. Однако новые
хромосомы не всегда получаются такими, какими они были вначале.
Микроскопические изменения структуры хромосом, вызывающие
мутацию, могут быть четырех типов: делеции, или нехватки;
дупликации; инверсии и транслокации (рис. 6.1).
Рассмотрим каждый из вариантов хромосомных перестроек в
отдельности.
Делеции. Первым примером хромосомной перестройки,
обнаруженной в 1917 г. К. Бриджесом с помощью генетического
анализа, является делеция — выпадение и потеря одного из
участков хромосомы. Делеция обычно летальна в гомозиготном
состоянии, а также в гемизиготном, если она произошла и А'-хромосоме
самца. Из этого следует, что для нормального рачийтии
жизнеспособного организма большинство гепон абсолютно необходимо.
Лишь мельчайшие делеции, иыяиленпые у кукурузы, дрозофилы и
некоторых других организмов, оказались нелегальными и в
гомозиготном состоянии.
У человека синдром «кошачьего крика» возникает при гете-
розиготности по делеции в коротком плече 5-й хромосомы.
Синдром характеризуется также микроцефалией, сильными
нарушениями роста и замедленным умственным развитием.
Гетерозиготные делеции в других хромосомах человека (4-, 13-, 18-й
и др.) также влекут за собой тяжелые соматические и умственные
расстройства.
Цитологически делеции можно обнаружить по появлению
петли при конъюгации гомологичных хромосом в мейозе или в
политенных хромосомах. Делеции позволяют определять
точное положение конкретных генов при построении
хромосомных карт.
247

А В С О Е Е О Н
Делеция
А В С Е Е О Н
А*?.0.*?™ Дупликация ,А В С В СДг ^ О И
( 1 И 1ХШ >( 1 I I I 1ХКГО
А В С О Е Е О Н п А В С ОН
(—I—I—I—Г~>г<—I—ГЛ Перицентрическая ^—I !!"->-
V—1 1 1 1—^*— I I 1 инверсия ^ V I I I .^Х-'
•—I—г-^-1—Г~>у^Т—Г~Л _ Парацентрическая
инверсия
Е с и
А Е Е О Н
инверсия—="- С111_Л1111Ж1Т™)
о с в
РОИ
(I 1 1 1>СГО
Т
М V О Р О /?
ггхттхэ
т
Реципроктная
травслокация
МЫ О С О Е ГО Н
СГТТТТХХХ)
А В Р О /?
сггоо
А В СОЕ Е С Н Нереципроктная А о
ГТ~1 ГХ^П^ГТЛ транслокация Д "
^-4—'—±—1—'^4—^
(транспозиция)
Рис. 6.1. Хромосомные перестройки:
О Н
III..?
/-делеция; 2 - дупликация; 3- инверсии; 4- транслокации (АйалаФ., КайгерДж
Современная генетика. — М., 1988. — Т. 3. — С. 33)
Дупликации. Это хромосомные мутации, при которых
происходит удвоение какого-либо участка хромосомы в
гаплоидном наборе. Дуплицированные участки часто образуют тандем
т.е. они располагаются друг за другом. Тандемную дупликацию
называют обращенной или инвертированной, если
последовательности генов в смежных участках взаимно противоположны. Если
дуплицированный участок расположен на конце хромосомы то
дупликация называется концевой.
248
Рис. 6.2. Кроссинговер у гетерозиготы а в
по перицентрической инверсии: I I
А — две гомологичные хромосомы; Б — А ^^^
кроссинговер между двумя несестрин- ОЖ1Е1ё-_~-ШЕ!11ХС
скими хроматинами; В — четыре
образовавшиеся хромосомы (Айала Ф., Кай-
герДж. Современная генетика. — М.,
1988.-Т. 3.-С. 45)
СОЕ
I I Г
А О С
В Е Е
й Е
Дупликации могут обла- _
дать фенотипическим
проявлением. Наиболее известным
примером служит мутация Ваг
в Х-хромосоме Вгозоркпа те-
1апо§а$1ег. Эта мутация
проявляет неполное
доминирование, уменьшая число глазных
фасеток. У самок,
гетерозиготных по Ваг, глаза
небольшие полосковидной формы,
у гомозигот и гемизигот по в (—
Ваг — еще меньше. ^ т-
Дупликации сравнительно ^_
небольших участков ДНК, С ,, „,,..... ,
состоящих из нескольких ну- А о
клеотидов, входящих в со- (
став одного гена или сосед- ~%~ д~
них генов, происходят в
процессе эволюции весьма час- с,-,., | ~
то. Так, около 10% генома Е Е в
мыши составляют частопов-
торяющиеся нуклеотидные послсдоиателыюети, примем каждый
такой участок содержит около К) пуклеотидои и попюряегся тан-
демно примерно 106 раз. Другие, более длинные
последовательности повторяются реже.
У эукариот некоторые структурные гены представлены в
генотипе двумя и более тождественными копиями.
Инверсии. Это хромосомшпе мутации, при которых
последовательность генов в каких-либо участках хромосомы меняется
на обратную. Происходит это путем попорота отдельных участков
хромосомы на 180°; при этом ни число хромосом, ни число генов в
каждой хромосоме не меняются.
В зависимости от местоположения инверсии и центромеры в
хромосоме инверсии подразделяют на две группы: при перицент-
рических инверсиях центромера входит в состав инвертированного
участка (рис. 6. 2), при парацентрических инверсиях — лежит вне
его (рис. 6. 3).
249
д Ь а
О

I
р
I
ТТТТТ
о
Рис. 6.3. Кроссинговер у гетерозиготы по парацентрической инверсии:
А — две гомологичные хромосомы; Б — конъюгация в мейозе и кроссинговер между двумя
несестринскими хроматидами; В — расхождение хромосом в начале анафазы первого мейотичес-
кого деления; /"—образовавшиеся хромосомы (АйалаФ., КайгерДж. Современная генетика.—
М., 1988. -Т.3. - С. 44)
В организмах, гомозиготных по хромосомной инверсии,
меняется последовательность сцепления генов. У гетерозигот по
инверсии для синапсиса гомологичных хромосом требуется
образование петли, включающей взаимно инвертированные участки.
При анализе цитологических препаратов хромосом, находящихся
па стадии пахитены, наличие таких петель указывает на гетеро-
зиготность по инверсиям. Сходные петли наблюдаются также в
полигонных хромосомах.
В потомстве особей, гетерозиготных как по парацентрическим,
так и по пери центрическим инверсиям, генетической
рекомбинации генов инвертированного участка не обнаруживается.
250
Гетерозиготные по инверсиям организмы, как правило, бывают
стерильны, поскольку половина образующихся при кроссинговере
гамет не способна к образованию жизнеспособных зигот.
Существуют, однако, исключения.
В заключение следует отметить, что инверсии довольно часто
встречаются у разных групп организмов и играют определенную
роль в эволюции. У цветковых растений, размножающихся
вегетативно, например у тюльпана, инверсии встречаются часто. Однако
этот тип структурных изменений отрицательно сказывается на
плодовитости.
Транслокации. Это хромосомные мутации,
возникающие при взаимном обмене участками между двумя
негомологичными хромосомами.
Транслокации наблюдаются как у животных, так и у растений.
В диких популяциях встречаются индивиды, гетерозиготные по
такого рода изменениям хромосом. Как правило, у гетерозигот по
транслокации, как и при других хромосомных перестройках,
понижена плодовитость.
У гомозигот по реципрокным транслокациям по сравнению с
исходными хромосомами изменяется характер сцепления; гены,
не сцепленные в исходных хромосомах, оказываются
сцепленными и наоборот. В гетерозиготах же гены обеих транслоциро-
ванных хромосом ведут себя так, как если бы они принадлежали
к одной группе сцепления, поскольку лишь гаметы, содержащие
родительский набор хромосом, могут образовывать
жизнеспособные зиготы.
У гетерозигот по реципрокным транслокациям в профазе мейоза
можно наблюдать характерную структуру — крест (рис. 6.4). Ее
появление связано с тем, что гомологичные участки, оказавшиеся
в разных хромосомах, притягиваются. Вместо бивалентов, т. с. пар
конъюгирующих хромосом, образуются квадривалеты, состоящие
из четырех связанных хромосом, каждая и:$ которых гомологична
одной хромосоме группы. В диакииезе хиачмы «сползают» от
центромер к концам хромосом, и крест трансформируется и кольцо.
Иногда хромосомы кольца переворачиваются и образуют фигуры
типа восьмерки.
Транспозиции. Это перемещения сегментов ДНК из
одного положения в другое либо в пределах той же хромосомы, либо
в другую хромосому без реципрокного обмена. Это явление
впервые было открыто Б. Мак-Клинток в 1950 г. в исследованиях по
генетике окраски зерна кукурузы. Было обнаружено появление
мутаций под влиянием определенных генетических элементов,
которые перемещались по хромосомам. Вначале их назвали
контролирующими элементами. Они бывают двух типов: инсерции —
относительно короткие последовательности ДНК, которые несут
информацию, необходимую для собственной транспозиции, и
транспозоны, которые помимо информации, необходимой для
251

А ВС ОЕ Г
А ВС ВЕР
Г Е О I Н в
~А~~ВС~~Гк
I К / С В А
Р Е О I НО
К У 1 Н в
СНI ОЕ Г
Рис. 6.4. Мейоз в гетерозиготе по транслокации. Вверху изображен крест,
образующийся при конъюгации в профазе мейоза хромосом, гетерозиготных по транслокации.
Во втором ряду представлены три конфигурации, которые могут возникать в метафазе
I. В двух нижних рядах представлены все шесть возможных типов образующихся
гамет. Полный набор генов содержат лишь два из них, изображенные слева. В гаметах
четырех остальных типов содержатся делеции и дупликации (Айала Ф., Кайгер Дж.
Современная генетика. — М., 1988. — Т. 3. — С. 49)
транспозиции, кодируют фенотипические признаки. Наличие
этих элементов вызывает нестабильность генов, которые
претерпевают частые мутации. Наряду с генными мутациями
контролирующие элементы вызывают появление разнообразных
перестроек хромосом.
Описанный Мак-Клинток на кукурузе первый подвижный
(мобильный, транспозирующийся) генетический элемент,
представленный множеством совместно функционирующих генов, обеспечи-
252
вает синтез красного пигмента антоцианина, обусловливающего
окраску зерен. Инактивация любого из этих генов приводит к
исчезновению окраски. Контролирующие элементы представляют
собой класс мутаций, вызывающих обесцвечивание зерен. Можно
было предположить, что контролирующий элемент
«перепрыгивает» из одного антоцианового локуса в другой.
Позднее подвижные генетические элементы были обнаружены
у других эукариотических организмов и у прокариот. Это
свидетельствует о том, что их присутствие является общим свойством
всех организмов.
Однако до конца не ясно, обладают ли эти элементы
полезными для организмов функциями. По этому поводу существуют
разные мнения. Так высказано предположение, что подвижные
генетические элементы представляют собой «эгоистическую ДНК»,
обеспечивающую лишь свое собственное размножение без какой-
либо сопутствующей пользы для своего носителя.
Здесь можно возразить, так как подвижные элементы
обладают способностью вызывать самые различные хромосомные
перестройки, и это может быть важным механизмом создания
внутривидовой изменчивости хромосомных структур. Кроме того, одна
из полезных функций подвижных генетических элементов может
состоять в том, что они способствуют включению в геном
организмов новых, «чужих» генов.
6.4. СПОНТАННЫЕ И ИНДУЦИРОВАННЫЕ МУТАЦИИ
Мутации, возникающие в естественных условиях, называют
спонтанными, а искусственно вызванные — индуцированными.
Однако доказано, что существуют общие причины смотанною и
индуцированного мутационного процессов.
6.4.1. СПОНТАННЫЕ МУТАЦИИ, ХАРАКТЕР
ИХ ПРОЯВЛЕНИЯ
Мутации являются новыми молекулярными состояниями
генов, столь же стойкими, как и гены, из которых они возникли.
Причины появления спонтанных мутаций бывают разными. Они
могут быть обусловлены действием па особь факторов
естественной среды или особенностями обмена веществ. Мутации
возникают и от внутренних причин, таких, как ошибки ауторепродукции
и кроссинговера, действие перемещающихся элементов и т. д.
Современные представления о причинах спонтанных мутаций
сформировались в 60-е годы XX в. благодаря выяснению
механизмов воспроизведения, репарации и рекомбинации генов, а также
открытию ферментных систем, ответственных за эти процессы.
253

Генные мутации начали объяснять ошибками в работе ферментов
матричного синтеза ДНК. Сейчас эта гипотеза получила всеобщее
признание. Она позволяет рассматривать и индуцированный
процесс как результат вмешательства внешних факторов в нормальное
воспроизведение носителей генетической информации, т. е. дает
единое объяснение причин спонтанных и индуцированных мутаций.
Были открыты гены, мутирование которых может увеличивать или
уменьшать частоту как спонтанных, так и индуцированных мутаций.
Естественные мутации обнаруживались человеком и
использовались в народной селекции с незапамятных времен. Одним
из первых мутантов, вошедших в анналы истории, является «рис
императора», обнаруженный китайским императором Канг-Хи
(1662—1723) во время прогулки по рисовому полю. Потомство
отобранного растения отличалось выдающейся скороспелостью и
высоким качеством зерна. Этот мутант оказался единственной
формой риса, которую можно было выращивать севернее Великой
китайской стены.
Другой наглядный пример практического использования
мутационного изменения — история выведения анконской овцы.
В 1791 г. в США на одной из ферм штата Массачусетс у овцы
родился ягненок с короткими искривленными ногами, который
вырос в крупного барана с нормальным экстерьером (за
исключением ног). От скрещивания его с матерью получили потомство,
которое сохранило приобретенный признак — короткие ноги.
Находчивый фермер решил использовать этот недостаток в своих
интересах. Поскольку коротконогих овец легче пасти, отпала
необходимость в изгородях. При дальнейшем скрещивании этих овец
между собой получались только анконские овцы. Так была
получена новая порода анконских овец, которая хорошо сохраняла в
последующих поколениях свой тип. Анконские овцы отличаются
от исходной породы только одним геном, вызывающим
своеобразное строение их тела. Поскольку анконский ягненок появился
от внешне нормальных родителей, можно заключить, что у них
этот ген находился в гетерозиготном состоянии и, будучи
рецессивным, не проявлял себя.
События, подобные выведению анконской овцы в результате
мутации одного гена, случаются нечасто. Это связано с тем, что
интересующие селекционера-животновода признаки, такие, как
плодовитость, крепость сложения, молочная и мясная
продуктивность и другие свойства, контролируются действием многих генов.
Однако в пушном звероводстве мутационное изменение одного
гена может привести к резкому изменению окраски волосяного
покрова животного. Примером этому может служить выведение
новых пород норки и лисицы.
Первые большие выставки норок были проведены в 1929 г. в
США и в 1931 г. в Канаде. Все животные на этих выставках имели
темную окраску шкурок, характерную для дикого типа норки.
254
ль В 1931 г. хозяин одной из звероводческих ферм в штате
Висконсин обнаружил самку норки светлого тона, ставшую
родоначальницей первой мутантной породы — платиновой норки. На аукционе в
Нью-Йорке в 1944 г. она произвела настоящую сенсацию.
Мутация платиновой окраски появилась на одной из
звероводческих ферм и в потомстве серебристо-черной лисицы. Уже в
1937 г. на пушном аукционе в Норвегии цена на платиновые
шкурки поднялась до 1000 долл. за пару. Производители стоили
по 6000 долл. При скрещивании этих животных с нормальными
серебристо-черными самками в потомстве появлялись как
платиновые, так и серебристо-черные лисята. Это свидетельствует о
том, что платиновая окраска меха у лисы в отличие от норки
обусловлена доминантным аллелем (обозначим его буквой Р).
Поскольку при спаривании первого мутантного самца с нормальной
самкой получили потомство из трех серебристо-черных и четырех
платиновых лисят, очевидно, что он был гетерозиготен по этому
гену (Р+) (рис. 6. 5). Разумеется, звероводы сразу же попытались
вывести чистокровную линию ценной породы, но все их попытки
оказались безрезультатными. Ни одно из платиновых животных
не было чистокровным. При спаривании их между собой наряду с
платиновыми лисятами появлялись и серебристо-черные, причем
Родители
Гаметы
Щенки
Платиновые
Серебристо-
черная
Рис. 6.5. Наследование платинового окраса у лисицы:
Р— мугантный аллель гена платинового окраса меха; Р* — его нормальный аллель (Гужов Ю. Л.
Что такое мутагенез и полиплоидия. — М., 1967. — С. 42)
255

в отношении не 3 : 1, а 2 : 1. Такое отношение возможно в том
случае, если гомозиготная особь РР погибает еще в утробе матери в
эмбриональном состоянии.
Таким образом, эффект платинового гена зависит от того,
присутствует ли он в двойной дозе (гомозиготная особь) или в одной
дозе (гетерозиготная особь). В первом случае нарушение в
развитии настолько велико, что эмбрион гибнет (летальный эффект).
Причем летальный эффект проявляется только в том случае, если
мутантный аллель находится в обоих локусах гомологичных
хромосом. В гетерозиготном же состоянии (Р+) обеспечивается
нормальное развитие животного при фенотипическом проявлении
платинового окраса меха.
Мутационная изменчивость присуща всем живым организмам;
она может затрагивать все признаки и свойства. Известно много
примеров множественного аллелизма по различным признакам.
Одним из наглядных примеров может служить серия аллелей гена
кролика, определяющего окраску меха (см. рис. 2. 12, табл. 2. 8).
Характерный рисунок окраски наблюдается у гималайских
кроликов и сиамских кошек. У этих животных основная поверхность
тела имеет соответственно белый или светлый окрас, а уши, хвост,
лапы и нос — черный. Эти особи несут мутантный ген,
определяющий образование черного пигмента только при пониженной
температуре. Поскольку конечности охлаждаются сильнее, чем
тело, то на них и образуется черный волосяной покров.
Частота мутирования. У разных видовых форм и отдельных
генов частота мутирования бывает неодинаковой. Одни гены
обладают сравнительно высокой мутабильностью, другие мутируют
редко. В таблице 6.1 приведена сводка данных по мутабиль'ности
ряда генов у кукурузы и дрозофилы.
6.1. Частота возникновения естественных мутаций отдельных генов у кукурузы
и дрозофилы
Объект
Мутация от нормальных аллелей к рецессивным
Число
изученных
гамет
Число
мутаций на
1 млн гамет
Кукуруза
Дрозофила
ЦЪ (восковой эндосперм)
рг (красная окраска алейрона)
$к (сморщенный эндосперм)
,ул (сахаристый эндосперм)
/ (желтая окраска)
гг (антоциан)
у (желтое тело)
м> (белые глаза)
к (глянцевые глаза)
с1 (вырезки на крыльях)
V (яркие глаза)
/(скрученные щетинки)
1 503 744
647 102
2 469 285
1678 731
256 397
43 416
70 000
70 000
70 000
60 000
60 000
6000
0
11
1,2
2,4
106
1820
29
29
29
150
30
30
256
г.-а1
Анализ данных, приведенных в таблице 6.1, показывает, как
велики различия в способности к мутациям отдельных генов: от
исключительной стабильности отдельных генов (Жх у кукурузы)
до очень высокой мутабильности (у гена гг).
В случаях прямого и обратного мутирования частота
возникновения мутаций различна. Так, у ЕзскепсЫа соН ген, контролирующий
синтез гистидина, мутирует в рецессивные аллели в 50 раз чаще, чем
последние мутируют в нормальное состояние этого гена.
Спонтанные мутации у человека. Естественные мутации у
человека появляются довольно часто (табл. 6.2). Так, мутация альбинизма
обнаружена у всех рас человека. От гемофилии типа А, или от так
называемой королевской гемофилии, страдают тысячи мужчин
(120—160 человек на 1 млн). Частота гемофилии В значительно
ниже — 10—15 на 1 млн мужского населения. Гемофилия А
обусловлена несвертываемостью крови вследствие дефекта или отсутствия
в организме антигемофилъного глобулина (или фактора VIII).
Болезнь выражается в неостанавливаемых кровотечениях,
возникающих даже при незначительных поранениях, что приводит к гибели
больных в раннем возрасте. У больных не образуется фибрин из
фибриногена, нити которого играют важную роль в реакции
свертывания крови. Гемофилия А наследуется как рецессивный аллель (к) в
Х-хромосоме, т. е. обнаруживает сцепление с полом. Лечение
больных основано на введении им больших количеств антигемофильно-
го глобулина, получаемого из донорской крови.
Гемофилия В открыта сравнительно недавно. Она связана с
дефектом другого фактора свертывания крови — тромботастшш, или
фактора IX. Это также рецессивный признак, сцепленный с полом.
6.2. Сравнительная частота
Характер наследования
возникновения генных мутаций у человека
(Дубинин, 1986)
Признак (заболевание)
Число мутаций
на 1 млн гамет
Аутосомные доминанты
Аутосомные рецессивы
Рецессивный, сцепленный
с полом
Туберкулезный склероз
Талассемия
Пслыер-аиомалия
Хоидродиетрофия
Ретинобластома
Эпилойм
Аниридия
Альбиничм
Цветовая слепота
Микрофтал м ия
Инфантильный идиотизм
Ихтиоз
Гемофилия А
Гемофилия В
Мышечная листпо<пия типа
800
400
100
70
23
10
5
28
28
15
11
11
37-52
2-3
43-105
Дюшена
Глазо-лице-пальцевый синдром
257

11а примере с гемофилией были разработаны подходы к
установлению частоты возникновения мутаций определенных генов у
человека. Дж. Холдейн (1957) рассчитал, что одна треть мутаций
гемофилии должна исчезать из популяций человека в каждом
поколении, поскольку у женщин рецессивная мутация гемофилии
(А) может скрываться от действия отбора в гетерозиготном
состоянии (НИ). Мужчины, имея одну Х-хромосому, при получении
данной мутации заболевают и, как правило, не оставляют потомства.
Однако число генов гемофилии в популяции человека не
уменьшается. Отсюда следует, что частота вновь возникающих мутаций
должна быть равна числу мужчин, больных гемофилией. Этот и
другие методы позволили установить частоту возникновения
мутаций для целого ряда генов в популяции человека. Часть этих
данных представлена в приведенной выше таблице.
6.4.2. ИНДУЦИРОВАННЫЙ МУТАГЕНЕЗ
До 1925 г. генетики имели дело только с естественными
мутациями. Предпринимаемые попытки повысить частоту мутаций
вначале не приносили успеха. Складывалось впечатление, что
мутационный процесс не зависит от факторов окружающей среды.
Это представление способствовало увеличению числа сторонников
автогенетической концепции, согласно которой эволюцию
организмов связывали с действием только внутренних факторов.
Первая удачная попытка индуцирования мутаций была
осуществлена академиком Г. А. Надсоном и его учеником Г. С.
Филипповым в Ленинграде на микроорганизмах. В 1925 г. они показали,
что с помощью рентгеновского излучения можно во много раз
увеличить мутационную изменчивость дрожжевых клеток. Однако
пальма первенства в этой области исследований досталась
американскому ученому Г. Д. Мёллеру, который в 1927 г. на V
Международном генетическом конгрессе в Берлине показал на примере
плодовой мушки дрозофилы высокую мутагенную активность
рентгеновского излучения. В 1946 г. ему была присуждена Нобелевская
премия по физиологии и медицине «за открытие появления
мутаций под влиянием рентгеновского облучения» (Лауреаты
Нобелевской премии. Энциклопедия. — М., 1992. — Т. 2 — С. 57).
В 1928—1930 гг. русские исследователи А. А. Сапегин и Л. Н.
Делоне провели первые опыты по использованию излучения для
получения исходного материала в селекции зерновых культур. Оба
пришли к выводу, что искусственные мутанты могут быть
хорошим исходным материалом для селекции. В том же 1928 г.
американский генетик Л. Стадлер успешно индуцировал с помощью
рентгеновского излучения мутации у кукурузы и ячменя.
Метод искусственного получения жизнеспособных полезных
мутаций приобретает все большее значение в генетике и селекции.
258
К настоящему времени разработано много приемов
индуцирования мутаций. В их основе лежит воздействие на организмы
различными физическими факторами (мутагенами). Из них в
практике используют главным образом ионизирующие излучения
различного типа и некоторые химические вещества.
Действуя этими факторами на клетки организма, можно резко
повысить их мутационную изменчивость.
Интерес к мутагенезу обусловлен тем, что мутации часто
представляют большую селекционную ценность, так как у них могут
возникнуть новые, ранее неизвестные полезные признаки.
Подмечен (Ю. Л. Гужов, 1975) чрезвычайно интересный в
эволюционном и селекционном отношении факт: одни и те же новые
признаки, например различные типы листа у гороха, могут появляться
разными путями: на основе генетической рекомбинации (рис. 6.6) и
мутагенеза (рис. 6. 7). В отдельных случаях с помощью мутагенеза
можно обойти технические трудности, связанные со
скрещиванием культур с мелкими цветками (проса, дагуссы и др.).
Мутации, даже доминантные или полудоминантные, не всегда
можно обнаружить в потомстве. Это относится прежде всего к тем
случаям, когда какой-либо признак определяется совместным
влиянием нескольких или многих генов, каждый из которых в
отдельности обладает слабым действием. Так наследуются
количественные признаки, например урожайность растений, их высота и др.
Мутации такого типа нелегко распознать еще и потому, что их
эффект может быть приписан влиянию среды. В селекционном же
отношении эти мутации могут быть ценными.
Возможность в сотни раз увеличивать скорость мутационного
процесса путем искусственного индуцирования мутаций покос не
означает, что генетики и селекционеры утратили всякий
практический интерес к естественным мутациям.
Отдельные естественные мутации сыграли выдающуюся роль в
создании ценных современных сортов и гибридов растений. Так,
возникшие в результате естественного мутагенеза гены
карликовости японского сорта озимой пшеницы N01111 К) переданы
сотням короткостебельных сортов интенсивного типа, которые
занимают в мире огромные площади.
Выявление карликового естественного мутанта риса Оее-Оео-
\Уоо-Оеп стало поворотным пунктом в истории селекции этой
культуры. На основе этого мутанта получены многие десятки
сортов интенсивного типа, обладающие высокой продуктивностью и
устойчивостью к полеганию.
Мутации кукурузы орадие-2 и Яоигу-2, обеспечивающие
улучшение качества белка в зерне благодаря увеличению доли
незаменимых аминокислот лизина и метионина, также относятся к
естественным.
В 1968 г. шведские исследователи А. Хагберг и К. Карлсон (На§-
Ъег§ А., Кагкзоп К., 1969) выделили из мировой коллекции ячменя
259

из Эфиопии высокобелковую и высоколизиновую линию
голозерного ячменя С1 3947-Шрго1у, которая может служить источником
улучшения качества белка у новых сортов этой культуры. Она
отличается высоким содержанием белка (15—18 %) и лизина в белке
(4,1—4,5%). В этой форме рецессивный ген, контролирующий
высокое содержание лизина 1уз наследуется независимо от уровня
содержания белка.
Рис. 6.6. Наследование типа листа у гороха при скрещивании сортов с акациевидным
и усатым типами листа. Комплементарное взаимодействие двух пар аллелей,
расположенных в 1-й (Х° — /") и 7-й (Ь'—Р) хромосомах (ГужовЮ. Л., Фукс А., Вали-
чек П. Селекция и семеноводство культивируемых растений. — М., 1999. — С. 58.
Оригинал автора)
260
Рис. 6.7. Направления мутационной изменчивости генов, контролирующих тип листа
у гороха: жирной стрелкой показаны процессы, подтвержденные экспериментально
(Гужов Ю. Л., Фукс А., Валичек П. Селекция и семеноводство культивируемых
растений. — М., 1999. — С. 243. Оригинал автора)
Число подобных примеров можно было бы продолжить.
Несмотря на большую практическую ценность отдельных
естественных мутаций, из-за их низкой частоты и трудностей обнаружения
измененных форм этот метод не может быть положен и основу
современной плановой селекционной работы.
Все более важную роль в селекции растений приобретает метод
искусственного получения жи (неспособных поле пил мутаций.
Известно много примеров создания практически цепных
индуцированных мутаций путем воздействии па организмы различными
физическими и химическими факторами. При этом могут
возникать мутации разных типов, селекционная ценность которых
неодинакова. Располагая большим разнообразием исходных форм,
селекционер отбирает среди многих вредных и бесполезных
мутантов единичные ценные образцы и использует их при
выведении новых сортов.
Методы индуцирования мутаций. Для
получения мутаций применяют различные источники ионизирующих
излучений, чаще всего рентгеновское и у-излучения, а- и (3-час-
тицы, быстрые и медленные нейтроны. Высокой мутагенной
261

активностью обладают и радиоактивные изотопы 32Р и 358.
Однако из-за трудностей, связанных с их хранением и практическим
применением, радиоактивные изотопы менее широко используют в
селекционной практике.
Чувствительность различных видов растений к радиации
неодинакова. При выборе дозы облучения приходится учитывать не
только их видовую специфичность, но и физиологическое
состояние, а также некоторые другие факторы. Например, освобождение от
цветковых чешуи повышает радиочувствительность семян риса.
Долгое время в качестве единиц дозы рентгеновского и гамма-
излучения использовали рентген (обозначения: русское — Р,
международное — К.) или рад (обозначения: русское — рад,
международное — гай). После принятия в нашей стране Международной
системы единиц СИ (Зуйет 1п1егпа1юпа1 — 81) физические
величины рентген и рад исключены из употребления.
В соответствии с этой системой единиц в качестве единицы
поглощенной дозы ионизирующего излучения при рентгеновском и
у-излучениях принят грей (Гр). 1 Гр = 1 Дж/кг =100 рад.
Получение мутаций с помощью излучений.
Излучения, вызывающие мутации, подразделяют на два вида:
ионизирующие и неионизирующие.
Ионизирующие излучения. В генетических исследованиях и
селекционной работе применяют разнообразные ионизирующие
излучения. Наиболее широко используют рентгеновское, у- и
нейтронное излучения, которые получили название ионизирующих
благодаря способности ионизировать атомы и молекулы в клетках
облучаемого объекта. В результате этого в клетках происходят
изменения биологических систем, в частности локальная
денатурация молекул ДНК. Последующее устранение этих нарушений
структуры (репарация) приводит к возникновению мутаций.
Рентгеновское излучение. Его начали
использовать в селекции для получения мутаций раньше других
источников; широко применяют и в настоящее время.
у-и злучение. Источником обычно служит радиоактивный
кобальт (б0Со) или цезий (137С8). На объект можно воздействовать
двумя способами обработки: острым (мощным источником при
сравнительно кратковременном его действии) и хроническим
(длительным, но значительно более слабым).
Для кратковременного облучения служат специальные мощные
облучательные установки. Для ознакомления с принципом их
работы рассмотрим одну из таких установок (рис. 6.8). Основой ее
служат восемь стержней из радиоактивного кобальта. Когда
стержни сдвинуты к центру, они располагаются по окружности
диаметром 17 см. Если раздвинуты до предела, то диаметр
окружности составляет 112 см. Радиоактивная часть установки
смонтирована на дне глубокого бассейна, заполненного трехметровым слоем
воды. Объекты помещают в специальный сосуд-контейнер, кото-
262
Рис. 6.8. Гамма-установка для облучения
биологических объектов (конструкции X. М. Райхлина):
1 — подъемный механизм; 2— камера с облучаемым
объектом; 3 — пульт автоматического управления; 4—бак,
заполненный водой; 5— восемь стержней из
радиоактивного кобальта (60Со); 6—пробка аварийного отсека;
7— аварийный отсек (Гужов Ю. Л. Что такое мутагенез
и полиплоидия. — М., 1967. — С. 78)
рый с помощью особых механизмов
опускают под воду и располагают в центре
между стержнями. При этом сотрудник,
работающий на установке, надежно
защищен от излучения. При предельно
близком расположении стержней объект,
находящийся в центре круга,
подвергается ионизирующему излучению
мощностью поглощенной дозы до 0,16 Гр/с, в
то время как при наиболее
раздвинутом — дозой в 100 раз меньше.
Длительное воздействие на растения
малыми дозами проводят на так
называемом у-поле. В этом случае источник
излучения располагают в центре поля,
засеваемого теми или иными культурами.
Растения, находящиеся на разном
расстоянии от источника, поглощают
неодинаковую дозу ионизирующего
излучения, поскольку она снижается по мере
удаления от него.
Установлена прямо пропорциональная зависимость между
дозой излучения и частотой появления мутаций (рис. 6.9). Однако
эта пропорциональность (линейная зависимость мугаций.огдозы)
наблюдается в основном в интервале 100%-ной выживаемости. С
Рис. 6.9. Зависимость между
частотой появления сцепленных с
полом летальных мутаций у
дрозофилы и дозой рентгеновского
излучения (Н. В.
Тимофеев-Ресовский из кн.: Дубинин Н. П. Общая
генетика. — М., 1986. — С. 267)
I15
I
I
б о
10
20 30 40
Доза, Гр
50 60
263

Млекопитающие
Золотая рыбка
Тритон
Улитка
Насекомые
Бактерии
Амебы
Парамеции
Инфузории
0,10
1
10 100
Доза, Гр
1000
10000
Рис. 6.10. Радиочувствительность разных видов живых организмов:
А — морская свинка; Б— человек; В— мышь
(Дубинин Н. П. Общая генетика. — М., 1986. — С. 267)
переходом в интервал ЛД0—ЛД100 (ЛД0 —порог выживаемости,
ДДюо — гибель всех растений) выход мутаций уже не может
увеличиваться пропорционально дозе, так как с ее повышением будет
возрастать гибель растений и относительное число
жизнеспособных мутантов после достижения максимума начинает снижаться.
Чувствительность различных биологических объектов к
излучениям неодинакова (рис. 6.10). Следовательно, чтобы
вызвать мутации у разных видовых форм, необходимы различные
дозы мутагенов. Их следует подбирать не только с учетом
видовой принадлежности обрабатываемых объектов, но и некоторых
других факторов. Например, для получения одинакового
процента мутаций у покоящихся и прорастающих семян на первые
нужно воздействовать большей дозой, чем на вторые.
Вегетативные органы растений более чувствительны к излучению, чем
покоящиеся семена.
При высоких дозах излучения, приводящих к сильным
повреждениям, доля хозяйственно ценных мутаций меньше, чем при
средних. Поэтому в селекционных целях рекомендуют
использовать дозы излучения в 1,5—2 раза ниже критических. Лучшими
считаются те, которые лишь незначительно снижают всхожесть
семян и мало угнетают рост растений. Оптимальные дозы у- и
рентгеновского излучения, дающие высокий выход хозяйственно
полезных мутаций, приведены ниже:
264
Горох овощной
Бобы
Арахис
Фасоль
Соя
Люпин
30-50
30-40
40-70
50-70
50-80
140—160
Культура Доза, Гр Культура Доза, Гр
Пшеница яровая 50—100
и озимая
Ячмень яровой 50—100
Овес 70—100
Кукуруза 50-100
Горох зерновой 50—100
Горох кормовой 80—120
Оптимальную дозу существенно снижают, если обрабатывают
проросшие семена (для пшеницы и ячменя — 15 Гр) или вегетиру-
ющие растения.
Неионизирующие излучения. Генетически эффективным неиони-
зирующим излучением считают ультрафиолетовое (УФ). Оно имеет
значительно большую длину волны (200—400 нм), чем
ионизирующие излучения, и меньшую энергию. При его воздействии
происходит не ионизация вещества, а только возбуждение молекул.
Получение мутаций с помощью химических
мутагенов. В селекции наряду с ионизирующими
излучениями используют химические мутагены. Возможность
получения мутаций под влиянием химических веществ была
установлена в начале 30-х годов. Приоритет открытия многих
высокоактивных мутагенов, широко применяемых в настоящее время,
в том числе этиленимина, принадлежит профессору И. А.
Рапопорту (1946).
Известны серии мутагенных веществ, относящихся к
различным классам химических соединений. В их числе такие нажпыс
мутагены, как этилметансульфонат, диэтилсульфат, 1, 4-бисдиа-
зоацетилбутан, нитрозоалкилмочевины и др.
Химическими мутагенами можно обрабатывать сухие и
проросшие семена, черенки, клубни, луковицы, ипъспировать ути
вещества в стебель растений перед вступлением их в генеративную
фазу и т. д. Продолжительность обработки семян варьирует от 3 до
18ч. Ниже приведены примерные концентрации мутагенов для
обработки сухих семян. Эти данные ориентировочные, для
каждой культуры и сорта их целесообразно уточнять в
предварительных опытах.
Концентрации мутагенов при обработке сухих семян
приведены ниже:
Мутаген
Этиленимин
Этилметансульфонат
Гидроксиламин
1,4-Бисдиазоацетилбутан
Диметилсульфат
Нитрозоэтилмочевина
Нитрозометилмочевина
Концентрация водного раствора,
% (по объему)
0,01—0,06
0,1-0,5
1,5-3,0
0,2-0,5
0,01-0,2
0,01—0,05
0,001-0,005
265

Установлено, что по мере увеличения концентрации мутагена
до определенного уровня частота жизнеспособных мутаций
возрастает, а затем происходит ее снижение в результате гибели клеток,
в которых возникли изменения при повышении концентрации
мутагена сверх оптимальной величины.
Следовательно, использование высоких концентраций
мутагенов в селекционной работе нецелесообразно, но они не должны
быть и слишком низкими, иначе воздействие будет слабым.
Химические мутагены оказались во многих случаях
значительно эффективнее физических. Если под влиянием излучений у
сельскохозяйственных растений возникает до 10—15 %
жизнеспособных мутантов, то химические мутагены позволяют увеличить
этот показатель до 30—60 %. При использовании некоторых
химических мутагенов наблюдается более специфическая
изменчивость. Однако это не значит, что радиационные методы селекции
могут быть полностью заменены химическими.
Вопросы и задания. 1. Какова связь закона гомологических рядов в
наследственной изменчивости Н. И. Вавилова с мутационной изменчивостью? 2.
Перечислите принципы классификации мутаций. 3. На какие типы подразделяются
мутации в зависимости от характера изменения генетических структур? 4. Что
означает понятие «сдвиг рамки считывания»? 5. В чем отличие транзиций от
трансверсий? 6. Охарактеризуйте разные типы хромосомных перестроек. 7. Какие типы
геномных мутаций вам известны? 8. В чем специфика наследования генеративных
и соматических мутаций? 9. В чем различия спонтанных и индуцированных
мутаций? Какова их частота? 10. Как часто мутируют гены у человека? Приведите
примеры. 11. Назовите основные методы индуцирования мутаций. 12. Как
используют ионизирующие излучения и химические мутагены в селекции?
Литература
Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. В 3-х т./Пер.с англ. - М ■ Мир
1987—1988.
Глава 7
ГЕТЕРОПЛОИДИЯ
Для получения нужных форм растений, отсутствующих в
природе, наряду с гибридизацией огромное значение имела разработка
методов искусственного получения мутаций. Геномную мутацию,
затрагивающую всю систему генотипа, называют полиплоидией.
Под полиплоидией понимают кратное увеличение основного
числа хромосом в ядре, а всякое отклонение числа хромосом от
нормального диплоидного в сторону как увеличения, так и
уменьшения, а также кратное и некратное называют гетерополиплоидией
или гетероплоидией.
Первые шаги по экспериментальному получению полиплоидов
были сделаны профессором Московского университета И. И.
Герасимовым, который в 1889 г. путем температурных воздействий
получил у водоросли спирогира клетки с удвоенной массой
ядерного вещества. Им же были апробированы для получения таких
клеток хлороформ, эфир и хлоралгидрат.
т В 1916г. Г. Винклер, изучая прививки паслена на тома!,
обнаружил в местах соединения привоя и подвоя клетки с
увеличенным набором хромосом. Ученый назвал это явление
полиплоидией (от греч. рогу — многократный и р1оо8С1(1ок — вид).
Полиплоидия постоянно привлекала к себе внимание
селекционеров и генетиков. Так в 1909 г. Р. Гейтс обнаружил, что
гигантский мутант энотеры, открытый До Фризом, был естественным
тетраплоидом (2л = 28). Интерес к полиплоидии еще больше
возрос в 40-х годах XX в., когда американские исследователи Блексли
и Эйвери, а также Эйгсти, Небель и Раттл (1937) провели
многочисленные успешные опыты по обработке семян и растений
колхицином с целью получения полиплоидов и разработали
основные способы удвоения числа хромосом в клетках растений.
Механизм действия колхицина на делящиеся клетки состоит в
том, что он блокирует веретено деления в метафазе, в результате
чего дочерние хромосомы не расходятся к полюсам, а остаются в
центре материнской клетки (С-митоз или ЛГ-митоз).
Экспериментально возникшая в 30-х годах XX в. полиплоидия
стала играть огромную роль в селекции сельскохозяйственных
растений, а также в генетической инженерии.
267

7.1 .'КЛАССИФИКАЦИЙ ПОЛИПЛОИДОВ
Среди полиплоидов различают эуплоиды, формы с кратным
изменением основного числа хромосом, и анеуплоиды, имеющие
в основном наборе увеличенное или уменьшенное, но не кратное
гаплоидному число хромосом.
У эуплоидов выделяют два полиплоидных ряда:
сбалансированный — ортоплоиды (дишюиды, тетраплоиды, гексаплоиды
и т. д.) и несбалансированный анортоплоиды (гаплоиды, трипло-
иды, пентаплоиды и т. д.). Кроме того, эуплоиды подразделяют на
автополиплоиды (автоплоиды), полученные полиплоидизацией
набора хромосом одного вида, и аллополиплоиды (аллоплоиды), при
образовании которых происходит полиплоидизация наборов
хромосом гибрида разных видов.
К аллополиплоидам относятся и амфидиплоиды (амфипло-
иды) (термин Навашина М. С, 1927 г.), т. е. отдаленные
гибриды, содержащие в соматических клетках по диплоидному
хромосомному набору от каждого из родителей, например многие
культурные растения (тетраплоидные пшеницы и овес, брюква,
рапс и др.) и искусственно созданные виды (тритикале, ра-
фанобрассика, перко-гибрид между тетраплоидной сурепицей и
китайской капустой).
Аллополиплоиды, имеющие три гаплоидных набора хромосом
от разных видов, называются аллотриплоидами, пять — аллопен-
таплоидами и т.д. Отдаленные гибриды с полуторным набором
геномов разных видов называют сесквиполиплоидами.
Аллополиплоиды, содержащие геномы различных видов с
гомологичными сегментами хромосом или целыми хромосомами, называют
сегментными полиплоидами (Стеббинс, 1963).
В качестве критериев для установления природы полиплоидов
используют следующие показатели: число хромосом,
морфологию, конъюгацию хромосом, характер расщепления.
Автополиплоиды имеют кратное одному основному набору
число хромосом, морфологически сходны с диплоидным предком,
образуют мультиваленты, обладают полисомическим (присущим
полиплоидам) характером расщепления.
Аллополиплоиды содержат кратное одному или нескольким
основным наборам число хромосом, сходны с двумя или
несколькими предками, редко образуют мультиваленты, проявляют ди-
сомический (присущий диплоидам), иногда полисомический
характер расщепления.
У сегментных аллополиплоидов имеются конъюгация и
образование отдельных бивалентов в мейозе гибрида первого
поколения, но у них наблюдается высокая стерильность, они не
константны, склонны к расщеплению по признакам исходных видов.
Сходными с сегментными аллополиплоидами показателями
характеризуются сесквиполиплоиды.
268
\; В природе встречаются также автоаллоплоидьт, которые
способны существовать только на гексаплоидном, редко пентаплоид-
ном и более высоком уровнях плоидности. К ним относится
топинамбур, паслен черный, автоаллооктоплоидный табак курительный,
земляника ананасная, чилийская и виргинская, шиповник.
Анеуплоиды подразделяют на моносомики (2п— 1), нул-
лисомики (2п — 2), трисомики (2л + 1) и тетрасомики (2п + 2).
Такое деление основано на избытке или недостатке хромосом в
гомологичных парах. Среди основных типов анеуплоидов могут
возникать всевозможные сочетания: двойные трисомики (2л +1 + 1),
двойные тетрасомики (2п + 2 + 2), двойные моносомики (2л — 1 — 1),
двойные нуллисомики (2л — 2 — 2), трисомики-нуллисомики (2п +
+ 1 — 2) и т. д.
По способу возникновения полиплоиды могут быть митотичес-
кими и мейотическими (образование нередуцированных гамет).
Если полиплоидизация проходит при первом делении зиготы,
то все клетки зародыша будут полиплоидными. Такая
полиплоидизация называется зиготической.
7.2. ПОЛИПЛОИДНЫЕ РЯДЫ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ
ПОЛИПЛОИДОВ В ПРИРОДЕ
Основное число хромосом полиплоидного ряда — гаплоидное,
что принято обозначать п=х. Диплоидное состояние организмов —
первый шаг полиплоидии, его обозначают 2л = 2х. Развитие у
высших растений при двойном оплодотворении триплоидного
эндосперма подтверждает, что возникновение полиплоидии в
эволюции растительного мира — не случайность. Увеличение основного
числа хромосом в несколько раз ведет к появлению
полиплоидного ряда внутри вида, рода или семейства. Наиболее часто
полиплоиды встречаются у мхов, папоротников, покрытосемянных
растений, особенно многолетних травянистых, в меньший степени у
однолетних и древесных. У голосемянных растений полиплоиды
редки. В северных широтах и в высокогорьях полиплоидных
видов больше, чем в южных и на равнинах (Тшмлер, 1935).
По мнению В.В.Сахарова, почти половина важных
культурных растений относится к полиплоидам.
Главным внешним фактором, способствующим становлению
полиплоидов, считают появление новых экологических ниш
(Стеббинс, 1956). В их отсутствие новые полиплоиды вынуждены
конкурировать с диплоидами и уступают им.
Народная селекция, руководствуясь стремлением отобрать
растения с крупными цветками, семенами, плодами, привела к тому,
что самые распространенные культурные растения — полиплоиды.
У многих родов растений различные виды образуют правильные
естественные полиплоидные ряды: пшеница, овес, ячмень (14, 28,
42), картофель (24, 36, 48, 60, 72), свекла (18, 36, 54), подсолнеч-
269

ник (34, 68, 102), кукуруза (10, 20), рис (24, 48), люпин (36, 40, 48,
50, 52, 96), лен (18, 30, 36, 60), хлопчатник (26, 52), вика (10, 12,
14, 28), клевер (16, 24, 32, 48), люцерна (16, 32, 48), тимофеевка
(14, 28, 42), костер, пырей, мятлик и овсяница (14, 28, 42, 56, 70),
земляника (14, 28, 42, 56), малина (14, 21, 28), слива (16, 32, 48),
роза (14, 21, 28, 35, 42, 56), ямс (20, 30, 40, 50, 60, 70, 80),
шелковица (и = 14, 28—308), кактусы (я = 11, 22—264) и др. Многие роды,
например лен, имеют не один, а два полиплоидных ряда.
К автоплоидам относятся картофель, люцерна, кофе, сахарный
тростник, батат, арахис. Поскольку из-за нарушений в мейозе
семенная продуктивность этих видов снижена, многие из них
размножают вегетативно.
У аллополигоюидов, среди которых наиболее широко
распространены пшеница, овес, рапс, брюква, горчица сарептская и
другие культуры, мейоз протекает без нарушений и семена хорошо
образуются.
Иногда различные виды одного рода отличаются друг от
друга не кратным увеличением исходного числа хромосом, а на 1,
2, 3 хромосомы и т.д. Такие соотношения хромосом называют
анеуплоидными рядами. Они обнаружены у вики, люпина и
других культур.
Анеуллоидный ряд представлен в происхождении видов рода
капуст, который имеет 6 типов хромосом (я = 6). В гаплоидном
наборе горчицы черной (и = 8) две добавленные хромосомы,
капусты (и = 9) — три, сурепицы, репы и турнепса (л = 10) — четыре.
Полиплоидные ряды часто сочетаются с анеуплоидией. В
основном такие формы размножаются вегетативно. Примером может
служить сахарный тростник, имеющий полиплоидно-анеуплоидный
ряд с 2л=60, 70, 80, 82, 84, 90, 96, 98, 100, ПО, 116, 118, 140, 144.
7.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛИПЛОИДОВ
Полиплоиды можно получить с помощью физических,
химических и генетических методов.
Физические методы получения полиплоидов. Из физических
методов чаще применяют:
температурные воздействия (шоки), с помощью которых были
получены тетраплоиды огурца, кукурузы, ячменя;
облучение Х- и у-лучами. Таким путем получены тетраплоиды
табака, ржи;
механические воздействия. Наибольшего внимания из них
заслуживает метод декапитации, при котором срезают точку роста.
В дальнейшем в месте среза могут появиться тетраплоидные
побеги (аналогичное явление наблюдается при прививках,
пасынковании и т. д.). Таким способом были получены тетраплоидные
формы томата, свеклы, тетраплоидная и октаплоидная капусты. Ме-
270
тод декапитации дает хорошие результаты у тех растений, которые
обладают способностью к регенерации.
Генетические методы получения полиплоидов. К генетическим
методам относятся:
получение полиплоидов в результате межвидовых и межродовых
скрещиваний, которые приводят к аномальному прохождению
мейоза у гибридов. При этом могут возникать 4 типа аномалий:
• до конца не осуществляется первое или второе деление
мейоза (возникает при отставании хромосом в мейозе у гибрида);
• хромосомы делятся дважды (это наблюдается при полном
отсутствии спаривания хромосом);
• возникает «синдигатоидия» или образование двухъядерных
материнских клеток пыльцы или зародышевого мешка;
• первое деление мейоза подавляется и образуются диады
спор с увеличенным набором хромосом;
• получение полиплоидов в результате полиспермии, когда
яйцеклетка оплодотворяется двумя или более спермиями.
Химические методы получения полиплоидов. В настоящее время
наиболее часто полиплоиды получают с помощью химических
веществ, вызывающих полиплоидизацию (эфир, хлороформ, закись
азота, хлоралгидрат, наркотики, аценафтен, нафталин, хлористый
сангуинарин, гамексан, ауранция, линдан, фенилуретан, вератрин).
Наиболее эффективным из таких веществ является колхицин,
который вызывает удвоение числа хромосом у растений. Свое
название колхицин получил от латинского названия растения
безвременника — колхикум, которое древние греки вывозили для
лечебных целей из Колхиды (по-гречески Колхос). Экстракт ич
клубнелуковиц безвременника греки и римляне использовали для
лечения подагры. Греческий ботаник и врач Диоскорид описал
это растение и дал ему название колхикон. Латинское название
колхикум было ему присвоено К. Линнеем.
Колхицин содержится в растениях и клубнелуковицах
следующих родов семейства лилейных: колхикум (Сок-Икит), меренде-
ра (Мегепс1ега), андроцимбиум {ЛткослтЫшп), глориоза (ОЬпоза)
и др. Получают колхицин из растений безвременника осеннего
(С. аШотпак /,.), содержащих до I % алкалоида или б.
великолепного (С. зресюзит 51еу.), в которых содержание алкалоида
достигает 1,5 %. Они легко переносят зимние холода, поэтому их можно
культивировать в средних широтах.
В чистом виде колхицин выделили Цейзель (1883) и Худ (1887),
которые установили его формулу — С22Н25ОбМ. Структурную
формулу этого мутагена определил Дьюар (1945), она была
подтверждена экспериментальным синтезом колхицина, который
осуществил Вудворд (1965).
Колхицин относится к полициклическим аренам с
конденсированными циклами, является алкалоидом фенантренного ряда.
Он образует тонкие бесцветные кристаллы в виде игл с
температурой плавления 155 °С, хорошо растворимые в холодной воде,
271

спирте и хлороформе. Колхицин хуже растворяется в горячей
воде, бензине и почти не растворим в эфире. В растворе колхицин
имеет нейтральную реакцию и не образует солей с кислотами. Он
не разлагается при стерилизации в автоклаве и при долгом
стоянии в водном растворе. Под действием солнечного света колхицин
окисляется и превращается в люмиколхицин, который почти
полностью теряет полиплоидизирующие свойства.
Впервые влияние колхицина на деление лейкоцитов
обнаружили в 1908 г. бельгийские ученые Диксон и Мальден. Аналогичное
действие наблюдали Дюстен, Кавас и Ли (1937) на клетках высших
растений, что побудило американских ученых Блексли и Эйвери
использовать колхицин для получения полиплоидов у растений.
Производные колхицина — колхикозид (С27Нзз0цгЧ) и колха-
мин, или колцемид, также обладают полиплоидизирующими
свойствами, но менее активны, чем колхицин.
Успех работы при получении полиплоидов с помощью
колхицина зависит от соблюдения следующих условий.
• Для удвоения числа хромосом необходимо воздействовать
колхицином на меристематические ткани, число делящихся клеток
в которых максимально. Следовательно, обработке лучше всего
подвергать прорастающие семена, молодые проростки, точки роста
растений, пробуждающиеся почки, бутоны, клубни и т. д. Удвоение
хромосом может происходить в митозе (эндомитоз) и мейозе.
• Оптимальную дозу и экспозицию следует определять
экспериментальным путем, поскольку чувствительность разных
растений к колхицину неодинакова. При обработке семян обычно
используют 0,01— 0,2%-ный раствор колхицина, а при воздействии
на точки роста — 0,5—2%-ный.
• Выбирать для обработки растений колхицином нужно такие
условия внешней среды, которые способствуют успеху полиплои-
дизации. При обработке семян многих культур (например,
семейство капустных: кормовой капусты, турнепса, кольраби, редьки
масличной и корнеплодной) положительные результаты дает
повышение температуры до 27...30 °С. В то же время для ячменя
наилучшие результаты получают при температуре 19—21 °С.
• Для успешной полиплоидизации следует использовать
вакуум для лучшего проникновения колхицина в ткани; диметил-
сульфооксид, способствующий переносу колхицина; защищать
корешки от воздействия колхицина, поскольку они сильно
подвергаются полиплоидизации, и растения в этом случае не
выживают; использовать клейкие вещества (агар-агар, глицерин, трагакант,
ланолин), позволяющие удерживать колхицин на точках роста и
предотвращать его быстрое высыхание.
• Поскольку не все виды пригодны для получения
полиплоидов А. Леван (1939) рекомендует использовать для этой цели
растения с небольшим числом хромосом; перекрестноопыляющиеся;
растения, у которых снижение семенной продуктивности не имеет
особого значения; размножающиеся вегетативно.
272
к 7.4. ОТБОР ПОЛИПЛОИДНЫХ ФОРМ
Отбор полиплоидов, особенно у перекрестноопыляющихся
культур, следует начать своевременно. В противном случае обработка
колхицином семян и растений может оказаться не только
малоэффективной, но и безрезультатной. Плоидность лучше всего
определять прямым подсчетом хромосом, однако на первых этапах
после обработки колхицином этот метод не всегда приносит
желаемые результаты из-за химерности в первом после обработки
поколении — Со. К химерным относят организмы, клетки которых
обладают различными числами хромосом или наследственными
факторами. Вначале отбирают растения с видимыми изменениями,
вызванными действием колхицина, к которым относятся крупные
темно-зеленые семядоли с утолщенным подсемядольным коленом
или утолщенный укороченный колеоптиль у однодольных;
гофрированные с нарушенным жилкованием, утолщенные
темно-зеленые листовые пластинки первых настоящих листьев (рис. 7.1).
Отбор по этим признакам позволяет значительно уменьшить объем
последующих цитологических анализов, создать необходимые
условия для развития полиплоидов и вести за ними дальнейшие
наблюдения. Поскольку в Со-поколении основной задачей является
Рис. 7.1. Листья редьки,
измененные воздействием колхицина {внизу), контроль
(вверху) (оригинал автора)
273

получение тетраплоидных семян (наиболее часто получают тет-
раплоиды), дальнейшая работа сводится к выделению
тетраплоидных цветоносных побегов или колосьев. У перекрестноопыляемых
культур эту работу следует проводить своевременно, чтобы не
допустить переопыления полученных тетраплоидов с диплоидными
формами. Отчасти эта задача облегчается благодаря природным
особенностям тетраплоидных цветоносных побегов или колосьев
и метелок: как правило, они более позднеспелые и ко времени их
зацветания удается выбраковать часть диплоидов, которые
зацветают раньше. При выбраковке не следует удалять целое растение,
желательно анализировать каждый побег, особенно у двулетних
растений, клевера и злаков. Это обусловлено тем, что очень редко
удается получить полностью тетраплоидное растение, чаще всего
образуются химерные растения, у которых быстрее отрастают
диплоидные побеги. Такое явление отмечено у свеклы, турнепса,
капусты, клевера, ржи, ячменя и других культур. В опытах П. П.
Вавилова, Л. Н. Балышева, Г. А. Балышевой, Н. А. Корябина с
ячменем, свеклой, капустой полностью тетраплоидные растения
практически не встречались. У ячменя тетраплоидные побеги
появляются позже диплоидных из узла кущения. Для получения
желаемых результатов в Со для растений следует создать наиболее
благоприятные условия выращивания: высокую влажность
воздуха, оптимальную температуру, не очень сильное освещение на
ранних этапах роста (вначале всходы зеленеют) и нормальное в
фазе бутонизации или кущения. Для клевера и злаков применяют
разреженные посевы, чтобы вызвать максимальное кущение,
которое приводит к появлению большего числа тетраплоидов.
Как правило, для выделения тетраплоидов в Со применяют
косвенные методы определения плоидности. Для этого используют
признаки, относящиеся к репродуктивным органам: размеры
цветков, бутонов, колосьев, пыльников, пыльцевых зерен, число
микроспор на экзине пыльцы и др. (рис. 7.2). К стабильным
показателям, не зависящим от условий выращивания, относятся, например,
размер пыльцевых зерен и число микропор на их экзине. Отбор по
этим показателям легко осуществить. Для этого берут пыльник,
раздавливают его в капле воды (или ацетокармина) и
просматривают пыльцевые зерна под микроскопом, оборудованным окуляр-
микрометром. Отбор тетраплоидов по размеру пыльцы с успехом
осуществляют у свеклы, капусты, турнепса, редиса, редьки, ржи,
гречихи, клевера и других культур, однако этот метод не пригоден
для ячменя. У многих видов отбирают тетраплоиды по числу
микропор на экзине пыльцы, которые хорошо просматриваются при
помещении пыльцевых зерен в концентрированную серную
кислоту. У маревых и капустных гаплоидная пыльца содержит на экзине
3 микропоры, диплоидная — 3—4. При работе со злаками данный
показатель практически не пригоден, поскольку диплоиды,
тетраплоиды и гексаплоиды имеют на экзине одну микропору.
274
гъ
п 1п
а
о
Рис. 7.2. Различия между ди- (слева) и тетраплоидами (справа) по косвенным
признакам плоидности (а—б):
а - пыльца в воде; б - пыльца в Н25О4; в - устьица (оригинал автора)
Метафаза митоза (слева) и мейоза (справа) тетрашюидной кормовой капусты (внизу)
275

В первом семенном поколении возможен отбор семей
полиплоидов по размерам семян. Этот показатель можно использовать
при работе с капустными и маревыми культурами, а также с
гречихой, клевером и многими злаковыми. Иногда для выделения
тетраплоидов в Со применяют до цветения отбор по
характеристике устьичного аппарата. При массовом получении полиплоидов
данный анализ в этом поколении нежелателен, поскольку он
трудоемок и часто дает неточные результаты из-за того, что у
химерных растений листья могут быть тетраплоидными, а цветки
диплоидными.
В ^-поколении химерность у полиплоидных растений
отсутствует. Можно проращивать семена растений этого поколения,
брать часть корешков для цитологического анализа, а семена с
оставшимися корешками высевать, маркируя каждое семя. При
массовом получении полиплоидов или при ведении первичного
семеноводства в С]-поколении можно отобрать полиплоиды по
анатомическим показателям — клеткам эпидермиса, размеру и числу
устьиц на единицу листовой поверхности, числу хлоропластов в
замыкающих клетках устьиц.
Для этого отдельно высевают потомство каждого растения Со.
После появления всходов растения маркируют, берут кусочки
листьев (у двудольных это лучше делать сверлом для вырезания пробок
небольшого диаметра), фиксируют в уксусном алкоголе, окрашивают
5%-ным I раствором в К1 и просматривают в капле 45%-ной
уксусной кислоты под микроскопом. Для анализа лучше брать желтые
листья, они не перекрашиваются, что облегчает проведение анализа.
У тетраплоидов по сравнению с диплоидами замыкающие
клетки устьиц гораздо крупнее, число хлоропластов в них в 1,5—2 раза
больше, и нередко они расположены в 2 ряда. Отбор по устьицам
возможен у большинства сельскохозяйственных культур, в том
числе и у зерновых. Более точным показателем полиплоидного
состояния служит число хлоропластов в замыкающих клетках устьиц.
Однако не у всех культур их легко подсчитать. У капустных хло-
ропласты сильно раздроблены, у мятликовых часто сливаются в
углах замыкающих клеток. Для отбора тетраплоидов в Сгпоколе-
нии можно также применять размеры пыльцевых зерен во время
цветения и число микропор на экзине. Окончательный отбор
лучше всего проводить в Сг-поколении, проращивая часть семян из
каждой семьи для цитологического анализа.
7.5. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И РАСЩЕПЛЕНИЕ
ПОЛИПЛОИДОВ
Хромосома эукариотических организмов представляет собой
один из важнейших уровней дискретности наследственного
материала. Комплектование генов в группы сцепления, локализующи-
276
еся в хромосомах, осуществляется в процессе эволюции под
контролем отбора. Хромосома с ее свойствами определяет важнейшие
функции генетического материала — правила наследования
признаков и параллелизма возникновения ряда генетических
механизмов. Один из таких механизмов, действующих во всех
семействах высших растений, — полиплоидия. Сравнительное изучение
полиплоидов — представителей различных семейств, показывает,
что фенотипический эффект полиплоидии у всех исследуемых
объектов в значительной степени сходен. Однако фенотипическая
реакция на полиплоидию своеобразна не только у разных видов,
но и у различных форм одного и того же вида и тесно связана со
степенью полиплоидизации.
Многие эффекты полиплоидии имеют особое значение для
генетики.
Любое изменение в числе хромосом приводит к
соответствующему изменению генетического расщепления, а при любом
увеличении числа хромосом вредные рецессивные гены прикрываются
аллелеморфными генами и не могут проявляться. Полиплоиды
часто теряют целые хромосомы или сегменты хроматина без фено-
типического эффекта из-за того, что присутствуют другие
хромосомы, несущие одинаковые гены. В результате этого генетический
груз вредных мутаций у полиплоидов может быть значительно
выше. У автотетраплоидов из-за увеличения числа
гомологических хромосом нарушается прохождение мейоза, что приводит к
стерильности и к изменению расщепления в р2-
При автополиплоидии изменения в ходе мейоза у всех иидов
растений аналогичны. У всех автополиплоидов в мейозе наряду с
бивалентами возникают мультиваленты (триваленты, квадривален-
ты и т. д., которые в диакинезе образуют кольца из трех или
четырех хромосом) и униваленты, что отличает их от диплоидов и ал-
лополиплоидов, образующих в мейозе биваленты. Расхождение
хромосом из мультивалентов и распределение унивалеитов может
быть как случайным, так и предпочтительным.
Характер расхождения хромосом ич мультивалентов в
значительной степени зависит от коориентации центромер в метафазе I
и анафазе I. Принтом наиболее правильно расходящимися будут
так называемые зигзаг-ориентации хромосомы. Нерегулярное
течение мейоза в значительной степени видоичменяет характер
расщепления у автотетраплоидов и затрудняет его
экспериментальный анализ. Тем не менее у автополиплоидов в отличие от дипло-
идов можно обнаружить кроссипговер между анализируемым ло-
кусом и центромерой. При появлении такого кроссинговера
изменяется соотношение типов гамет и классов расщепления даже
при моногибридном наследовании. Возможность появления
кроссинговера зависит от местоположения локуса по отношению к
центромере. Если локус сцеплен с центромерой, то кроссинговер
исключается. В этом случае данные будут ближе к хромосомному
277

расщеплению. Если локус не сцеплен с центромерой, то появится
хроматидное расщепление, которое можно выявить у тетраплоида,
хотя и с большим трудом.
11 ри образовании квадривалентов, когда локус удален от
центромеры, сестринские хроматиды данного локуса могут разойтись
и приобрести иную центромеру. При этом сестринские локусы
могут попасть в одну гамету (чего не случается при хромосомном
расщеплении) либо разойтись по разным гаметам.
В настоящее время наиболее распространены три теории
расщепления автополиплоидов.
• Случайное хромосомное расщепление (Мюллер, 1914).
• Случайное хроматидное расщепление (Хейлдан, 1930).
• Наличие квадривалентных ассоциаций и перекрестов
(Мазер, 1936).
У дишгоидов результаты хромосомного и хроматидного
расщепления совпадают. У полиплоидов наличие хроматидного
расщепления ведет к увеличению в потомстве рецессивных форм.
Например, при самоопылении гетерозиготного автотетраплоида
(генотип ААаа) при хромосомном расщеплении отношение
доминанта к рецессиву составляет 35 : 1, а при хроматидном —
примерно 20,8 : 1 (табл. 7.1).
7.1. Случайное фенотипическое моногибридное расщепление автотетраплоида
(отношение доминанта к рецессиву)
Генотип
Хромосомное
самоопыление
анализирующее
скрещивание
Хроматидное
самоопыление
анализирующее
скрещивание
Квадриплекс (АААА)
Триплекс (АААа)
Дуплекс (ААаа)
Симплекс (Аааа)
Нуллиплекс (аааа)
Триплекс х дуплекс
Триплекс х симплекс
Дуплекс х симплекс
1
1
35
3
0
1.
1:
11
0
0
:1
1
1
0
0
:1
1: 0
1: 0
5:1
1:1
0:1
—
1: 0
783:1
20,8: 1
2,48: 1
0:1
120,7:1
51,3:1
7,7:1
1 : 0
27:1
3,7:1
1:1,15
0:1
_
У полиплоидов гаметы могут быть гетерогенными, у дипло-
идов гомогенными (чистыми). Закон чистоты гамет для
полиплоидов не применим. Так, гетерозиготный автотетраплоид при
мопогибридном скрещивании в отличие от диплоида образует не
два, а три типа гамет в соотношении \АА : 4Аа : \аа.
Автотетраплоид в зависимости от соотношения доминантных и
рецессивных аллелей может иметь пять генотипов: квадриплекс,
триплекс, дуплекс, симплекс и нуллиплекс. Такое деление основано
на наличии доминатных аллелей.
278
Шч.
7.2. Соотношение гамет у тетраплоида
Генотип
аааа
Аааа
ААаа
АААа
АААА
Соотношение гамет АА : Аа : аа
Хромосомное распределение
0:0:1
0:3:3
1:4:1
3:3:0
1:0:0
Хроматидное распределение
0:0:1
1:12:15
6:16:6
15:12:1
1:0:0
Гетерозиготные генотипы при хромосомном и хроматидном
распределении гамет имеют различия (табл. 7.2).
У тетрашюидов при выписывании гамет пользуются квадратом
или прямоугольником, в углах которого ставят соответствующие
гены. Так для дуплекса (ААаа) схема будет следующей:
Линии данного прямоугольника с двумя диагоналями дадут
следующие сочетания букв: 1АА, ААа, \аа, т. е. образуется 6
сочетаний гамет. При самоопылении дуплекса получается 36 сочетаний
гамет (6 х 6), среди которых фенотипически только одна часть
особей будет полностью рецессивной. Таким образом,
расщепление по фенотипу при полном доминировании составит 35 : 1.
Еще более сложное расщепление наблюдается у полиплоидов
при дигибридном скрещивании. У тетраплоида расщепление
составит 1225 : 35 : 35 : 1, у диплоида — 9:3:3:1.
Зная отношения моногибридного расщепления, легко
рассчитать фенотипическое расщепление у тетраплоидов при ди-
и полигибридном скрещиваниях. Например, нужно рассчитать
расщепление в потомстве от самоопыления дуплексно-симплекс-
ной гетерозиготы ААааВЬЬЬ. Расчет производится таким образом:
(35А: \а)х(35: 1й) = 105АВ: 35/1/;: ЪаВ: \аЬ. Аналогично можно
рассчитать расщепление при самоопылении дидуплексной
гетерозиготы ААааВВЬЬ (Ъ5А : 1 а) х (35 Я: I й) = 1 225АВ :35аВ: 35АЬ: 1аЪ,
а также расщепление в потомстве при гибридизации дидуплек-
са х дисимплекс, дитриплекса хдисимплекс и т.д. Для диду-
плекса х дисимплекс расщепление рассчитывают следующим
образом: АаааВВЬЬ х АаааВЬЬЪ = (Аааа х Аааа) х (ВВЬЬ х ВЬЬЬ) =
= (ПА : 1а) х(115 : \Ь) = \2\АВ : \\АЬ : ПаВ : \аЪ. Если один из
генов генотипа находится в состоянии триплекса, то он
передается потомству независимо от компонента скрещивания. При этом
279

расчеты будут проще. Например, при скрещивании
ЛЛАаВВЬЪ х АаааВЪЪЬ расщепление будет А х {ВВЪЪ х ВЬЬЬ) = А х
(\\ВЩ ПАВ\АЬ
Щ
В случае полного доминирования генов у полиплоидов трудно
обнаружить рецессивы и гетерозиготы. При хромосомном
расщеплении у тетраплоида появление одного рецессива возможно
на каждые 36 растений р2, у гексаплоида — на 400, у октаплоида —
на 4900 растений. Практически для выявления гомозиготного
генотипа у полиплоидов следует брать в 5 раз больше растений, чем
приведено, что затрудняет проведение генетического анализа у
полиплоидов. Так, у тетраплоида при тригибридном скрещивании
невозможно провести генетический анализ из-за очень большой
выборки, необходимой для получения статистически
достоверного результата (табл. 7.3).
7.3. Частота встречаемости рецессивных зигот в /г и размер выборки, необходимой
для генетического анализа у ди- и тетраплоидов
Скрещивание
Диплоид
Частота
рецессивных зигот
Размер
выборки, шт.
Тетраплоид (дуплекс)
Частота
рецессивных зигот
Размер
выборки, шт.
Моногибридное
Дигибридное
Тригибридное
Тетрагибридное
1/4
1/16
1/64
1/256
11
47
191
766
1/36
1/1236
1/46656
1/1679616
107
3883
144559
—> оо
В результате случайного хроматидного расщепления тетрапло-
иды в состоянии триплекса (АААа) и симплекса (Аааа) могут
образовывать гаметы аа и АА в случае нерасхождения аллелей,
находящихся в сестринских хроматидах, при прохождении кроссинговера
между геном и центромерой. Такое явление называют двойной
редукцией. Наибольший процент ее наблюдается при участии четырех
хроматид и 50% -ном кроссинговере между геном и центромерой.
Если признак контролируется двумя несцепленными генами, то
расщепление будет зависеть от типа их взаимодействия (табл. 7.4).
7.4. Соотношение фенотипов при расщеплении дуплекса в Р2 по двум
взаимодействующим генам при случайном хромосомном расщеплении
Тип взаимодействия генов
Комплементарность
Эпистаз
Действие гена-ингибитора
Некумулятивная полимерия
Расщепление у тетраплоида
1225 : 35 : 35 :1
1225:70:1
1225 : 35 : 36
1225 :71
1260 : 35 :1
1260:36
1295: 1
Расщепление у диплоида
9:3:3:1
9:6:1
9:3:4
9:7
12:3:1
13:3
15:1
280
\
Расщепление при кумулятивной полимерии очень сложное и
приближается к кривой нормального распределения. Выявить
такое расщепление практически невозможно, поскольку для этого
необходимы громадные выборки. Поэтому при работе с
полиплоидами гибридологический метод в большинстве случаев теряет
свое значение.
Из-за нарушений в прохождении мейоза у автополиплоидов в
значительной степени возрастает стерильность гамет, особенно при
образовании пыльцы. Пыльца полиплоидов плохо разносится
ветром (у перекрестников), содержит меньше аминокислот и кароти-
ноидов, пыльцевые трубки слабо прорастают при оплодотворении.
Все это приводит к снижению семенной продуктивности.
Естественные автополиплоиды обладают высокой
плодовитостью, поскольку они прошли длительный отбор, в процессе
которого сохранились формы с нормальным прохождением мейоза,
хорошо приспособленные к условиям среды.
7 6 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО ПОЛУЧЕННЫХ
ПОЛИПЛОИДОВ В СЕЛЕКЦИИ РАСТЕНИЙ
Экспериментальная полиплоидия позволяет решить
следующие проблемы селекции и генетики растений:
повышение продуктивности;
преодоление самонесовместимости;
преодоление межродовой и межвидовой нескрещиваемости;
восстановление плодовитости у отдельных гибридов;
закрепление гетерозиса;
проведение синтеза и ресинтеза видов;
- установление групп сцепления при проведении гепанализа.
Большая работа по практическому получению и
использованию экспериментальных полиплоидов была начата и 1932 г.
цитологическим отделом Свалефской селекционной станции
Шведского общества семеноводов под руководством Л. Мюптцинга, а с
1939 г. — А. Левана. В результате работы, проделанной отделом,
была выявлена перспективность полиплоидов ряда культур,
особенно кормовых трав и корнеплодов. \\ настоящее время в
Швеции возделывают полиплоидные сорта таких культур, как клевер,
турнепс, кормовая капуста, озимая рожь. Полиплоидию широко
используют в селекции клевера красного в разных странах. Тет-
рагатоидные сорта помимо Швеции возделывают в Дании,
Финляндии, Норвегии, Венгрии, Германии, Румынии, Польше,
Канаде, России (сорта Темп, Тетраплоидный Вик, Тимирязевец).
'Продуктивны тетраплоидные сорта клевера розового, которые
возделывают в Финляндии, Норвегии, России (сорта Красавик,
Первенец, Приекульский тетраплоидный). Сорта тетраплоидного
клевера розового выведены также в Швеции и Канаде. Полипло-
281

Рис. 7.3. Тетраплоидный сорт кормовой капусты Веха:
/ — проросток; 2— взрослое растение первого года жизни; 3 — цветоносный побег; 4—
стручок; 5 — семя (оригинал автора)
идия нашла применение в селекции клевера белого,
александрийского, шабдара, райграса, капусты кормовой (сорт Веха, рис. 7.3),
редьки масличной (в России сорт — Тамбовчанка), редьки
корнеплодной (сорт Левина), мяты перечной (сорт Краснодарская 2).
Полиплоидию применяют и в селекции
перекрестноопыляющихся культур, возделываемых на семена. Это, прежде всего, озимая
рожь. Тетраплоидные сорта ржи выращивают в Швеции,
Финляндии, Дании, Польше и других странах. В нашей стране возделывают
следующие сорта озимой ржи: Белта, Вятка тетра, Житомирская
тетра, Ленинградская тетра, Старт, Полесская тетра, Украинская тетра,
а также Кормовая 51 и Утро тетра, как кормовые.
282
Повышенными продуктивностью, холодостойкостью,
крупностью семян, нектароносностью обладают тетраплоидные сорта
гречихи, которые возделывают в США, Польше и других странах.
В России созданы тетраплоидные сорта Искра и Большевик 4.
Полиплоидию широко используют в селекции декоративных
культур, поскольку полиплоиды часто бывают более
высокорослыми, с крупными цветками и листьями, необычной окраски.
Ценные качества, приобретенные путем полиплоидизации,
могут закрепляться при вегетативном размножении. Это используют
в селекции яблони, смородины, цитрусовых, винограда,
шелковицы, многих лесных древесных пород, корневищных, луковичных
и клубневых растений.
7.6.1. ПРЕОДОЛЕНИЕ САМОНЕСОВМЕСТИМОСТИ
Под самонесовместимостью понимают специфическую
неспособность организма к самооплодотворению, которая возникает
при прорастании пыльцевого зерна на рыльце пестика, когда в
столбике и в пыльце имеются одинаковые аллели .Улокуса.
Иногда самонесовместимость создает серьезные препятствия при
выполнении селекционных работ, в частности при получении
самоопыленных линий. Установлено, что это явление можно
преодолеть с помощью полиплоидии, поскольку тетраплоид имеет
диплоидную пыльцу с комбинацией 5-аллелей, которые будут
способствовать прорастанию пыльцы, в гаплоидной пыльце таких
комбинаций нет.
Во многих случаях самооплодотворению способствуют реципрок-
ные скрещивания между ди- и тетраплоидом.
7.6.2. ЗАКРЕПЛЕНИЕ ГЕТЕРОЗИСА
Гетерозис в сильной степени проявляется у гибридов первого
поколения, которые превосходят родительские формы. В
дальнейшем из-за расщепления гетерозис удиплоидов, как правило,
исчезает. У полиплоидов может сохраняться длительное время, что
связано с медленным расщеплением и редким образованием
гомозигот. У тетраплоидов арахиса обнаружена константная гетерози-
готность, при которой в бивалентах конъюгируют только
сестринские хроматиды, полученные при удвоении хромосом, а не хрома-
тиды разных родителей. Такое явление можно ожидать при
гибридизации чистых линий географически отдаленных форм и
переводе Ех на тетраплоидный уровень, что позволит гетерозису
проявляться не только в^ноив последующих поколениях.
Заслуживает внимания получение гетерозисного картофеля
путем использования гашгоидизации и гибридизации культурных
283

видов с диплоидами. При этом удается сочетать в одном
организме геномы четырех видов картофеля. Работы по закреплению
гетерозиса с использованием полиплоидии ведутся в селекции ржи,
кукурузы, капусты, картофеля и других культур.
7.6.3. ТРИПЛОИДЫ
Триплоиды возникают при гибридизации тетраплоидных
растений с диплоидными (4хх 2х) или наоборот (2хх Ах). В селекции
многих культур, особенно сахарной и кормовой свеклы, они
представляют определенный интерес. Первые триплоиды сахарной
свеклы были получены в Швеции в 1948 г. В нашей стране работы
по созданию триплоидных гибридов сахарной свеклы были
начаты А. Н. Лутковым, под руководством которого получено
несколько триплоидных сортов данной культуры. Он также вывел трипло-
идный сорт мяты перечной Прилукская 6, которая по сбору
эфирного масла с 1 га значительно превышала стандарт (до 50 %). В
настоящее время триплоиды сахарной свеклы занимают в странах
Европы 60—70 % посевных площадей, а в Австралии и Венгрии —
100 %. У триплоидов свеклы отсутствует корреляция между
содержанием сахара и урожайностью, тогда как у диплоидных сортов с
увеличением урожайности содержание сахара в корнеплодах
снижается. Повышенной урожайностью отличаются триплоиды
кормовой свеклы (рис. 7.4).
Рис. 7.4. Триплоидный гибрид кормовой свеклы Тимирязевский 56 (справа), исходная
диплоидная (слева) и тетраплоидная форма сорта Эккендорфская желтая (оригинал
автора)
284
Предполагают, что генетически контроль развития растений
у триплоидов определяется действием гетерозигот в различном
состоянии, поскольку у них имеется три аллеля одного гена.
Большое значение имеет взаимодействие генома и плазмона,
так как триплоиды имеют цитоплазму тетраплоидов (при
гибридизации 4х х2х). Проявление гетерозиса у триплоидов
свеклы многие ученые связывают с оптимальной архитектоникой
листовой поверхности и более продолжительной
жизнедеятельностью листьев.
В отличие от свеклы экспериментально полученные триплоиды
других культур редко используют в производстве. В Японии
создан триплоидный арбуз, который не развивает семян из-за
стерильности. Триплоиды используют в селекции ароматических,
лекарственных и декоративных культур. Триплоиды встречаются в
природе. Это дикая бразильская гевея (2я = 36), у которой в Юго-
Восточной Азии спонтанно возникли автотриплоиды (2я = 54),
культурный банан, триплоидные осина и тополь. Тетрашюидные
формы этих культур в природе не встречаются. Возникновение
триплоидов в данном случае связано с мейотической полишгоиди-
зацией, в результате которой образуются нередуцированные
гаметы, в первую очередь пыльцы.
У растений, имеющих основную питательную ткань
эндосперм, триплоиды образуются редко, если материнской формой
является тетраплоид. При опылении диплоидов пыльцой
тетраплоидов триплоиды появляются в значительных количествах, но в
этом случае теряется цитоплазма тетраплоидов и триплоиды мало
отличаются по своим показателям от диплоидов.
Триплоиды, полученные на тетраплоидных материнских
растениях, имеют пентагогоидный эндосперм, который не
развивается, что ведет к абортивности зародыша, а триплоиды,
образовавшиеся на диплоидных растениях, — тетраплоидпый
эндосперм, который, как и у тетраплоидоп (имеют гексаилоидпый
эндосперм) и диплоидов (имеют триплоидный эндосперм),
хорошо функционирует. Такое явление способствует развитию
семеноводства тетраплоидных сортов многих культур, особенно
клевера, поскольку диплоиды повсеместно окружают посевы
тетраплоидных форм.
В наших исследованиях при получении триплоидов у редьки
масличной на тетраплоидном сорте Тамбовчанка при свободном
опылении образовывалось одно триплоидное семя на 2,5—3 тыс.
семян тетраплоида, при этом половина семяпочек в стручках не
развивались. У триплоидов были очень мелкие семена. Так, масса
1000 семян диплоидной редьки масличной составляла 12 г, тетра-
плоидной — 18 г, триплоидной — 3—4 г. Семена триплоидов
имели морщинистую поверхность и сильно варьировали по размерам.
11ри принудительном опылении триплоиды не были получены.
285

Основная питательная ткань свеклы перисперм развивается без
оплодотворения, поэтому образование триплоидов на
материнских тетрагаюидных растениях не встречает препятствий со
стороны эндосперма.
В большинстве случаев тригаюиды стерильны, но иногда они
образуют семена, в основном, диплоидные, реже тетраплоидные.
В этом случае возникает мейотическая полиплоидизация. Многие
считают, что мейотическая полиплоидизация способствует более
высокой семенной продуктивности тетраплоидов, чем митотичес-
кая полиплоидизация.
Триплоиды могут воспроизводить себя при образовании
нередуцированных гамет, что выявлено в естественных условиях.
Триплоиды перспективны при селекции растений,
размножаемых вегетативно. Их используют в селекции многих плодовых,
ягодных и декоративных культур.
7.6.4. АНЕУПЛОИДЫ
Анеуплоидия — термин греческого происхождения (а..., ан +
+ гр. ей — хорошо = вполне + р1оок — кратный + епюк — вид). Таким
образом, это явление утраты или добавления к обычному набору
одной или нескольких хромосом, а анеуплоиды — организмы с
увеличенным или уменьшенным, но не кратным гаплоидному
числом хромосом.
Г. Винклер выделял среди анеуплоидов формы с увеличенным
(гипердиплоиды, гипертришюиды, гипертетраплоиды и т. д.) или
уменьшенным (гиподиплоиды, гипотриплоиды, гйпотетраплоиды)
числом хромосом. Среди данных форм различают три-, тетра-,
моно- и нуллисомики.
У диплоидных растений нехватка хромосом ведет к гибели,
поскольку любая из них контролирует жизненно важные функции,
поэтому у таких растений для генетических исследований
наиболее пригодны формы с добавленными хромосомами, в основном
трисомики, редко тетрасомики (известны только для мелких и
средних по размерам хромосом).
В генетике полиплоидов, у которых генанализ затруднен,
используют формы с уменьшенным числом хромосом —
моносомики и нуллисомики.
Трисомики. Выделяют первичные, вторичные и третичные
трисомики. По гомологичным парам хромосом — одинарные,
двойные, тройные трисомики и т. д.
Первичные трисомики содержат гомологичные добавочные
третьи хромосомы к имеющимся двум. В мейозе три гомологичные
хромосомы могут сформировать мультиваленты, состоящие из
трех хромосом (триваленты); в форме растянутой цепочки.
286
Вторичные и третичные трисомики возникают в результате
хромосомных перестроек первичных трисомиков.
Вторичные трисомики образуются при обмене участками
между гомологичными хромосомами. Очень часто они являются
изохромосомами, т. е. состоящими из двух идентичных плеч. Из
мелких хромосом редко образуются вторичные трисомики. В
мейозе у вторичных трисомиков появляются триваленты,
биваленты, униваленты. Триваленты вторичных трисомиков, в отличие от
первичных, имеют вид трехчленного кольца, в котором все три
хромосомы связаны между собой концами. Это свидетельствует о
том, что одна из хромосом тривалента имеет сходные с двумя
другими концы.
Третичные трисомики имеют дополнительную хромосому,
состоящую из частей двух негомологичных хромосом, возникающую в
результате транслокации. В мейозе у таких растений можно наблюдать
образование кольцевидных мультивалентов из пяти хромосом.
Дополнительная хромосома данных трисомиков состоит из связанных
между собой частей двух различных хромосом, которые соединяются
с двумя парами других хромосом, образуя пентавалент.
Трисомики получают при гибридизации диплоидных и трипло-
идньгх форм, либо они возникают при само- или перекрестном
опылении автополиплоидов, отдаленной гибридизации,
применении при этих процессах гематоцитов, радиации, вирусных
инфекциях, мужской стерильности. Принудительное опыление не
способствует образованию трисомиков.
Число первичных трисомиков равно гаплоидному набору
хромосом организма, вторичных — диплоидному. Третичные
трисомики могут образовываться в огромных количествах.
Первые классические исследования трисомиков проведены
Блексли и Беллингом на дурмане (ВаШга Мгатопшт, 2п = 24). В
настоящее время полный ряд первичных трисомиков получен у
кукурузы, мягкой пшеницы, овса, ржи, риса, сорго, томата, перца
и других культур. У томата получены все 12 типов первичных
трисомиков, которые различимы по фенотипу даже при
выращивании растений в полевых условиях (Жучспко, 1973).
При правильном расхождении трисомических хромосом и
полной жизнеспособности микро- и макроспор, при самоопылении
трисомик теоретически должен дать расщепление на тетрасоми-
ков, трисомиков и диплоидов в соотношении 1:2:1. Однако
такое расщепление не подтверждается экспериментально: доли
трисомиков и тетрасомиков очень низки, диплоидов —выше
теоретической. Это связано с потерей трисомических хромосом в
мейозе и очень низкой конкурентоспособностью пыльцы, несущей
гаметы трисомиков, что обусловлено ее медленным прорастанием
в тканях пестика.
В опытах на многих культурах было установлено, что для
предотвращения конкуренции пыльцевых трубок при оплодотво-
287

рении и повышения числа трисомиков в потомстве следует
наносить ограниченное количество пыльцы.
При свободном комбинировании мужских и женских гамет и
полном доминировании в потомстве трисомика Ааа расщепление
составит 12:6 или 2:1; трисомика ААа — 17 : 1. Установлено, что
третья хромосома передается с яйцеклеткой. Пыльцевые зерна с
тремя гомологическими хромосомами стерильны.
В случае самоопыления трисомика ААа материнская особь дает
соотношение гамет 1а + 2А + 2Аа + 1АА, отцовская — 2А+ 1а.
В потомстве возможно 18 сочетаний гамет в соотношении 17 до-
минантов: 1 рецессиву. Закон чистоты гамет в данном случае не
соблюдается.
Вторичные и третичные трисомики, у которых хромосомы с
длинными плечами и медианным расположением центромер,
оказывают большее влияние на морфологические признаки
изучаемых маркеров, чем трисомики с короткими плечами, поскольку
они слабо отличаются по фенотипу от диплоидных аналогов. По
влиянию длинное плечо хромосомы доминирует над коротким.
В потомстве вторичных трисомиков появляются первичные
трисомики с нормальным фенотипом (в случае расположения
маркера рядом с центромерой) диплоиды, собственно вторичные
трисомики и неродственные трисомики.
Вторичные трисомики в потомстве дают измененные
соотношения генотипов, что позволяет определить расположение
маркеров в соответствующем плече хромосомы, поскольку все гамето-
фиты, получившие изохромосому вместо нормальной,
нежизнеспособны из-за отсутствия второго плеча хромосомы. Если маркер
расположен на изохромосоме, то все вторичное трисомное
потомство будет иметь нормальный фенотип. Когда маркер расположен
на дуплицированном плече хромосомы, будет наблюдаться дисом-
ное расщепление.
Анализ потомства вторичных трисомиков позволяет
определить расположение маркеров в хромосомах, их плечах и
расстояние от центромеры.
Наиболее эффективны для установления локализации
маркерных генов в плечах хромосом третичные трисомики.
Впервые они были получены путем облучения пыльцы. В этом
случае две хромосомы могут разрываться в зоне центромеры, два
плеча негомологичных хромосом объединяются, образуя
экстрахромосому, которая имеет центромеру, а два других плеча
теряются. При опылении такой пыльцой в потомстве возникают
третичные трисомики.
Плечи экстрахромосом можно идентифицировать
цитологически, что позволяет выявить маркерные гены в соответствующих
плечах хромосом. Третичные трисомики более фертильны, по
сравнению со вторичными. Для генетических исследований их
требуется меньше, чем вторичных, и используют их в исследова-
288
ниях после того, как определят положение маркерных генов в
хромосоме с помощью первичных трисомиков.
Пыльца, несущая гаметы с лишней хромосомой, редко
функционирует. Поэтому для сохранения третичных трисомиков
гетерозиготное по транслокации материнское растение скрещивают с
нормальным диплоидом. В потомстве получают два типа дипло-
идов и четыре типа трисомиков, среди которых два будут
третичными трисомиками, а два остальных — первичными.
Впервые использование третичных трисомиков было предложено
Раймаджем в 1963 г. для селекции гетерозисных гибридов ячменя с
помощью рецессивных генов ядерной мужской стерильности.
В дальнейшем их применяли в селекции на гетерозис у
кукурузы, риса, томата и других культур. К сожалению, широкого
практического использования они не получили из-за сложных схем их
воспроизводства и селекционного процесса.
Моносомики и нуллисомики. Данные анеуплоиды используют
в генетических исследованиях полиплоидных растений для
определения роли каждой отдельной хромосомы и
локализованных в них генов.
Моносомики (2и — 1) у полиплоидных растений в большинстве
случаев жизнеспособны. Мужские гаметы выживают у них на
50%, яйцеклетки — почти полностью. При самоопылении в их
потомстве выщепляются дисомики (2н), нуллисомики и исходные
моносомики.
Выделяют первичные моносомики, когда у растений отсутству-
ет целая хромосома, и третичные — при транслокации части
негомологичной хромосомы на существующую.
Нуллисомики (2и —2) отличаются пониженной плодовитостью
и меньшим габитусом. В большинстве случаев они стерильны.
При самоопылении в потомстве у них появляются
преимущественно нуллисомики.
Впервые полные наборы моносомиков и нуллисомикои но 21
паре хромосом были созданы американским профессором Э. Сир-
сом в Колумбийском университете США, что позволило выделить
у мягкой пшеницы сорта Чайпис ("приш гомологичные группы и
отнести их к геномам А, В и О. С помощью пуллисомпого метода
были локализованы доминантные гены пшеницы: ген красной
окраски зерна (хромосома Ъй), гены беюетости (хромосомы 4В и
6В), гены супрессоры, уменьшающие длину остей (хромосомы 2А
и 2П), гены, контролирующие плодовитость (хромосомы 1В и 72)),
обеспечивающие образование бивалентов (хромосома 5В), озимость
и яровость, качество клейковины, опушенность стебля и листьев,
устойчивость к болезням и др.
В настоящее время серии моносомиков и нуллисомиков можно
создать у любых сортов мягкой пшеницы. Было установлено, что
хромосомы геномов мягкой пшеницы родственны и проявляют
частичную гомологию.
289

У пшеницы можно создать двойные и тройные моносомики.
Двойные моносомики содержат в гаметах 19, 20 и 21 хромосому.
Более плодовиты из них 19-хромосомные. У тройных
моносомиков оплодотворяются 18-хромосомные яйцеклетки.
Ответственность хромосом за определенный доминантный
признак при использовании моносомиков устанавливают по
отклонению от ожидаемого расщепления в Рг путем скрещивания полной
моносомной серии с исследуемым сортом.
Локализацию рецессивного гена можно установить в Рх,
поскольку только моносомик, имеющий рецессивный ген в
гомозиготном или в гемизиготном состоянии, проявит иной, чем у
других особей, фенотип.
Использование моносомиков и нуллисомиков позволяет
замещать хромосомы в кариотипе на нужные, ответственные за
хозяйственно ценные признаки, или добавлять такие хромосомы. У
пшеницы возможно заменять хромосомы на хромосомы ржи,
ячменя, пырея, эгилопсов, гайнальдии и других злаков. Наиболее
успешно такие замещения можно осуществить при скрещивании
нуллисомиков или моносомиков с дополненными 44-хромосом-
ными линиями, которые создать легче, чем замещенные.
Моносомики также применяют для создания компенсирующих
трисомиков и гапло-трипло-дисомиков. Компенсирующий трисо-
мик является третичным. Для его получения используют
третичный моносомик, к которому добавляют две хромосомы с
перестройками. Такие хромосомы могут быть изохромосомой
(вторичной), телоцентрической и транслоцированной (третичной).
Гапло-трипло-дисомики являются диплоидами с
комплексом нехваток. У них одна нормальная хромосома заменена на
изохромосому. В этом случае растения будут моносомными по
отношению к одному плечу хромосомы и трисомными по
отношению к другому плечу.
Кроме пшеницы, полные моносомные линии созданы у табака
и овса.
7.7. ГАПЛОИДИЯ
Наряду с полиплоидией в эволюции растений происходит
деполишгоидизация, связанная со снижением уровня шгоидности.
К числу таких явлений относится гашгоидия.
Гаплоид (от греч. гаплос — простой, одиночный) — организм,
имеющий в соматических клетках гаметический (половинный)
набор хромосом (я).
Гаплоиды обнаружены у 152 видов покрытосемянных
растений, относящихся к 75 родам и 33 семействам. Они
характеризуются уменьшением размеров клеток и органов (Хохлов С. С,
1976).
290
В фенотипе гаплоидов проявляются доминантные и
рецессивные гены, что очень важно для проведения генетического анализа
и осуществления селекционного процесса. Теоретически
возможны комбинации генов при образовании гамет на гаплоидном
уровне — 2л, диплоидном — 4и, что позволяет вести
направленный отбор — сокращать сроки селекции (особенно линейной) и
уменьшать затраты на выведение сортов.
Гаплоиды, особенно перекрестноопыляемых культур,
отличаются пониженной жизнеспособностью.
Путем удвоения числа хромосом у гаплоидов создают
гомозиготные линии, на выведение которых у перекрестников
затрачивают более 7 лет.
В 1949 г. С. Чейзом (США) была разработана методика
ускоренного выведения гомозиготных диплоидных линий кукурузы с
использованием гаплоидов. Для обнаружения гаплоидов он
получил гомозиготные линии с маркерными рецессивными и
доминантными признаками, названные маркерами Чейза. По данным
маркерам отбирают гаплоидные растения (частота появления их
1 растение на 1000) в ранние периоды развития. У кукурузы для
этих целей используют зеленую окраску колеоптиля, которая
рецессивна по отношению к антоциановой. При гибридизации
растений с зеленым колеоптилем и гомозиготной формой
гаплоидными оказываются проростки с зеленой окраской колеоптиля.
Гаплоиды применяются для создания серий анеуплоидов, в
частности моносомиков. Впервые гаплоиды пшеницы для этих
целей использовал Сире при создании серии моносомных линий
сорта Чайниз Спринг. Для отбора трисомиков использовали
полиплоиды сорго, люцерны и перца.
Использование гаплоидов позволяет включать ядра в
чужеродную цитоплазму (андрогенез), при дегенерации яйцеклетки в
развитии зародыша. Гаплоиды с рецессивными признаками
применяют в мутационной селекции, когда необходимо установить
точное соответствие генотипа и фенотипа.
С помощью гаплоидов удастся достичь хромосомной
гомологии у аллополиплоидон при получении аллозамещеппых
гибридов. Данное явление используют при переносе в геном пшеницы
генов эгилопса и других злаков. Гаплоиды успешно применяют
для создания амфидишюидов. Примером может служить новая
кормовая культура фестулолиум — гибрид овсяницы и райграса.
Гаплоиды можно использовать для передачи генов от
полиплоидных видов диплоидным.
Непосредственное применение гаплоидов перспективно при
селекции декоративных культур, особенно с мелкими цветками и
продолжительным цветением, обусловленным стерильностью.
Гаплоиды характеризуются несбалансированной генетической
системой, вызывающей различные нарушения в мейозе. Наличие
одинарного набора хромосом в клетках гаплоида служит помехой
291

для нормального прохождения мейоза. У гаплоидов происходит
негомологичное спаривание хромосом, которое
непродолжительно, не дает хиазм и ведет к разъединению хромосом. Униваленты
не образуют экваториальной пластинки, беспорядочно
разбросаны по клетке и в анафазе I по-разному расходятся к полюсам.
Многие хромосомы обособляются. Могут образовываться
реституционные ядра и формироваться монады с полным набором
хромосом или диады, где одна клетка полностью лишена хромосом. У
гаплоидов часто отсутствует редукционное деление, а
осуществляется только эквационное. У них можно наблюдать образование
триад, тетрад, пентад и гексад микро- и макроспор, которые
нежизнеспособны и погибают.
Митотическое деление в клетках гаплоидов мало чем
отличается от делений диплоидов.
7.7.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ГАПЛОИДОВ
В основу классификации гаплоидов С. С. Хохлов (1970)
положил генетическую конституцию, определяемую ядром и
цитоплазмой (рис. 7.5). По этому показателю гаплоиды делят на
три типа.
• Матроклинные — развивающиеся из яйцеклетки или других
клеток зародышевого мешка и имеющие цитоплазму
материнского организма.
• Андрогенные — имеющие ядро спермия при генерации
яйцеклетки и цитоплазму материнского организма.
• Андроклинные — развивающиеся из мужской гаметы без
цитоплазмы материнского организма. Такие гаплоиды получают на
искусственных питательных средах при культуре пыльцы или
пыльников.
Гаплоиды (моногаплоиды и полигаплоиды) с числом
хромосом, кратным основному, называют эугаплоидами, с недостатком
хромосом — гипогаплоидами, с избытком — гипергаплоидами.
В зависимости от структуры генома исходного полиплоида
(автополиплоид, аллополиплоид) полигаплоиды могут быть ав-
тополигаплоидами или аллополигаплоидами. Полигаплоиды,
ведущие себя подобно диплоидам, называют реверсивными дипло-
идами.
Термин «дисоматический гаплоид» применяют к анеугаплоидам,
у которых добавочные хромосомы принадлежат к набору
основного вида. Если имеются добавочные хромосомы другого вида, то
анеугаплоиды называют дополненными. Например, анеугаплоиды
пшеницы с добавленными хромосомами ржи.
Полигаплоиды, получаемые путем удвоения числа хромосом у
гаплоида, называют гомодиплоидами или реституционными гапло-
292
Классификация гаплоидов
Рис. 7.5. Классификационная схема гаплоидов (из кн.: Лаптев Ю. П. Гстероплоидия
в селекции растений. — М., 1984. — С. 149)
идами (ди-, тетрагаплоиды и т.д.). В данном случае применяют
термин «удвоенные гаплоиды».
Гибриды между полигаплоидами и диилоидами пал.шают
вторичными гаплоидами.
7.7.2. ПОЛУЧЕНИЕ ГАПЛОИДОВ
Гаплоиды возникают в результате редуцированного
партеногенеза (гиногенеза или андрогепеза), апогамии, выращивании
пыльцы на искусственных питательных средах, а также элиминации
хромосом, в начале развития зародыша.
При партеногенезе гаплоидный зародыш развивается из не-
оплодотворенной яйцеклетки (гиногенез). Во многих случаях при
оплодотворении ядро яйцеклетки дегенерирует и замещается
ядром спермия (андрогенез). Иногда в результате несовместимости
оплодотворяется не яйцеклетка, а центральное ядро зародышевого
мешка, образуя нормальный эндосперм. Такое явление получило
название полунесовместимости.
293

Для искусственного получения гаплоидов используют
следующие методы.
Внутривидовое опыление. В этом случае способность к
образованию гаплоидов находится под генетическим контролем со
стороны материнского и отцовского растений. Метод отличается
высокой надежностью, но мало распространен, так как требует
специального подбора скрещиваемых форм. Впервые открыт Л. Ф.
Рандольфом и Л. Дж. Стадлером у кукурузы в 1929 г. и нашел
практическое применение в работах Ш. Чейза.
Данный метод применяют также при получении гаплоидов
рапса и перца. У рапса первый сорт, полученный из гаплоидов —
Мэрис Гаплона (США).
Межвидовое опыление (опыление чужеродной пыльцой). При
данном методе из-за несовместимости яйцеклетка не
оплодотворяется спермием, центральное ядро — оплодотворяется, эндосперм
развивается, стимулируя развитие яйцеклетки. Данным методом
можно также получить андрогенные гаплоиды.
Создатели метода — С. А. Иоргенсен (1928), А. Блексли (1928),
Д. Костов (1929), Г. Д. Карпеченко (1935).
Интерес к получению гаплоидов при межвидовых
скрещиваниях возрос в результате использования «гаплопродюсеров», впервые
открытых в Канаде у ячменя. Реципрокные скрещивания
культурного и многолетнего луковичного ячменя (Н. ЬШЬозит, 2л = 14, 28),
позволяют получить большое число гаплоидов. Метод прост и
надежен. Гаплоиды легко идентифицировать по морфологическим
признакам.
В данном случае хромосомы элиминируют в начале развития
зародыша.
Диплоидный ячмень луковичный может стимулировать
развитие гаплоидов у пшеницы (сорт Чайнз Спринг).
Во многих странах созданы сорта ячменя путем получения
гаплоидов и обработки их колхицином.
Путем гибридизации аутотетраплоидного ячменя и тетрагаго-
идного ячменя луковичного созданы серии трисомиков ячменя,
используемые в генетических исследованиях и для генных
изменений.
Для получения дигаплоидов культурного картофеля
применяют межвидовые опыления. Например, скрещивают тетраплоид-
ный картофель (2л = 48) с примитивными диплоидными
культурными или дикими видами (2л = 24). Наиболее часто используют
/51. гуЫпи или 5. ркиге/а.
Гаплоиды томата можно получать путем его опыления
пыльцой перца.
Получение гаплоидов путем облучения семян, растений и пыльцы.
Для облучения часто применяют лучи рентгена или у-лучи 60Со.
Облучение прежде всего вызывает нарушение развития спермиев.
Такая пыльца теряет способность к оплодотворению и стимулиру-
294
ет партеногенез яйцеклетки. У большинства культур пыльцу
облучают при ее формировании. С помощью этого метода получили
гаплоиды пшеницы, кукурузы, картофеля, табака, томата. Для
культур, устойчивых к радиации (например, из семейства
капустных), облучение неэффективно.
Опыление недоразвитой пыльцой. Стимуляция развития
гаплоидов этим методом обнаружена у риса и табака.
Задержка опыления. Наивысший выход гаплоидов при
использовании этого метода их создания получен у пшеницы
однозернянки при задержке опыления на 9 дней, кукурузы — на 7,
томата — на 6 дней. При этом яйцеклетка может потерять
способность к оплодотворению и развивается партеногенетически или
дегенерирует, что ведет к образованию зародыша из синергид,
антипод или спермия.
Температурные воздействия. Повышенные температуры (40, 45,
50 °С) способствовали получению гаплоидов у кукурузы и льна,
пониженные (—3 °С) у ржи.
Путем температурных воздействий была осуществлена деполи-
плоидизация автотетраплоидных форм ячменя сортов
Московский 121, Надя, Мами, Зазерский 85 (Корябин, 2002).
Из-за нарушений в мейозе у автотетраплоидов ячменя
снижалась семенная продуктивность, но они обладали хорошей
кустистостью, устойчивостью к полеганию, формировали крупный
колос и зерновки, что обусловливает перспективность
использования этих форм в селекции. Оказалось, что за многие хозяйственно-
ценные признаки у ячменя ответственны не только гены
хромосом, но и цитоплазма.
Исследователи поставили перед собой задачу — убрать из
геномов автотетраплоидов лишние хромосомы и оставить цитоплазму
тетраплоидов. Для этого проведена искусственная деполиилоиди-
зация путем создания стрессовых условий при выращивании
ячменя. Семена высевали в сосуды при температуре 12—15 "С. После
появления всходов температуру поддерживали к пределах 5—7 °С
в течение месяца и создавали недостаточное освещение
(продолжительность освещения 7—8 ч, интенсивность — 2500—3000 лк).
В дальнейшем растения помещали в обычные условия,
необходимые для произрастания ячменя. При гаком способе выращивания
ячменя митотической диполиплоидизации подвергалось более 95 %
растений. Присутствие цитоплазмы тетраплоидов определяли по
размерам клеток в меристеме корешков. Для контроля
использовали исходную диплоидную и аутотетраплоидную формы.
Размеры клеток у реверсантов (2л = 14) с цитоплазмой тетраплоидов
близки к тетрашюидной форме.
Такие реверсанты обладают многими признаками тетраплоидов.
У них крупное зерно, большее число колосков в колосе, крупные
листья, утолщенная соломина. Многие реверсанты двурядного
ячменя образуют зерна из недоразвитых колосков. Зерно игольчатой
295

формы, имеет хорошую всхожесть. Пыльца в таких колосках
хорошо сформирована.
Применение химических веществ и мутагенов. Многими
исследователями установлено, что применение нафтоаминуксусной, ин-
долилуксусной, индолбутиловой кислот, гормонов и других
физиологически активных соединений не приводит к гаплоидии.
У кукурузы выход гаплоидов повышает обработка рылец
пестиков гидразидом малеиновой кислоты в концентрации 50 мг/л.
Получению дигаплоидов у картофеля способствует обработка
пыльцы колхицином с сахарозой и борной кислотой.
Стимулируют гаплоидию химические мутагены — нитрозо-
этилмочевина, этиленимин, галогенизированные аминокислоты —
лора-флуорофенилаланин и хлорамфеникол. Под действием
данных веществ гаплоидные клетки активно растут. Обработке
подвергают растения, которые будут применяться для опыления.
Полиэмбриония (близнецовый метод). Гаплоиды среди
растений-близнецов, развивающихся из дву- или многозародышевых
семян, обнаружены у сельскохозяйственных культур,
относящихся к 64 семействам (кукурузы, ячменя, ржи, риса, овса, льна,
хлопчатника, картофеля, перца, свеклы, спаржи, тимофеевки, ежи,
мятлика и др.). Частота появления гаплоидов среди растений-
близнецов незначительна. Моноплоид — моноплоидные близнецы
появляются редко, в основном бывают моноплоид — диплоидные.
Гаплоидный близнец, в отличие от диплоидного, растет медленно,
образуя слаборазвитое растение. Обнаружение гаплоидов среди
растений-близнецов — очень трудоемкая работа.
Использование ядерно-цитоплазматической разнокачественное™.
Влияние чужеродной цитоплазмы на выход гаплоидов впервые
обнаружили у кукурузы, опыляя линии кукурузы с цитоплазмой
теосинте пыльцой обычных линий. Количество гаплоидов при
этом повышалось в 1,3 раза.
Частоты появления гаплоидов и полиэмбрионов повышаются у
многих видов пшениц и тритикале с цитоплазмой Ае§Норз саийа1е.
Цитоплазма других видов Ае§Дорз менее эффективна. При
образовании растений-близнецов более половины из них оказываются
гаплоидными.
Получение андроклинных гаплоидов из культуры пыльцевых
клеток и пыльников. Данный метод разработан сравнительно недавно
и очень перспективен для получения гаплоидов многих культур.
При получении гаплоидов этим методом пыльцу в состоянии
микроспор или одноядерной пыльцы, а также зрелые пыльники
культивируют в стерильных условиях на питательных средах,
состоящих из макро- и микроэлементов с органическими добавками,
при определенной температуре и освещенности. Наиболее часто
применяются среды: Уайта, Мурасиге и Скуга, Линсмайера и
Скуга, Миллера, Блейдса, супругов Нич, Гамборга, Дюрана, Брауна и
Лоренса и др.
296
Вначале на питательных средах образуются каллусы, которые
переносят на другие среды для формирования органов
гаплоидных растений.
Таким методом получены гаплоиды у табака, риса, ячменя,
кукурузы, рапса, спаржи и других культур. Однако у таких культур,
как рожь, овес, лен, картофель, конопля, томат, перец и др.,
использование этого метода для получения гаплоидов не имело
успеха. Для получения гомозиготных диплоидов гаплоидные
растения подвергают колхицинировапию.
Вопросы и задания. 1. Что такое полиплоидия и как широко она
распространена в природе? 2. Как возникают полиплоидные ряды у растений? Назовите
полиплоидные ряды у представителей семейства злаковых, картофеля, свеклы, риса,
люпина, земляники и сливы. 3. Каков механизм действия колхицина на
делящиеся клетки? 4. На чем основана классификация полиплоидов? 5. Автополиплоиды
(их получение и распространение среди сельскохозяйственных культур, характер
мейоза у автополиплоидов и особенности их размножения). 6. Аллополиплоиды
(их получение и распространение среди сельскохозяйственных культур), амфи-
диплоиды, аллотриплоиды и сегментные полиплоиды? 7. Каковы методы
получения полиплоидов? 8. Как отбирают полиплоиды? Каковы косвенные методы
определения гоюидности? 9. Как выписывают гаметы у автополиплоидов? 10. Как
происходит расщепление автополиплоида в /*2 ПРИ моно- и дигибридном
скрещивании при самоопылении? 11. Рассчитайте расщепление дуплексно-симплексной
гетерозиготы ААааВЬЬЬ. 12. Что означает термин «двойная редукция»? 13. Каковы
методы получения триплоидов? У каких культур они нашли применение? 14.
Какой уровень плоидности эндосперма при использовании в качестве материнских
тетрашюидных и диплоидных растений? 15. Мейотическая полиплоидизация и
образование нередуцированных гамет. 16. Классификация анеушгоидов и анеуп-
лоидные ряды растений. 17. Как образуются первичные, вторичные и третичные
трисомики? Какова у них конфигурация хромосом в мейозе? 18. Как используют
трисомиков в генетическом анализе? 19. В каких целях используют моносомиков
и нуллисомиков в генетическом анализе? 20. В чем сущность гаплоидии? В каких
направлениях используются гаплоиды в селекции и генетике? 21. Каковы
особенности прохождения мейоза у гаплоидов? 22. Как возникают матрокли с, анд-
рогенные и андроклинные гаплоиды? 23. Классификация гаплоидов. 24. У каких
культур получают моногаплоиды и полигаплоиды? 25. Каковы методы получения
гаплоидов?
Литература
БреславецЛ. П. Полиплоидия в природе и опыте. — Изд-ио АН СССР, М.:
1963.
Дубинин Н. П., Щербаков В. К. Теоретические вопросы и достижения при
использовании полиплоидии в селекции растений//! 1олиплоидия и селекция. — М.:
Наука, 1965.
Жученко А. А. Генетика томатов. — Кишинев: Штиинца, 1973.
Колесников А. И. Колхицин и получение новых форм сельскохозяйственных
растений. —Л.: Колос, 1972.
Лаптев Ю. П. Гаплоидия в селекции растений. — М.: Знание, 1972.
Лаптев Ю. П. Гетероплоидия в селекции растений. — М.: Колос, 1984.
МюнцингА. Генетические исследования. — М.: ИЛ, 1963.
Ницше В., ВенцельГ. Гаплоиды в селекции растений. — М.: Колос, 1980.
Полиплоидия: Сборник статей. — М.: ИЛ, 1956.
Раджабли Е. П., РудьВ.Д. Получение и использование полиплоидных форм
растений. — Новосибирск: Наука, 1972.
297

Глава 8
ОТДАЛЕННАЯ ГИБРИДИЗАЦИЯ
Сельскохозяйственное производство в значительной степени
нуждается в создании новых высокоурожайных сортов. В
настоящее время для их выведения используют небольшое число
наиболее продуктивных сортов и гибридов.
Сире (1981) отмечает, что генетическое разнообразие
пшеницы, которое накапливалось в течение 10 тыс. лет, резко
сократилось, что привело к практическому исчерпанию генетического
материала для ее дальнейшей селекции. Такое состояние
характерно и для других основных сельскохозяйственных культур:
картофеля, ржи, овса, кукурузы, подсолнечника, сои, риса,
хлопчатника и др.
Из 200 тыс. видов покрытосеменных растений, произрастающих
на земном шаре, в культуре используют около 250 видов, наиболее
широко — только 50. Остальные виды представляют огромный
резерв для селекции.
В диких видах сосредоточены «залежи наследственности». Это
источники устойчивости к болезням и вредителям, биологически
ценных компонентов, адаптации к быстро меняющимся условиям
внешней среды (Бербанк, 1955), а также повышения доступной ге-
нотипической изменчивости.
Очень часто межсортовой гибридизацией нельзя добиться
приобретения желаемых признаков у культурных растений. Так,
пшеница не выносит засоления, а многие виды пырея хорошо растут
на засоленных почвах, ТгШсит пторНее\1 обладает комплексным
иммунитетом почти ко всем заболеваниям мягкой пшеницы и не
поражается шведской мухой.
Культурный подсолнечник поражается склеротинией, ложной
мучнистой росой, а многие дикие виды рода НеНапгкиз устойчивы
к данным заболеваниям.
Картофель неустойчив к фитофторе, агрессивным расам рака,
вирусным заболеваниям, поражению нематодой, колорадским
жуком, однако среди диких диплоидных и тетраплоидных видов
картофеля обнаружено множество форм, устойчивых ко всем этим
заболеваниям и вредителям.
298
7 Дикие и полукультурные разновидности рода Ьусоретсоп
Тоигп служат основным исходным материалом в селекции томата
на повышение содержания витаминов (С, В,, В2), (3-каротина и
ликопина, а также на устойчивость ко многим болезням.
Перед селекционерами в течение многих веков стоит проблема
передачи полезных признаков диких форм культурным
растениям. Один из путей решения этой проблемы — гибридизация.
Отдаленной гибридизацией называют скрещивание между
организмами, относящимися к разным видам одного рода или разных
родов, поэтому ее подразделяют на межвидовую и межродовую.
Вид в генетическом отношении рассматривают как основную
таксономическую единицу. Это — совокупность особей, сходных
между собой по морфологическим и физиологическим
признакам, легко скрещивающихся и дающих плодовитое потомство,
адаптированных к жизни в определенных условиях и занимающих
определенный ареал. Таким образом, вид обладает определенной
географической, анатомо-морфологической, физиологической и
генетической дифференциацией организмов.
Цель отдаленной гибридизации — создание форм и сортов,
сочетающих в себе признаки и свойства разных видов и родов.
8.1. ЗАДАЧИ ОТДАЛЕННОЙ ГИБРИДИЗАЦИИ
К основным задачам отдаленной гибридизации относят
следующие.
• Передача полезных признаков от диких видов культурным.
Это происходит в естественных условиях. Процесс, при котором
небольшое количество зародышей плазмы одного вида передается
другому, называют интрогрессией. При этом осуществляют
гибридизацию культурной формы с диким сородичем, а затем
переопыляют нужную форму пыльцой полученного гибрида.
Предполагают, что кукуруза приобрела многие признаки от
своих близких сородичей теосинте и трипсакума. Сорго имеет ряд
особенностей от близких сорных растений.
• Получение желательных хошйстисппо ценных признаков
при скрещивании близкородственных видов, имеющих
гомологичные хромосомы, способные вступать в кроссинговер.
Данное явление нашло широкое применение в селекции
культур полиплоидного происхождения: овса, пшеницы, картофеля,
риса, хлопчатника, малины, земляники и других культур.
• Получение нового выражения признака, несвойственного
родителям. Во многих случаях это находит применение в
селекции вегетативно размножаемых и декоративных культур.
• Синтез новых видов. При гибридизации между видами
образуются гибриды, сочетающие в себе признаки обоих родителей,
которые можно закрепить в одном организме путем полиплоиди-
299

зации или замещения части хромосом одного вида на хромосомы
другого. Путем полиплоидизации гибрида создана первая
искусственная зерновая культура тритикале, замещением хромосом —
многолетняя пшеница и рожь.
• Получение гибридной мощности — гетерозиса. В результате
отдаленной гибридизации часто наблюдается гетерозис, в
большей степени по вегетативной массе и в редких случаях по
семенной продуктивности. Данное явление отмечено у межвидовых
гибридов подсолнечника, хлопчатника, рапса и сарептской
горчицы, а также у межродового гибрида редьки и капусты.
Отдаленная гибридизация нашла широкое применение в
селекции сравнительно недавно, поскольку скрещивания между
видами трудно осуществимы.
Впервые успешные эксперименты по отдаленной гибридизации
проводились И. Г. Кёльрейтером в России с 1755 г. Он использовал
в скрещиваниях 54 вида, принадлежащих к 13 родам. В 1760 г. был
получен первый отдаленный гибрид между видами табака.
Большой вклад в теорию и практику отдаленной гибридизации внес
И.В.Мичурин, который начиная с 1884г. получил путем
межвидовой и межродовой гибридизации множество сортов
плодово-ягодных культур и впервые обосновал основные положения
отдаленной гибридизации. В 1988 г. Римпау в Германии получил
плодовитый гибрид пшеницы и ржи. Мировое значение приобрели
работы Г. Д. Карпеченко. Он внес большой вклад в теорию
отдаленной гибридизации. При гибридизации редьки и капусты он
получил плодовитый отдаленный гибрид и впервые еще в 1924 г.
показал, как преодолеть бесплодие отдаленных гибридов.
В 30-е годы XX в. работы по отдаленной гибридизации в
больших масштабах проводились академиком Н. В. Цициным. В
результате были осуществлены замещения хромосом культурных
злаков (пшеницы, ржи, ячменя) на хромосомы дикорастущих.
Получена многолетняя пшеница (пшенично-пырейный гибрид) и
многолетняя рожь. Работы по синтезу новых пшениц были
развернуты А. Р. Жебраком. Им была выдвинута гипотеза о
происхождении 42-хромосомных пшениц путем гибридизации 28- и 14-
хромосомных видов с удвоением числа хромосом. В 1938 г. был
получен гибрид твердой пшеницы и однозернянки, которому
было присвоено название нового вида Т. ЕсЫаг<И 7кеЪ.
Создавался исходный материал для выведения сортов
пшеницы, устойчивых к ржавчине, для чего скрещивали Т. аезНуит,
Т. кигит, Т. ИторЫет, Т. Шщйит, Т. роЬтсит, Т. ретсит и др.
8.2. МЕЖВИДОВАЯ И МЕЖРОДОВАЯ ГИБРИДИЗАЦИЯ
Примером межвидовой гибридизации могут служить
скрещивания овса посевного (2га = 42) с овсом византийским и овсюгами
(2л = 42), твердой пшеницы с двузернянкой и ветвистой (2га = 28),
300
♦
мягкой (2га = 42) и твердой (2и = 28), культурного картофеля
(2га = 42) и диких видов (2л = 24, 48).
Межродовая гибридизация — скрещивание пшеницы с рожью,
пшеницы с пыреем, ячменя с элимусом, редьки с капустой и т. д.
Существует многовидовая гибридизация, когда в скрещивании
последовательно участвуют не два, а три и более видов. Так, сорт
твердой пшеницы Харьковская 46 создан при скрещивании
ветвистой, двузернянки и твердой пшениц, картофель сорта Детско-
сельский — гибридизацией тетраплоидных видов 6". ШЬегозит, 5. ап-
йщепит и 15". а'етгззит.
Вместо межвидовой и межродовой гибридизации Г. Д.
Карпеченко предложил классифицировать методы отдаленной
гибридизации на две группы.
Конгруентные скрещивания (соответствующие, совпадающие) —
скрещивания близких видов, для которых характерно равенство
хромосом и их гомология, такие гибриды плодовиты и
жизнеспособны, например, гибридизация овса посевного с византийским и
овсюгами, пшеницы твердой с ветвистой и двузернянкой, капусты
кочанной с кормовой и кольраби, культурного томата с дикими
видами рода Ьисоретсоп и т. д.
Инконгруентные скрещивания (несоответствующие) включают
скрещивания видов с генетически неоднородными хромосомами,
с разным их числом или с различными цитоплазмами. В таких
скрещиваниях растения стерильны или слабо фертильны. К этой
группе относят скрещивания пшеницы с рожью, ячменя с
элимусом, редьки с капустой, картофеля с томатом и т. д.
Г. Д. Карпеченко различал шесть основных типов конъюгации
хромосом для гибридов Рх.
Нормальная бивалентная конъюгация (эусиндез), при которой у
гибрида образуется столько же бивалентов, сколько их у
родительских форм, а при различии числа хромосом у родителей число
бивалентов будет равно числу хромосом у родителя с меньшим их
числом.
Неопределенная конъюгация (попкилосиидез), при которой
число бивалентов и унивалептои у гибрида варьирует в
определенных пределах.
Частичная конъюгация (гипосипдез), при которой число
бивалентов у гибрида Р\ меньше, чем у родителя с меньшим числом
хромосом.
Отсутствие конъюгации хромосом (асиндез), которое
наблюдается при наличии у скрещиваемых форм генетически различных
хромосом, например, у гибридов Р\ редька, (п = 9) х капуста, (га = 9)
в М1 мейоза происходит образование 18 унивалентов.
Сверхконъюгация (гиперсинтез), при которой число бивалентов у
Р\ оказывается больше, чем у малохромосомного родителя.
Кольцевая конъюгация (циклосинтез), при которой хромосомы
у гибридов образуют одно или несколько замкнутых колец.
301

У амфидишгоидов наблюдается автосинтез, когда конъюгиру-
ют хромосомы одного родительского вида, и аллосинтез, при
котором происходит конъюгация хромосом обоих родителей.
При отсутствии конъюгации наблюдается асинапсис, в
результате чего образуются униваленты.
Преждевременное расхождение бивалентов или мультивален-
тов в профазе I приводит к появлению так называемых псевдоуни-
валентов, т. е. ложных унивалентов, которые имеют симметричное
расположение. Данное явление называется десинапсис.
В практической селекции с использованием отдаленной
гибридизации селекционеры и генетики встречаются со следующими
нежелательными явлениями:
нескрещиваемость генетически далеких видов;
непрорастание гибридных семян;
бесплодие гибридов первого поколения.
8.3. ПРИЧИНЫ НЕСКРЕЩИВАЕМОСТИ
И МЕТОДЫ ЕЕ ПРЕОДОЛЕНИЯ
Главная причина нескрещиваемости видов — их генетическая
изоляция, которая выражается несовместимостью генотипов видов.
Возможны следующие причины нескрещиваемости.
Географическая разобщенность видов.
Препятствия к опылению и осеменению (у животных):
несовпадение циклов развития половых гамет;
различное строение половых органов.
Появление у растений несовместимости пыльцевых трубок и
пестиков.
Препятствия к оплодотворению, обусловленные
несовместимостью яйцеклеток и спермиев, ядра и цитоплазмы.
Бесплодие или низкая плодовитость гибридов. По этим
причинам в природе редко встречаются отдаленные гибриды.
К основным методам преодоления нескрещиваемости
относятся следующие.
Применение реципрокных скрещиваний, что обусловливается
неодинаковым прорастанием пыльцевых трубок в тканях
пестика различных видов, а также разным уровнем плоидности
эндосперма. Так, при получении гибридов редьки и капусты,
материнским растением является редька. Обратный гибрид получить
никому не удалось. В работах Г. К. Мейстера на Саратовской
опытной станции при получении тритикале в вариантах, где
материнским растением была пшеница, а опылителем рожь, завя-
зываемость гибридных семян составляла 60,5 %, в обратном
скрещивании — 3,6 %.
Использование различных биотипов. В наших опытах при
получении гибридов КаркапоЬгазйса завязываемость семян при
302
I
скрещивании редьки масличной с сортом кормовой капусты
Синий гигант была в 7—10 раз выше, чем от скрещивания с сортом
капусты Мозговая зеленая вологодская.
Изменение уровня плоидности родителей. Во многих случаях
перевод скрещиваемых видов на тетраплоидный уровень
способствует получению гибридных семян, что свидетельствует об
изменении селективности оплодотворения.
Воздействие на исходные виды радиацией, химическими
мутагенами, биологически активными веществами, стрессовыми
условиями выращивания. Наглядным примером этому служит
гибридизация между видами томата. Применение стероидных глюкози-
дов во многих случаях приводило к повышению завязываемости
гибридных семян.
Удаление рыльца пестика перед опылением, нанесение на
рыльце биологически активных веществ.
Извлечение оплодотворенных семяпочек и выращивание их на
искусственных питательных средах. Данный прием во многом
зависит от генетического соответствия зиготы и эндосперма. В
случае несоответствия зигота не развивается. Данный метод нашел
применение при отдаленных скрещиваниях многих видов, в
частности при селекции ячменя.
Гибридизация соматических клеток путем слияния
протопластов. Это новый перспективный метод.
Мичуринские методы преодоления нескрещиваемости:
опыление смесью пыльцы. В данном случае используют смесь
пыльцы различных биотипов;
метод предварительного вегетативного сближения, который
заключается в прививке растений одного вида на растения другого,
что может изменить химический состав генеративных органов и
стимулировать прорастание пыльцы одного вида в тканях пестика
другого вида. Тем не менее механизм действия данного метода не
совсем понятен. Н. П. Дубинин проанализировал сорта плодово-
ягодных культур, полученных И. И. Мичуриным с помощью
метода предварительного вегетативного сближения и пришел к
выводу, что данный метод повлиял на получение только 5% сортов.
Остальные 95 % сортов выведены на основе генетических
изменений хромосом;
метод посредника используют в случае, когда исходные виды
не скрещиваются между собой, но скрещиваются с третьим
видом. Получают гибриды с данным видом, а затем скрещивают
эти гибриды между собой. Данный метод нашел применение в
селекции картофеля, пшеницы, овса и других культур.
Диплоидные виды овса А. Мгщоза и А. рпоза не скрещиваются между
собой, но успешно гибридизируются с А. 1оп%щ1итг5. Гибриды
между данными диплоидными видами и А. 1ощщ1ит1з легко
скрещиваются между собой.
303

8.4. НЕПРОРАСТАНИЕ ГИБРИДНЫХ СЕМЯН
При гибридизации разных видов во многих случаях образуются
гибридные семена, но они не способны к прорастанию в обычных
условиях из-за слабого развития. Гибридизация тетраплоидных
видов, когда их используют в качестве материнских, с
диплоидными, редко удается, поскольку в данном случае не образуется
эндосперм. Если семена и формируются, то они мелкие и
сморщенные. В наших опытах при скрещивании тетраплоидной редьки
масличной сорта Тамбовчанка с диплоидной кормовой капустой и
кольраби было получено 5 триплоидных гибридов, но при посеве
в вегетационные сосуды в тепличных условиях они не взошли.
Для преодоления непрорастаемости зародыша в настоящее
время используют метод культуры зародышей, при котором их
проращивают на искусственных питательных средах в
стерильных условиях.
Во многих случаях прорастанию зародышей способствует
применение биологически активных веществ и создание
определенных условий для прохождения длительного покоя (прием часто
применяют для семян с твердой оболочкой).
8.5. БЕСПЛОДИЕ ОТДАЛЕННЫХ ГИБРИДОВ
И МЕТОДЫ ЕГО ПРЕОДОЛЕНИЯ
До Ч. Дарвина считалось, что в случае отдаленных
скрещиваний виды обладают бесплодием для сохранения своих видовых
особенностей.
Ч. Дарвин не был согласен с этим мнением. Он полагал, что
бесплодие — результат различий в воспроизводительной системе
родительских видов или их неспособности выполнять свои
функции. Согласно современным представлениям, бесплодие
вызывается следующими причинами:
недоразвитием генеративных органов (чаще всего пыльников);
нарушениями в мейозе, приводящими к появлению
нежизнеспособной пыльцы и аномальных яйцеклеток;
абортивностью зародыша из-за несоответствия зиготы и
эндосперма.
Главная причина бесплодия отдаленных гибридов —
нарушения в мейозе. Они вызываются:
наличием различного числа хромосом у скрещиваемых видов,
ведущих к образованию унивалентов;
отсутствием или нарушением конъюгации хромосом у
гибридов первого поколения из-за отсутствия гомологии, наличия
хромосомных аберраций (инверсий, транслокаций, делеций),
взаимодействия геномов исходных видов при наличии родства хромосом,
что приводит к образованию мультивалентов.
304
Георгий Дмитриевич Карпеченко
(3.05.1899-28.07.1941)
Большое влияние на
бесплодие оказывает геномная аллоцик-
лия, которая вызывается
различиями в темпах деления хромосом
исходных видов. Так, у мягкой
пшеницы темп деления хромосом
24 ч, твердой — 30, ржи — 51,
тритикале — 34—37 ч. Поэтому у
тритикале часто происходит потеря
хромосом ржи.
Важную роль в проявлении
геномной аллоциклии играет
цитоплазма материнского растения и
условия выращивания. В наших
опытах, при получении гибридов
типа КаркапоЬгаз81са с участием
тетраплоидной формы редьки
масличной и кормовой капусты,
установлена потеря хромосом
капусты, поскольку материнским
растением была редька. Образование
семян в стручках зависело от условий выращивания. При
оптимальных для роста температурах (25—27 °С) семенная
продуктивность резко снижалась из-за появления геномной
аллоциклии. При пониженных температурах (15—18 °С) данное явление
не наблюдалось, семена хорошо завязывались.
Методов преодоления стерильности отдаленных гибридов /^
немного. Один из них — опыление гибридов пыльцой
родительских форм, т. е. проведение возвратных скрещиваний, или
скрещивание с третьим близкородственным видом. Недостаток
метода — возврат к исходным формам и потеря новых
признаков.
Большой вклад в преодоление бесплодия отдаленных гибридов
внесли работы Г. Д. Карпеченко (1924). Он ипсриые к мировой
практике выяснил причины бесплодия таких гибридов и
разработал цитологический механизм восстановления их плодовитости.
Работы касались получения плодовитых редечно-капустных
гибридов, названных КарИапоЬтхьчса.
Редька и капуста содержат в соматических клетках по 18
хромосом. При скрещивании в гибриде объединяются 9 хромосом
редьки и 9 хромосом капусты, которые в мейозе не конъюгируют, что
приводит к стерильности гибридов.
Г. Д. Карпеченко предложил проводить удвоение числа
хромосом у отдаленных гибридов путем полиплоидизации, в
результате чего появляется гомология хромосом и они вступают
в конъюгацию. Такие гибриды получили название амфидипло-
идов.
305

8.6. ФОРМООБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ПРОЦЕСС В ПОТОМСТВЕ
ОТДАЛЕННЫХ ГИБРИДОВ
У отдаленных гибридов (амфидиплоидов) в основном
наблюдается промежуточный тип наследования признаков. Одни гибриды
похожи на родителей (таких большинство), у других появляются
совершенно новые признаки.
При скрещивании с дикими видами в основном доминируют
признаки диких форм, что в хозяйственном отношении
нежелательно. Например, при гибридизации культурных сортов
картофеля с дикими видами у гибридов образуются мелкие уродливые
клубни. Для предотвращения таких явлений вместо объединения
целых хромосомных наборов культурных и диких видов,
производят замещение отдельных хромосом культурных видов на
хромосомы диких, контролирующие хозяйственно-ценные признаки, или
используют транслокации отдельных участков хромосом. Данные
методы впервые применил Э. Сире при выведении сортов
пшеницы, устойчивых к листовой ржавчине.
В селекции на гетерозис необходимо иметь формы,
обладающие цитоплазматической мужской стерильностью (ЦМС).
Для этого осуществляют перенос генома одного вида в
цитоплазму другого. У пшеницы такой перенос впервые осуществил
в 1951 г. Кихара путем переноса ее генома в цитоплазму Аефорв
саийаХе Н.
8.7. СИНТЕЗ И РЕСИНТЕЗ ВИДОВ
Отдаленная гибридизация в сочетании с полиплоидией
позволяет создавать новые виды, не существующие в природе и
обладающие хозяйственно-ценными признаками, т. е.
осуществлять искусственный синтез видов. Такими методами были
синтезированы новые виды пшеницы А. Р. Жебраком, пшенично-
пырейные гибриды Н. В. Цициным и Г. Д. Лапченко,
тритикале — А. И. Державиным и др. В настоящее время в
сельскохозяйственном производстве используют новые культуры: перко
(Регко РУН —гибрид сурепицы и китайской капусты), мали
(гибрид рапса и кормовой капусты), рапс репчатый (гибрид
пекинской капусты и кочанной), рапс головчатый (гибрид
кочанной капусты и сурепицы), фестулолиум (гибрид овсяницы и
райграса) и др.
Впервые синтез нового вида ЯарИапоЬгазжа произвел Г. Д. Кар-
печенко. Нами были продолжены работы по созданию новых ре-
дечно-капустных гибридов.
Соматическим гетерозисом отличаются гибриды между тет-
раплоидной редькой масличной сорта Тамбовчанка и тетра-
306
плоидными формами
кормовой капусты (рис. 8.1).
Данные гибриды обладают
гигантизмом и могут быть
использованы для создания
однолетней кормовой
капусты, а также в селекции
рапса и горчицы сарептской.
Среди зерновых культур
большое внимание уделяют
культуре будущего —
тритикале, полученной путем
гибридизации тетраплоидных
пшениц (2я = 28) с рожью
(2и = 14) и последующего
удвоения числа хромосом.
Таким методом созданы
42-хромосомные тритикале,
наиболее распространенные в
сельскохозяйственном
производстве. Гибридизацией гекса-
плоидных пшениц (2л = 42)
с рожью получают октапло-
идные тритикале (2и = 56).
Первые сорта возделываемых
тритикале гексаплоидны. Они
получены гибридизацией гек-
саплоидных и октоплоидных
форм и отбором
константных гексаплоидных линий.
Многие селекционеры
считают, что будущее принадлежит тетрашюидимм сортам
тритикале (2и = 28). Их можно получить гибридизацией диплоидных
видов пшеницы и ржи. Тем не менее такой метод получения
тетраплоидных тритикале не приносит желаемых результатов. Тет-
раплоидные тритикале получают гибридизацией гексаплоидных
форм с рожью и отбором константных 28-хромосомных линий.
Восстановление родословной существующих видов
экспериментальным путем получило название ресинтеза видов.
Добавление или замещение целых геномов у полиплоидных видов
позволяет произвести реконструкцию геномов, которая дает
информацию об эволюционной истории данных видов. Впервые
возможность ресинтеза видов была показана А. Мюнтцингом в
начале 30-х годов XX в. при восстановлении родословной пи-
кульника.
Ресинтез проведен в роде пшениц (рис. 8.2), овса, табака,
хлопчатника, сливы, земляники, полиплоидных видов рода капуст
Рис. 8.1. Гибрид тетраплоидной редьки
масличной сорта Тамбовчапка и тстраилоидной
кормовой камус ил сорта Синий гигант
(оригинал автора)
307

Т. игаг1у
2л = 14
геном АА
Т. Шг%Шшп
2л = 28
геном ААВВ
X
■у
АерЬра кт^шта
2л = 14
геном ВВ
Удвоение хромосом
г
Т. (НсоссоШех
2л = 28
геном ААВВ
Возделывание и отбор
X
Ае. щиаггоьа
2л =14
геном йй
Удвоение хромосом
г
Т. аезПуит
2л = 42
геном ААВВпО
Рис. 8.2. Схема происхождения мягкой пшеницы
В. саппаГа
(горчица
паленая)
л = 17,
геном ВС
В. пщга
(горчица чёрная)
и =
геном В
В. окгасеа (капуста
кочанная, кормовая,
цветная, брокколи)
л = 9,
геном С
В. пария
(рапс,
брюкна)
я =19,
геном АС
В. сатре&т
(сурепица, турнепс
репа, капуста
китайская)
л = 10,
геном А
В.]ипсеа
(горчица
сарептская)
я =18,
геном АВ
Рис. 8.3. Родственные связи видов рода Вгамка Ь.
(рис. 8.3) и других культур. В. А. Рыбин впервые произвел ресин-
тез культурной сливы (2л = 48) путем гибридизации алычи (2я = 16)
и терна (2и = 32).
8.8. СОМАТИЧЕСКАЯ ГИБРИДИЗАЦИЯ
Отдаленная гибридизация половым путем не всегда удается.
В этом случае можно применять гибридизацию соматических
клеток или парасексуальную гибридизацию, что основано на сходстве
многих путей метаболизма и молекулярных структур у разных
организмов и универсальности их клеточного строения.
Технология соматической гибридизации состоит из четырех
этапов:
выделение протопластов (у растений);
слияние протопластов;
селекция гибридных клеток;
регенерация растений.
Выделение протопластов проводят ферментативным путем, что
позволяет удалить у клеток целлюлозную оболочку.
Слияние протопластов происходит под действием вирусов и
химических веществ. В настоящее время разработана методика
электрослияния.
Селекцию гибридных клеток и регенерацию растений проводят
на искусственных питательных средах с добавлением
соответствующих ферментов или фитотоксинов. В этом случае необходима
механическая изоляция гибридных клеток. Для облегчения
данной процедуры Д. Глеба и Ю. Глеба (1978) разработали метод
микрокапельной культуры.
Соматическая гибридизация открывает широкие перспективы
для исследований в области генетики растений и жикотпых, в
частности совместимости геномов отдельных линий, закономерностей
морфогенеза, получения исходного материала для селекции.
Путем соматической гибридизации получены гибриды
картофеля и томата, капусты и турнепса, арабидоисиеа и турнепса
(рис. 8.4), культурного и дикого картофеля и ряда декоративных
растений.
Однако отдаленные гибриды, полученные соматической
гибридизацией, не всегда способны к нормальному морфогенезу и
оказываются стерильными. Чем дальше отстоят в
таксономическом отношении скрещиваемые формы, тем больше усиливается
стерильность.
Соматическая гибридизация встречается в природе, особенно у
дрожжей. Экспериментально ее используют у данного объекта
для изучения рекомбинаций в ядре и митохондриях, определении
групп сцеплений, переноса отдельных хромосом, получения ядер-
но-цитоплазматических гибридов.
.:: :, > 309

**-.!'Л
11* V
1
■. 9» •
|" ^,
- V
*>'
•Г' '
ч,11 я
щ
Рис. 8.4. Соматическая гибридизация у растений:
А — растения арабидопсиса; Б— то же турнепса; В— их соматический гибрид (Ю. Ю. Глеба)
Вирус Клетка грызуна
Сендай
Среда для слияния
Образование
гибридов
Пролиферация
гибридов
на селективной
среде
Перенос на селективную среду
Гибридная колония I Гибридная колония II Гибридная колония II!
Рис. 8.5. Получение гибридной клеточной линии человек — грызун (АйалаФ., Кай-
гер Дж. Современная генетика. — М., 1988. — Т. 2. — С. 296)

Соматическую гибридизацию успешно применяют для
получения отдаленных гибридов у животных и человека, особенно для
картирования генов.
Первые гибридные клетки были получены при слиянии
клеток разных линий мышей (внутривидовые гибриды). Межвидовые
гибриды получены между клетками человека и мыши, мыши и
хомячка, мыши и цыпленка.
Клетки животных помещают на искусственные питательные
среды, добавляют специфические химические вещества
(например, полиэтиленгликоль) или инактивированные вирусы.
Наиболее часто используют вирус Сендай. У вирусов имеется один или
несколько специфических участков, с помощью которых они
могут связываться с рецепторами клетки-хозяина.
У вируса Сендай несколько таких участков, и он способен
образовывать мостик между двумя клетками и сближать их. При
этом происходит слияние плазматических мембран клеток и
образуется клетка с двумя ядрами, получившая название дикарион
(рис. 8.5). Далее ядра сливаются, образуется клетка с хромосомами
обоих родителей, которую называют синкарион. Синкарионы
переносят для пролиферации на селективные питательные среды.
При первых делениях клетки происходит потеря хромосом одного
из видов. У гибридов мышь — хомячок утрачиваются хромосомы
мыши, мышь — человек — хромосомы человека. Клеточная линия,
хромосомы которой утрачиваются после слияния, называется до-
норной, другая — реципиентной. Различные потери хромосом у
гибридов мышь—человек облегчает картирование генов человека. Так
установлено, что локус лактатдегидрогеназы человека расположен
во 2-й хромосоме, тимидинкиназы — в 17-й хромосоме.
Для отбора клеток с нужными хромосомами используют
цитологические методы, в частности дифференциальное окрашивание
хромосом. С этой же целью используют метод, получивший
название НАТ-селекции (от английского названия веществ: гипоксан-
тина, аминоптерина и тимидина). В этом случае клетки помещают
на селективные среды, где по их росту определяют наличие
определенных хромосом.
Сцепление генов в соматических клетках называют синтенией
(от греч. син — совместно, тени — поддерживать).
Вопросы и задания. 1. Каково назначение отдаленной гибридизации? 2. Какие
задачи решают методом отдаленной гибридизации? 3. Какие существуют методы
преодоления нескрещиваемости видов? 4. Какие методы преодоления
нескрещиваемости видов были разработаны И. В. Мичуриным? 5. Каковы причины
стерильности отдаленных гибридов? 6. Каковы методы преодоления стерильности?
Каково значение работ Г. Д. Карпеченко по преодолению стерильности отдаленных
гибридов? 7. В чем заключаются методы замещения хромосом культурных видов на
хромосомы диких, перенос сегментов хромосом одного вида другому? 8. Каково
происхождение мягкой пшеницы, рапса, горчицы сарептской, сливы? 9. Что такое
дикарион, синкарион, синтения и какова их роль в соматической гибридизации
клеток?
312
Литература
АйалаФ., КайгерДж. Современная генетика. В 3-х т. — М.: Мир, 1987—1988.
ДубининН. П., Панин В. А. Новые методы селекции растений. — М.: Колос,
1982.
Карпеченко Г. Д. Избранные труды. — М.: Наука, 1971.
Навашин М. С. Об изменении числа и морфологических признаков хромосом
у межвидовых гибридов /Труды по прикладной генетике и селекции. — 1927.—
№ 3. - Сер. 17.
РигинБ. В., Орлова И. Н. Пшенично-ржаные амфидиплоиды. — Л.: Колос,
1977.
Сидоров В. А., Пивень Н. М., Глеба Ю. Ю., Сытник К. М. Соматическая
гибридизация пасленовых. — Киев, 1985.
Синская Е. Н. Межвидовые скрещивания культурных Вгатса // Труды по
прикладной ботанике и селекции. — 1927. —Т. 17. — Вып. 1.
Федорова Т. Н. Цитогенетические и биохимические особенности тритикале. —
М., 1978.

Глава 9
ИНБРИДИНГ И ГЕТЕРОЗИС
Природа испытывает отвращение
к постоянному самооплодотворению.
Ч.Дарвин, 1877
9.1. ИНБРИДИНГ
Под инбридингом, или инцухтом, подразумевают получение
потомства от скрещивания родственных между собой особей (англ.
1пЪгее<Зт§ от ш — в, внутри и Ъгеесш1§ — разведение; нем. ГпгисЫ —
скрещивание близкородственных форм растений, разведение).
Крайняя форма инбридинга — самоопыление, которое, однако,
служит нормой для аутогамных растений; менее тесная — спаривание
аллогамных особей различной степени родства.
Термин инбридинг приобрел зловещий смысл. Уже многие
первобытные общества налагали жесткий запрет на
близкородственные браки, замечая их вредные последствия. Самоопыление
у перекрестноопыляющихся растений и близкородственное
размножение у животных также обычно приводят к негативным
последствиям.
У таких культур, как кукуруза, рожь, клевер или
капуста, после нескольких поколений самоопыления обнаруживают
явно отрицательное влияние инбридинга. У этих и многих
других аллогамных культур в потомстве практически любого ин-
бредного материала наблюдают уменьшение числа
завязавшихся семян, снижение фертильности пыльцы, скорости роста,
размера и мощности растений. При длительном самоопылении
жизнеспособность растений уменьшается от поколения к
поколению.
Степень депрессии растений при близкородственном
размножении у разных культур неодинакова. Например, у
кукурузы и в еще большей степени у ржи некоторые
самоопыленные линии в результате инбридинга в конце концов
погибают. У клещевины и подсолнечника жизнеспособность
растений при самоопылении снижается в меньшей степени. Даже у
одной и той же культуры разные линии, включая и
имеющие общее происхождение, значительно различаются по
степени инцухт-депрессии.
314
9.1.1. ИНЦУХТ-ДЕПРЕССИЯ И ИНЦУХТ-МИНИМУМ
Иниухт-депрессия особенно сильно проявляется в первых
поколениях инцухта и постепенно снижается в последующих. Этот
процесс продолжается до тех пор, пока растения не достигнут
стабильного инцухт-минимума, или инбредного минимума, т. е. такого
состояния, когда инцухт-депрессия достигает своей наивысшей
точки и не вызывает дальнейшего снижения жизнеспособности и
продуктивности особей в последующих поколениях.
Причина снижения жизнеспособности организмов при
инбридинге (инцухте) — возникающая у них гомозиготность по
летальным, полулетальным и другим генам, снижающим
жизнеспособность организма, а также появление плохо
приспособленных к конкретным условиям среды генотипов, которые в
исходной аллогамной популяции возникают редко, а в случае
их появления — элиминируют. Другая возможная причина
инцухт-депрессии — нарушение сбалансированности полигенной
системы.
Беспрерывное самоопыление быстро очищает популяцию от
вредных генов. Вместе с тем с каждым поколением самоопыления
растения становятся все более и более выравненными по
признакам, которые характерны для соответствующей инбредной линии.
Выжившие линии в дальнейшем, после 10—20 лет инбридинга,
практически уже не снижают своей жизнеспособности. К этому
времени они становятся гомозиготными по большинству генов и
достигают инбредного минимума (инцухт-минимума).
Потомство принудительно самоопыляемой аллогамной
популяции к моменту достижения линиями инбредного минимума
представляет собой ряд однородных, но в то же время
ослабленных инбредных линий, которые резко отличаются друг от друга по
совокупности характерных для них признаков и при
самоопылении стойко сохраняют свои особенности в последующих
поколениях. Из перекрестноопыляющейся популяции можно получить
огромное число различных иибредных линий, отличающихся друг
от друга по всевозможным признакам.
Дифференциация и контрастность инбредных линий
определяется гетерогенностью исходной популяции. Следовательно, степень
разнородности между самоопыленными линиями, выделенными
из одной аллогамной популяции, позволяет судить о генетической
структуре данной популяции. Для животных объектов
необходимы близкородственные скрещивания, такие как брат х сестра,
отецхдочь, матьхсын, двоюродные братьяхсестры и т.д.
Поэтому инбридинг применяют для разложения популяции или
гибрида на гомозиготные линии. Материнские растения, которые
подвергают принудительному самоопылению, обозначают
буквами /0 или 5Ь, первое поколение от самоопыления —1\ или 5*1,
второе — 72 или 8г и т. д.
. ■ ■ 315

"""""'■**•■'"*-- 9.1.2. КОЭФФИЦИЕНТ ИНБРИДИНГА
Закон Харди — Вайнберга действует только тогда, когда
скрещивание случайно, т. е. когда вероятность скрещивания между
двумя генотипами равна произведению их частот. Когда
скрещивание неслучайно, т. е. особи с определенными генотипами
спариваются между собой чаще, чем этого следует ожидать на
основе случайности, речь идет об ассортативном скрещивании,
которое не изменяет частот генов, но изменяет частоты
генотипов. Если вероятность скрещивания между сходными
генотипами выше случайной, то частота гомозигот будет
увеличиваться. Если же эта вероятность меньше случайной, то частота
гомозигот будет понижаться. И если известна система
скрещивания (вероятность различных типов скрещивания), то можно по
частотам генотипов в данном поколении рассчитать их частоты
в следующем.
Таким образом, инбридинг — это такая форма ассортативно-
го скрещивания, при которой спаривание родственных особей
происходит чаще, чем можно было бы ожидать на основании
случайности. Поскольку родственные особи в генетическом
отношении имеют больше сходства, чем организмы, не состоящие
в родстве, инбридинг ведет к повышению частоты гомозигот и
снижению частоты гетерозигот по сравнению с теоретически
ожидаемой при случайном скрещивании, хотя он и не изменяет
частот аллелей.
Инбридинг часто применяется в животноводстве и
птицеводстве. В популяции человека, как и в популяциях любых других
организмов, инбридинг повышает частоту проявления вредных
рецессивных аллелей.
Мерой генетических последствий инбридинга служит
коэффициент инбридинга. Он характеризует вероятность появления
у какой-либо особи в том или ином локусе двух аллелей,
идентичных по происхождению, т. е. точных копий аллеля,
находившегося в генотипе одного из прародителей этой особи в одном
из предшествовавших поколений. Два аллеля с одинаковой нук-
леотидной последовательностью ДНК идентичны по структуре,
но не обязательно идентичны по происхождению, поскольку
они могут быть унаследованы от предков, не состоящих между
собой в родстве.
Коэффициент инбридинга обычно обозначают буквой Р.
Результаты инбридинга при самоопылении растений были
проанализированы еще Г. Менделем (1865), который рассчитал,
что потомство гетерозиготы Аа после п поколений
самоопыления состоит из гомозигот и гетерозигот в отношении (2П — 1) • 1
(табл. 9.1).
316
9.1. Соотношение аллелей Аи а в ряде поколений самоопыляющейся популяции
растений
Поколение
1
2
3
4
5
Расщепление
АА
1
при самоопылении
Аа
2
б
28
120
496
аа
1
4
8
16
32
Соотношение генотипов
по поколениям
АА:Аа:
1 :2: 1
6
28
120
496
аа
3:2:3
7:2:7
15:2: 15
31:2:31
п 2" - 1 : 2 : 2" - 1
Из представленных данных видно, что при самоопылении
относительная частота гетерозиготных особей {Аа) падает вдвое в
каждом последующем поколении инбридинга. Резюмируя данные
этого расчета, Г. Мендель отмечает: «В 10-м поколении, например,
2П— 1 = 1023. Следовательно, на каждые 2048 растений, которые
выходят из этого поколения, приходится 1023 с константно
доминирующим признаком, 1023 с рецессивным и только 2 гибрида»*.
Из данных, приведенных в таблице 9.1, следует, что доля особей
несущих в первом поколении самоопыления по два идентичных по
происхождению аллеля, равна общей частоте гомозигот в
популяции, т. е. 1/2, и, следовательно, коэффициент инбридинга Р= 1/2.
Во втором поколении самоопыления 1/2 потомства гетерозигот
опять составляют гомозиготы с аллелями, идентичными по
происхождению. Таким образом, увеличение коэффициента имбридин-
га за их счет равно 1/2 ■ 1/2 = 1/4. Следовательно, суммарный
коэффициент инбридинга во втором поколении самоопыления
равен 1/2 + 1/4 = 3/4. В каждом последующем поколении
инбридинга значение /"возрастает на половину частоты гетерозигот в
последующем поколении.
Но этот случай расчета коэффициента инбридинга -*-
простейший из всех возможных; в популяции представлены потомства
моногетерозиготы Аа. В селекционной же практике гетерогенность
гибридного потомства может быть очень высокой.
При скрещивании сортов или линий аутогамных культур, для
которых характерно слияние при оплодотворении гамет,
продуцируемых одним и тем же цветком, поколение Р\ бывает
гетерозиготным, генетически однородным, и только в поколении Р^
проявляется первое расщепление. В следующих поколениях в резуль-
* Грегор Мендель. Опыты над растительными гибридами. — М.: Наука,
1965.-С. 21.
317

тате повторного самоопыления происходит процесс гомозиготиза-
ции, т. е. повышается доля гомозигот, которые далее не
расщепляются. Наоборот, доля гетерозигот эквивалентно снижается. В
результате этого процесса популяция в поздних поколениях после
скрещивания состоит почти полностью из гомозигот.
Долю гомозиготных особей в том или ином поколении можно
вычислить по формуле
Н=
где Н—доля гомозиготных растений; 5—порядковый номер расщепляющегося
поколения (Р2 — первое расщепляющееся поколение); п — число пар генов в
гетерозиготном состоянии в /"[.
Процент гомозиготных особей можно вычислить по той же
формуле, умножив полученную величину на 100. Приведенная
выше формула в этом случае приобретает такой вид:
Я*=100
25-1
Проведенные на основе данной формулы расчеты позволили
построить графики (рис. 9.1), отражающие важные
закономерности перехода гибридной популяции в новое состояние, связанное с
ее разложением на множество индивидуальных, отличающихся друг
от друга линий, гомозиготных по большинству генов.
При этом показано, что соотношение долей гомозиготных и
гетерозиготных растений в гибридных поколениях в значительной
степени зависит от числа пар генов, по которым гетерозиготно
поколение Р\. Из приведенных данных также видно, что чем
больше локусов в Г\ представлено гетерозиготами, тем в более поздних
поколениях растения гибридной популяции становятся
гомозиготными. Так, если в Р$ в потомстве моногибрида в среднем
имеется 75 % гомозиготных растений, то в потомстве особи,
гетерозиготной по 20 локусам, таких растений будет только 0,3 %. Это
обстоятельство очень важно для селекции, поскольку гомозиготные
растения в популяциях аутогамных культур представляют для
селекционера главный интерес. Из приведенных данных следует
заключить, что в потомстве моногибрида отбор можно с успехом
провести уже в Р2, а во втором случае в более поздних поколениях,
где даже в Р$ доля гомозиготных растений составляет всего 6,9 %.
Причем лишь незначительная часть из них может иметь
благоприятное сочетание признаков. Следует отметить, что для одного ло-
куса возможны два гомозиготных генотипа, для двух локусов —
318
100
80
ё 60
40
20
//
/
<
/
1
/
/
5
/
А
—
ПО
Гибридное поколение
Рис. 9.1. Увеличение процента гомозиготных форм в потомстве аугогамной культуры
с Ту по Рю при 1, 2, 5 и 15 парах гетерозиготных аллелей в Т\ (Гужов Ю. Л., Фукс А.,
Валичск П. Селекция и семеноводство культивируемых растений. — М., 1999. — С. 122)
четыре, а для п локусов — 2". Сцепление генов изменяет
соотношение различных гомозиготных генотипов; их частота в случае
сцепления неодинакова. Генотипы, включающие сцепленные
гены, встречаются чаще.
Анализ приведенных данных свидетельствует о том, что у
самоопыляющихся культур вероятность выделения гомозиготной
формы из гибридной популяции в более поздних поколениях
непрерывно растет. Однако запаздывание с отбором привело бы к
увеличению продолжительности выведения сорта, что в современных
условиях неприемлемо.
9.1.3. ВЫЧИСЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ИНБРИДИНГА
Рассмотрим данный вопрос на примере определения значения
коэффициента инбридинга Р в потомстве сибсов, т. е. родных
братьев и сестер. Ниже на рис. 9.2 изображена схема скрещивания,
или родословная, для этого случая; каждая стрелка соответствует
передаче следующему поколению одной гаметы. Р\К Рг — не со-
319

ВЫЧИСЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ИНБРИДИНГА ПРИ СКРЕЩИВАНИИ СИБСОВ
Родители Р| X Р2
Их генотип а\а7 а^аА
сибсоп
Гаметы
сибсов
Гаметы
V \
1/2я, :
Образование зигот
1/2а,
1/2 "2
1/4а,а3
1/4 V
1/2 а3
1/4а,а3
1/4а2а3
1/4 а2"
>а2 Х>.
1/2 а4
1/4а,а4
1/4я2а4
: 1/4а2о3 : 1/4о2а4
^Гт^а3 Г1/4*а4
Образование потомств сибсов
^^
1/4й,
1/4а2
1/4а3
1/4а4
1/4а, 1/4а2 1/4а3
./.ба.а, УШ,а2 ,/,6а,а3
\/\Ьй\О2 1/16л2#2 1/16*22^3
]/16й]Оз 1/16д2йз 1/16д-(Дз
1/16*7] ^4 1/16^2^4 1/16(2^4
1/4а4
1/16(3)^4
1/16 <?2^4
1/16аз«4
1/16 #4^4
Генотипы потомств сибсов:
гомозиготы: 1/16а]а| + 1/16а2а2 + 1/16а3а3 + 1/16а4в4 = 4/16 = 1/4.
гетерозиготы: 1/8а[Я2 + 1/8а|а3 + 1/8а|а4 + 1/8а2а3 + 1/8а2а4 + 1/8а3а4 =
= 6/8 = 3/4.
Рис. 9.2. Генотипы потомств от скрещивания сибсов. Рисунок дан в тексте в виде
многоступенчатой схемы. Все расчеты сделаны автором
стоящие в родстве родители, из гамет которых образуются зиготы,
дающие начало потомству сибсов. При слиянии гамет от сибсов
образуются зиготы, дающие начало их потомству, у которого одна
и та же мать и один и тот же отец.
310
Поскольку Рх и Р2 не состояли в родстве, можно считать, что
их аллели в определенном локусе не идентичны по
происхождению. Эти аллели можно обозначить у особи Рх — аха2 и у особи
р2 _ аъаА (различные цифровые индексы указывают лишь на
то, что аллели не идентичны по структуре). Вероятности
появления четырех типов потомков от скрещивания />, х Р2 составляют
1/4 аха3: 1/4 ахаА: 1/4 а2аъ: 1/4 а2аА.
Необходимо определить вероятность того, что в потомстве от
скрещивания сибсов появятся особи, гомозиготные по тому или
иному аллелю, т.е. а{ах или а2а2, или а3а3, или алаА. Эта
вероятность равна 1/4.
Родитель Р] производит гаметы двух типов ах и а2, причем с
вероятностью 1/2 каждую. Следовательно, вероятность того, что
половина сибсов получит от Рх аллель аи равна 1/2 и
вероятность того что они передадут этот аллель своим потомкам, также
равна 1/2 Таким образом, вероятность того, что потомки сибса
получат от Л аллель ах равна 1/2 х 1/2 = 1/4. Вероятность же
того, что потомки сибсов получат аллель ах от обоих родителей
равна 1/4x1/4= 1/16.
Это рассуждение можно повторить и относительно любого
другого аллеля, что подтверждает схема, представленная на
рисунке 9.2. Таким образом, вероятность того, что особь
потомства сибсов гомозиготна по какому-либо одному из четырех
аллелей входящих в состав генотипов ее бабки и деда, составляет
1/16+1/16+1/16+1/16=1/4.
Если в популяции часть особей размножается
самооплодотворением, а остальные скрещиваются случайно, то коэффициент
инбридинга можно вычислить по формуле
р=
2-5
где 5 — доля самоошгадотгюряющихся особей.
Степень кровного родства, т. с. уровень инбридинга, зависит
от изменения численности популяции, от наличия ассортатив-
ных, или избирательных, скрещиваний в природных условиях, а
также от различных способов разведения при селекционном
процессе.
В более общей форме значение /^позволяет определить
вероятность того, что два аллеля любого гена данной особи идентичны
по происхождению, т. е. берут свое начало от общего предка.
Р= (1/2)",
где „ _ число особей в линиях родословной, идущей от инбредного потомка к
общему предку и обратно.
"'■■■•' 321

Например, в родословной
АхВхС
4, 4,
I
Р
Коэффициент инбридинга животного Р= (1/2)3, поскольку в
линии к общему предку (В) три особи: Е, В и Ь. Если общий
предок (например, А) сам инбредный, то делают поправку на его
коэффициент инбридинга:
где РА — коэффициент инбридинга для потомств от скрещивания особей,
состоящих в различной степени родства между собой, представлен в таблице 9.2.
9.2. Коэффициент инбридинга (/) в потомстве от родственных скрещиваний разной
степени родства
Тип скрещивания
Самоопыление 1/2
Сибсы (братья и сестры) 1/4
Дядя х племянница, тетка х племянник или «двойные» двоюродные 1/8
братья и сестры
Двоюродные братьях двоюродные сестры 1/16
Двоюродные дядья х племянницы или тетки х племянники 1/32
Троюродные братья х сестры 1/64
Троюродные дядья х племянницы или тетки х племянники 1/128
Четвероюродные братья и сестры 1/256
Для достижения определенной степени гомозиготное™ в
селекции животных иногда практикуют регулярный инбридинг из
поколения в поколение. Если в каждом поколении используют
один и тот же тип инбредного скрещивания, то коэффициент
инбридинга с каждым поколением увеличивается (рис. 9. 3).
Итак, инбридинг разлагает аллогамную популяцию на
множество индивидуальных, отличающихся друг от друга линий,
гомозиготных по большинству генов.
К противоположному эффекту приводит аутбридинг, или
неродственное скрещивание. Аутбридинг повышает уровень гетерози-
готности потомства и гетерогенности популяции. При отсутствии
инбридинга (Г = ё) в панмиктической популяции, для которой
характерно свободное скрещивание особей в ее пределах,
основанное на агучайном равновероятном сочетании всех типов гамет,
частоты генотипов удовлетворяют закону Харди — Вайнберга.
322
Рис. 9.3. Увеличение коэффициента ин- 1,0 г
бридинга в ряду поколений при
различной степени родства родительских пар 0,9
(Айала Ф., Кайгер Дж. Современная ге- „
нетика. - М., 1988. - Т. 3. - С. 171) Ь0,8
(О
В результате инбридинга
частота гомозигот в популяции
возрастает за счет гетерозигот. В
панмиктической популяции,
имеющей аллели А и а с частотами
р и #, частота гетерозигот Аа
будет равна 2рд. В инбредной же
популяции с коэффициентом
инбридинга Г частота
гетерозигот будет составлять 1 — /"от их
частоты в панмиктической
популяции. Частоты разных
генотипов в инбредной популяции можно рассчитать по следующим
формулам:
«Двойные»
Двоюродные сибсы
ные сибсы
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9101112131415
Поколение
Генотип
Частота
АА
Аа
2рд-2рдГ
Коэффициент инбридинга отражает увеличение доли
гомозиготных локусов в генотипах отдельных особей.
9.1.4. ИНБРИДИНГ В ПОПУЛЯЦИЯХ ЧЕЛОВЕКА
У человека супружеские отношения между ближайшими
родственниками, между родителями и детьми или между братьями
или сестрами называются кровосмешением. В большинстве стран
современного мира существует замрет на подобные браки, хотя в
династиях египетских фараонов они встречались довольно часто.
Браки между менее близкими родственниками, такими, как
двоюродные братья и сестры, также бывают запрещены законом
или религиозными нормами. В США, например, приблизительно
в половине штатов существуют законы, запрещающие браки
между дядей и племянницей, теткой и племянником, а также между
двоюродными братьями и сестрами. В римской католической
церкви такие браки требуют специального разрешения церковных
властей. Церковноприходские записи о таких разрешениях один
из наилучших источников существующей информации о браках
между родственниками в популяциях человека.
Результаты инбридинга в популяции человека показаны в
таблице 9.3. Из приведенных в ней данных следует, что в среднем час-
323

тота появления в потомстве от браков между двоюродными
братьями и сестрами новорожденных с различными дефектами вдвое
выше, чем в потомстве супругов, не состоящих в родстве, что
значительно меньше, чем следовало бы ожидать, исходя из расчетов,
относящихся лишь к рецессивно наследуемым дефектам. В
приведенные же данные (табл. 9.3) включены также дефекты,
определяемые и доминантными аллелями, а вероятность их появления в
потомстве от родственных браков в среднем не выше, чем в
потомстве от браков между лицами, не состоящими в родстве.
Частота же рецессивно наследуемых дефектов в потомстве от брака
между двоюродными братьями и сестрами во много раз выше, чем
в потомстве от родителей, не состоящих в родстве.
9.3. Инбредная депрессия
^^^--~^^^ Популяция
Страна ^~~~~^~^^^
в популяциях человека* (8*егп, 1973)
Родители, не состоящие
в родстве
Величина
выборки
Частота, %
Двоюродные братья
и сестры
Величина
выборки
Частота, %
США (1920-1956)
Франция (1919—1925)
Швеция (1947)
Япония (1948-1954)
В среднем
163
833
165
3570
9,8
3,5,
41/
8,5
6,5 '
192
144
218
1817
16,2
12,8
16
11,7
14,2
* Частота различных заболеваний, а также физических и умственных
дефектов у детей, родители которых не состоят в родстве, и у детей от браков между
двоюродными братьями и сестрами (По 81егпС, 1973. Рппйркз о!" Ншпап
ОепеИсз, Згй ей., \У. Н. Ргеетап, 5ап-Ргапс15со).
9.2. ГЕТЕРОЗИС
Гетерозис (гибридная сила) — гибридная мощность,
проявляющаяся в превосходстве гибрида над обеими родительскими формами.
Депрессия, связанная с инбридингом, — явление,
противоположное гетерозису. У животных и аллогамных форм растений
существование инбридинга обычно служит гарантией гетерозиса и,
если инбредную депрессию связывают с гомозиготизацией линий,
то гетерозис — с резким повышением гетерозиготности.
О гетерозисе можно говорить в том случае, когда гибридное
потомство превосходит обоих родителей ,по отдельным
признакам, например, по степени развития вегетативных органов,
урожайности, устойчивости к болезням, вредителям,
неблагоприятным условиям внешней среды и т. д.
Рассмотрим это на простейшем примере. Допустим,
селекционер опылил женское соцветие кукурузы сорта А со средней высо-
324
180 см
170 см
200 см
Сорт А
Сорт В
180 см
160 см
165 см
Сорт С >. _С°Р1Р .,
Рис. 9.4. Проявление эффекта гетерозиса:
а — при скрещивании сортов А х В прояшшетси [-стеро-шс; Г/ гибрид: юе иотомспю от
скрещивания сортов Сх Л не обладает гетсрочисом (Гужон К). Л. I'стсролк' и урожай. М., 1%У. С. У)
той растений 180 см, пыльцой сорта В, у которого высота растений
170 см. При посеве гибридных семян он получил растения первого
поколения (Т7)) более высокорослые, чем оОа родителя, например
с высотой 200 см и с большим размером початка (рис. 9.4, а).
В данном случае при скрещивании проявился гетерозис.
Однако следует иметь в виду, что пс каждое скрещивание
сопровождается проявлением у потомства гибридной мощности,
или, как часто говорят, гибридной силы (рис. 9.4, б). Лишь
определенные пары родительских форм дают гетерозисное потомство.
Причем предсказать, какие пары дадут наибольший эффект от
скрещивания, селекционеры пока точно не могут. Ответ на этот
вопрос получают путем экспериментальной проверки, хотя
определенные прогнозы могут все-таки быть сделаны заранее. В об-
325

щем можно сказать, что наибольшего эффекта гетерозиса можно
достичь, скрещивая формы, различающиеся по своей
генетической природе и месту происхождения.
Вторая особенность гетерозиса заключается в том, что он в
полной мере проявляется лишь в первом поколении, а в последующих
же гибридная мощность организмов резко снижается (рис. 9.5).
Таким образом, при семенном размножении гетерозис не
закрепляется. Иначе обстоит дело при вегетативном размножении.
У картофеля, лука, чеснока, сахарного тростника, плодовых,
ягодных и других культур гетерозис любой гибридной формы можно
закрепить путем ее вегетативного размножения. У культур,
размножаемых семенами, гетерозисные гибридные семена можно
высевать в производстве только один раз. Следовательно, у этих
культур, а их большинство, практическое использование
гетерозиса связано с ежегодным скрещиванием для получения гибридных
семян на всю площадь хозяйственных посевов. При этом
семеноводство становится значительно сложнее, чем при использовании
обычных сортов, которые после их выведения длительное время
сохраняются путем простого пересева, пока на смену им не придут
новые, превосходящие их сорта.
Практика показала, что у многих культур затраты на производство
гибридных семян с целью использования гетерозиса вполне
оправданы и многократно окупаются. Если правильно подобрать сорта,
которые при скрещивании дают потомство с высокой степенью
гетерозиса, и ежегодно скрещивать их в больших масштабах,
обеспечивающих производство гибридных семян в количестве, достаточном для
посева на хозяйственных площадях, то можно на 25—35 %, а по
некоторым культурам на 50 % и более увеличить урожайность и выход
продукции сельскохозяйственных культур по сравнению с
аналогичными показателями лучших селекционных сортов.
Линия А [ Линия В
Рис. 9.5. Проявление эффекта гетерозиса в Р\ и его снижение в последующих
поколениях. В процентах указана относительная урожайность гибридов Рг и Р3 в сравнении с Р,
(Гужов Ю. Л. Гетерозис и урожай. — М., 1969. — С. 10)— -^
326
< Практически все сводится к ежегодному производству
большого количества гибридных семян. В этом-то и заключается
наибольшая трудность использования гетерозиса, поскольку для
получения нужного количества гетерозисных семян по некоторым
культурам ежегодно необходимо проводить скрещивание
подобранных родительских пар в огромных масштабах. :■■*
Раньше всего явление гетерозиса в больших масштабах
начали использовать у кукурузы, поскольку биология этой
культуры позволяет получать значительное количество гибридных
семян.
Кукуруза — перекрестноопыляющееся растение с
раздельнополыми цветками. При этом мужские и женские цветки развиваются
на разных соцветиях: женские — в пазухе листа на початке, а
мужские собраны в особое соцветие — метелку, расположенную на
верхушке растения.
Для получения большого количества гибридных семян
кукурузы поступают следующим образом. Родительские формы
скрещивают на специальном участке, называемом участком гибридизации,
который во избежание случайного переопыления должен быть
удален от всех других посевов кукурузы. Скрещиваемые линии
высевают чередующимися рядами: чаще всего через четыре рядка
материнских растений — два рядка отцовских или через два
материнских — один рядок отцовских.
Перед цветением с растений материнской линии удаляют
мужские соцветия — метелки, чем устраняют возможность опыления
женских цветков материнских растений собственной пыльцой.
В результате они опыляются пыльцой только отцовской линии,
поэтому на материнских растениях завязываются исключительно
гибридные семена.
При созревании кукурузы початки с растений материнской и
отцовской форм убирают отдельно. Урожай отцовского сорта
можно использовать для продовольственных, кормовых и других
целей. Зерно, полученное с початков материнских растений,
целиком идет для посева в будущем году, поскольку это и есть
гибридные семена, которые при посеве дают гетерозисные
высокоурожайные растения.
Производство гетерозисных гибридных семян у различных
культур имеет свои отличительные особенности. Пример с
кукурузой был приведен для того, чтобы в самой общей форме
показать основные принципы использования эффекта гетерозиса.
Гетерозис — это общебиологическое явление, свойственное всем
видам живых существ: растениям, животным, микроорганизмам.
На практике гетерозис с успехом используют в животноводстве и
птицеводстве. Проведение межпородных и межлинейных
скрещиваний дает возможность значительно увеличить производство
мяса, молока, яиц и других продуктов при одних и тех же
затратах кормов,
327

9.2.1. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕТЕРОЗИСА
Открытие явления гетерозиса И. Кёльрейтером. Явление
повышения мощности гибридов по сравнению с мощностью
родительских форм, позднее названное гетерозисом, впервые в мировой
науке было описано более 200 лет назад И. Г. Кёльрейтером,
работавшим в Петербургской академии наук. В 1755—1806 гг. Кёль-
рейтер в широких масштабах проводил скрещивания; он работал с
54 различными видами растений, относящимися к 13
ботаническим родам. В 1760 г. ему удалось получить межвидовой гибрид в
результате скрещивания двух разных видов табака: махорки (Мсо-
Иапа гшНса Ь.) и табака метельчатого {МсоНапа ратсиШа Ь.).
Автор назвал этот гибрид «первым растительным мулом», поскольку
гибрид, как и мул, оказался стерильным. Мул, как известно, также
представляет собой межвидовой гибрид от скрещивания лошади с
ослом (64-хромосомная кобыла х 62-хромосомный осел).
Полученный Кёльрейтером межвидовой гибрид табака
оказался гораздо более мощным, чем родительские формы, которые, как
выяснилось позднее, являются разнохромосомными (у махорки в
клетках по 48 хромосом, а у табака метельчатого по 24). Кёльрей-
теру пришла мысль использовать свое открытие на практике. Он
разработал и предложил конкретную схему получения
высокоурожайных гибридов табака путем ежегодного скрещивания
указанных видов с целью однократного использования гибридных
семян. Далее он указал на целесообразность получения и
использования подобных гибридов для повышения урожая вегетативной
массы и у других культур, отмечая при этом, что данный метод
может оказаться особенно перспективным в лесоводстве. Однако
рекомендации Кёльрейтера в то время не были реализованы. И это
понятно, так как его выдающиеся исследования намного
опередили уровень биологической науки и сельскохозяйственной
практики того времени. Идея однократного использования
высокоурожайных гибридных семян была практически реализована лишь
150 лет спустя на кукурузе, а на лесных древесных породах
почти через 200 лет путем выведения высокопродуктивных
гибридных форм.
Кёльрейтер не ограничился практическими выводами. Он
попытался также теоретически объяснить открытое им явление.
Поскольку межвидовые гибриды табака оказались стерильными и
семян не образовывали, он объяснил их мощный рост
перераспределением питательных веществ.
Кёльрейтер отметил два очень важных положения
относительно гибридной мощности получаемых при скрещиваниях растений.
Он установил, что гибридная мощность сильнее выражена у
потомства отдаленно родственных растений, чем близкородственных.
Из этого был сделан важный вывод, смысл которого заключается в
следующем: мощность гибридов связана со степенью генетичес-
328
1
II
ких различий их родителей. Найдено очень мало исключений из
этого правила, согласно которому гибридная мощность возрастает
пропорционально увеличению наследственных различий.
Исключения обычно наблюдаются при распространении этого правила
на скрещивания более отдаленных видов.
Изучение морфологии цветков и систем скрещивания у
растений навело Кёльрейтера на мысль о том, что природа
благоприятствует естественному скрещиванию неродственных друг другу
особей. Это позволило ему сделать заключение, что гибридная сила
имеет особое значение в эволюции.
Оба вывода выдержали испытание временем и проверку на
разнообразных живых организмах.
Исследования Ч.Дарвина по вопросам гетерозиса. После И.
Кёльрейтера с явлением повышенной мощности гибридов сталкивались
многие биологи и селекционеры, занимавшиеся гибридизацией
растений. Однако вопросы теории гетерозиса впервые наиболее
обстоятельно были изложены Чарлзом Дарвином в его
фундаментальном труде «Действие перекрестного опыления и самоопыления в
растительном мире», опубликованном в 1876 г.
Как известно, с начала XIX в. в европейских странах, и
особенно в Англии, развернулись интенсивные работы, связанные с
выведением новых пород различных домашних животных.
Животноводы уже тогда знали, что для закрепления желательных
признаков необходимо проводить близкородственные скрещивания, однако
они заметили, что инбридинг приводит не только к закреплению
желательных признаков, но и к отрицательным последствиям — к
депрессии, которая усиливается, если близкородственное
размножение продолжается в течение нескольких поколений.
Дарвин, с характерным для него глубоким подходом к
изучаемым явлениям, проанализировал накопленные наблюдения
подобного рода и свои обширные экспериментальные данные по
оплодотворению. В этих исследованиях он отдал предпочтение
растениям, так как необходимо было вырастить многочисленное
потомство от перекрестного опыления и от самоопыления.
Ученый провел серию опытов, в которых изучил особенности
проявления гетерозиса у гибридов более 50 видов растений.
Наблюдая за гибридными растениями, Дарвин обратил
внимание на их более мощный рост, чем у родительских форм. Он, как и
Кёльрейтер, установил, что чем больше родительские формы
различаются по своим морфологическим, биологическим и другим
признакам и свойствам, тем сильнее проявляется гетерозис в
потомстве. При этом различия между родительскими особями не
должны превосходить определенный уровень, выше которого уже
не происходит скрещивание или же появляются нарушения
плодовитости потомства.
Основную причину вредных последствий инбридинга он
усматривал в отсутствии различий у половых клеток близкород-
329

ственных организмов. Повышенную мощность роста и
жизнеспособности гибридного потомства Ч. Дарвин объяснял
объединением в зиготе разнокачественных гамет.
В связи с явлением гетерозиса Ч.Дарвин впервые в истории
науки поставил вопрос о биологической целесообразности
процесса оплодотворения. Ученый пришел к выводу, что при
оплодотворении в результате слияния двух половых клеток потомство
получает определенные преимущества. В 1862 г. в одной из своих
работ, посвященной вопросам опыления у орхидей, он писал, что
природа не терпит непрерывного самоопыления, а стремится к
опылению перекрестному.
На основании всестороннего и глубокого анализа полученных
данных о проявлении гетерозиса у разных видов Ч. Дарвин указал
на возможность практического использования открытых им
закономерностей для получения высокожизнеспособных и
продуктивных гибридов как у растений, так и у животных.
Исследования Ч. Дарвина вызвали целую лавину
экспериментов, в которых изучали явление гибридной мощности. Этими
вопросами занимались многие выдающиеся ученые того времени, а
также селекционеры, проводившие, в частности, работу по
селекции кукурузы.
Этапы практического использования гетерозиса. Рассмотрим
этапы практического использования гетерозиса на примере создания
гибридной кукурузы.
Получение первых межсортовых
гибридов. Под влиянием идей Дарвина американским исследователем
В. Д. Билом (\У. 1 Веа1, 1880) в Мичиганском
сельскохозяйственном колледже бьши начаты скрещивания разных сортов кукурузы
для получения урожайных межсортовых гибридов. Стимулом к
началу этих исследований послужило и то, что обычные методы
улучшения существующих сортов кукурузы путем индивидуально-
семейного отбора к этому времени уже перестали давать желаемые
результаты. Благодаря новому направлению исследований удалось
подобрать такие комбинации сортов, гибриды которых
превосходили по урожайности наиболее продуктивные родительские
формы на 10—15%.
Однако в тот период межсортовые гибриды кукурузы не
получили широкого распространения. Многолетний опыт их
получения показал, что они довольно неоднородны, а повышение
урожая сравнительно невелико, и окупаемость затрат для получения
гибридных семян невысока.
Получение первых межлинейных
гибридов кукурузы. Выход из возникшего кризиса был найден
благодаря использованию в селекции кукурузы ряда достижений
генетики и разработки на их основе новых способов получения
высокоурожайных гибридов путем скрещивания не сортов, а
самоопыленных линий.
1
Один из важнейших принципов, который способствовал
созданию самой продуктивной формы кукурузы — межлинейных
гибридов, впервые был разработан американским исследователем
Г. Шеллом. В 1904 г. на опытном участке в Лонг Айленде он
посеял кукурузу на небольшом участке. Здесь Шелл впервые
использовал принудительное самоопыление кукурузы (инбридинг) для
получения чистых линий* этой культуры. Эту попытку он
предпринял, находясь под впечатлением классических экспериментов
датского исследователя В. Иоганнсена (\У. 1опапшеп, 1903),
показавшего в опытах с фасолью, что эффективность отбора в
селекции зависит от того, осуществляется ли он в пределах популяции,
представляющей собой смесь различных в генотипическом
отношении растений, или же ведется в пределах чистой линии. В
первом случае отбор бывает эффективным, во втором — не дает
положительных результатов.
Кукуруза относится к перекрестноопыляющимся растениям,
поэтому отрицательно реагирует на инбридинг. Эффект
ухудшения от инбридинга стал очевиден Шеллу с первых же шагов.
Мощность и урожайность самоопыленных линий быстро
снижались, и уже в третьем самоопыленном поколении средняя
высота растений значительно уменьшилась, а урожайность снизилась
почти вдвое.
С точки зрения практической селекции кукурузы план Шелла
казался совершенно нелепым, уводящим далеко в сторону от
желаемой цели повышения урожайности. Но исследователь и не
стремился к быстрому практическому успеху. Он хотел получить
чистые линии для изучения генетики урожайности (наследования
числа рядков зерен в початке, а также высоты растений, урожая
зерна и т.д.), чтобы в конце концов найти пути ее повышения.
В 1906 г. Шелл провел первые скрещивания между некоторыми
линиями. Каково же было его удивление, когда оказалось, что
мощность и урожайность межлинейных гибридон резко возросли
(рис. 9.6), и некоторые из них значительно превзошли по этим
показателям не только родительские линии, по и исходные сорта.
В связи с этим был поставлен ряд опытов, чтобы выяснить,
нельзя ли сохранить высокую урожайность межлинейных
гибридов в последующих поколениях. Однако результаты этих опытов
ясно показали, что высокая урожайность свойственна только
первому поколению межлинейных гибридов, а в последующих она
быстро уменьшается. В среднем урожай во втором поколении
примерно на 35 % ниже, чем у гибридов первого поколения, а в
третьем поколении — на 50 % (см. рис. 9.5).
Это положение наглядно иллюстрируют результаты
сравнительного изучения самоопыленных линий, перекрестноопыляю-
* Чистой линией называют однородное по генотипу потомство, происходящее
от одного аутогамного растения путем постоянного самоопыления.
330
331

Рис. 9.6. Проявление гетерозиса у гибрида кукурузы (в центре) от скрещивания
инбредных линий:
Л — увеличение высоты растений; Б — возрастание размера початка и числа зерен (Гужов Ю. Л.
Гетерозис и урожай. — М, 1969. — С. 27)
щихся исходных сортов и межлинейных гибридов по высоте
растений и урожайности, проведенного Шеллом в 1911 г. На
рисунке 9.7 представлены средние данные по 11 сортам, 10 линиям,
6 гибридам Ру и 11 гибридам Р2.
Начиная исследования, Шелл предположил, что сортовые
посевы кукурузы, как и фасоли в опытах Иоганнсена, представляют
собой разнородную смесь многих генотипов, и если Иоганнсен
обнаружил, что сорта самоопыляющейся фасоли состоят из
многих гомозиготных генотипов, то Шелл установил, что сорта
перекрестноопыляющейся кукурузы представлены многими
гетерозиготными генотипами. Поэтому самоопыление у кукурузы
сопровождалось генетическим расщеплением, возрастанием го-
мозиготности, а следовательно и увеличением однообразия
инбредных линий.
Наблюдающуюся при инбридинге депрессию Шелл связывал с
гомозиготностью и высказал предположение, что гибридная
мощность неизбежно связана с гетерозиготностью, возникающей при
скрещивании. Для обозначения мощности гетерозиготных
гибридов он предложил в 1914 г. термин «гетерозис», который с тех пор
прочно вошел в научную литературу.
Шелл не отказался от идеи использовать высокую
продуктивность межлинейных гибридов на производственных посевах
кукурузы. Он предложил выращивать самоопылеыные линии в
больших количествах, затем высевать на общем участке
чередующимися рядками семена двух линий, дающих при скрещивании
высокий гетерозис, удалять у всех растений материнской линии мужские
332
соцветия и собранные с кастрированных растений гибридные
семена использовать для производственных посевов
высокоурожайных межлинейных гибридов кукурузы.
Но при попытках практической реализации предложения
Шелла возникли серьезные затруднения технического порядка.
Первые инбредные линии тех далеких лет имели очень низкую
урожайность, примерно в 3 раза меньшую, чем обычные сорта. Кроме
того, на участке скрещивания гибридные семена получают только
на растениях материнской линии, т. е. с половины площади
посева. Таким образом, на участке гибридизации выход семян
простого межлинейного гибрида, получаемого от скрещивания двух
линий, примерно в 6 раз ниже, чем урожай семян обычного сорта с
такой же площади. Кроме того, большие недоборы урожая имеют
место и на предыдущих этапах работы в ходе размножения
самоопыленных линий. Поэтому стоимость семян простых межлиней-
233
Средняя
урожайность,
т/га
4,47
Рис. 9.7. Показатели (по данным эксперимента) средней высоты растений и
урожайности зерна кукурузы:
1 — лучшего сорта; 2 — инбредной линии; 3 — межлинейного простого гибрида Р\\ 4— его
потомства Р2 (Гужов Ю. Л. Гетерозис и урожай. — М., 1969. — С. 29)
333

ных гибридов была очень высока и, несмотря на высокую
урожайность, они в тот период не получили распространения в
производстве.
Чтобы снизить стоимость гибридных семян, Д. Джонс (О. Р. 1опе$,
1917) предложил использовать двойные межлинейные гибриды,
получаемые путем скрещивания двух простых межлинейных
гибридов (рис. 9.8). Практическая проверка этого предложения показа-
1
Метёлка
удалена
Первый год
Метёлка
I
Рис. 9.8. Схема получения двойных межлинейных (сложных) гибридов кукурузы при
использовании гетерозиса:
/ — самоопыленные линии (А, Б, В, Г); 2 и 3 — початки с гибридными семенами Р\ простых
гибридов соответственно: АхБиВхГ; 4и5— растения /} этих гибридов; 6— початок с
семенами двойного межлинейного гибрида (А х Б) х (Вх Г), используемые для производственных
посевов (Гужов Ю. Л. Гетерозис и урожай. — М., 1969. — С. 32)
ла, что при удачно подобранных комбинациях скрещиваемых
линий двойные межлинейные гибриды приближаются по
урожайности к лучшим простым межлинейным гибридам или даже
достигают их уровня (хотя они при этом менее однородны).
Поскольку урожайность простых гибридов исходных форм для
получения двойных межлинейных гибридов очень высокая,
стоимость семян последних во много раз ниже, чем простых
межлинейных гибридов. При этом потребность в семенах
низкопродуктивных самоопыленных линий уменьшается более чем в 100 раз.
Только в виде двойных межлинейных гибридов кукуруза была
признана во всем мире как самая высокоурожайная зерновая
культура. С середины 30-х годов прошлого века площадь, занятая
гибридами, начала быстро возрастать. Так, за период с 1935 по
1957 г. площадь, занятая гибридной кукурузой в США возросла с
1,1 до 92,5 %.
Гибридная кукуруза — пример выдающегося успеха
практической реализации принципов современной генетики.
Гибридная кукуруза в России. Первые опыты по гибридизации
кукурузы в нашей стране были начаты еще в 1910 г. В. В. Талановым на
бывшей Екатеринославской опытной станции. Однако начавшаяся в
1914 г. первая мировая война, а затем гражданская и наступившая
вслед за этим экономическая разруха задержали развитие указанных
работ. Они были продолжены под руководством выдающегося
ученого, академика Н. И. Вавилова, научная деятельность которого
сыграла важную роль в создании гибридной кукурузы в нашей
стране, и совместно с другими его сотрудниками — Н. Н. Кулешовым,
И. В. Кожуховым, М. И. Хаджиновым, Б. П. Соколовым и др.
Н. И. Вавилов организовал экспедиции в самые отдаленные уголки
земного шара для сбора исходного материала различных культурных
растений, в том числе и кукурузы. Этот материал был использован
для создания в нашей стране первых гибридов кукурузы.
В 1932—1933 гг. в государственное сортоиспытание были
включены первые гибриды кукурузы, выведенные па
Днепропетровской селекционной станции В. П. Соколовым. Они успешно прдо
шли испытание и были рекомендованы для производства.
Наиболее интенсивно проходило внедрение гибридной
кукурузы в нашей стране в 1956—1965 п. Ноли в 1955 г. гибридными
семенами кукурузы было засеяно только 115 тыс. га, то уже в 1959 г.
площадь под этими гибридами увеличилась до 9,3 млн га, а в
1962 г.— до 13,5 млн га. Соответственно возросла и площадь
участков гибридизации: уже в 1958 г. она достигла 312,7 тыс. га, а в
1962 г. составляла около 500 тыс. га. В 1965 г. в нашей стране по
селекции и семеноводству кукурузы работало 50
научно-исследовательских учреждений.
На 1968 г. в стране было районировано 50 гибридов кукурузы,
созданных отечественными селекционерами, в том числе 28
межлинейных и 22 сортолинейных.
334
335

В Государственный реестр селекционных достижений,
допущенных к использованию в Российской Федерации на 2002 г., было
включено уже 283 гибрида кукурузы, в том числе: 130 (45,9 %)
простых межлинейных, 106 (37,5 %) трехлинейных, 43 (15,2 %) двойных
межлинейных, 4 (1,4 %) сложных гибридов и ни одного сорта.
9.2.2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ГЕТЕРОЗИСА
Как уже отмечалось выше, длительное самоопыление приводит
к появлению растений, гомозиготных по большинству генов или
почти по всем генам.
В случае гетерозигот исходной формы по одной паре аллелей в
каждом последующем поколении при самоопылении доля
гетерозиготных растений будет уменьшаться вдвое и соответственно
увеличиваться процент гомозиготных особей: в первом поколении их
будет 50 %, во втором — 75 %, а в третьем — 87,5 %, в четвертом —
93,75 % и т. д. Долю гетерозиготных и гомозиготных особей при
самоопылении в данном случае легко рассчитать, пользуясь
простыми формулами: (1/2)" для гетерозигот и 1 — (1/2)" для
гомозигот, где п — число самоопылений.
Следует отметить, что инбридинг исходной формы,
гетерозиготной по одной паре аллелей (Аа), приводит к возникновению
гомозигот уже двух разных типов:
Аа
АА
аа
То, что справедливо для одной пары аллелей, применимо и ко
всем другим. Формы, гетерозиготные по любой паре аллелей, в
результате длительного инбридинга превращаются в линии,
гомозиготные по этим аллелям. Если последовательно самоопылять
растение, гетерозиготное по двум парам аллелей АаВЬ, то
самооплодотворение в конечном итоге приведет к возникновению уже не
двух, а четырех линий, гомозиготных по обеим парам аллелей:
АаВЬ
ААВВ ААЬЬ ааВВ ааЪЪ
Чем больше пар аллелей, по которым гетерозиготно исходное
растение, тем больше разных гомозиготных линий может
получиться при его длительном инбридинге. Число этих линий можно
подсчитать по формуле 2", где п — число пар аллелей, по которым
гетерозиготно исходное растение. Расчеты показывают, что при
гетерозиготности исходной формы по 5 парам аллелей может быть
336 . \ - ''V"■■"■■
получено 32 гомозиготных линии, по 10 — 1024, по 15 — 32768, по
20 - 1 048 576, по 25 - 33 554 432 и т. д.
Растения, опыляющиеся в природе перекрестно, обычно
гетерозиготны по многим генам, и после длительного
принудительного самооплодотворения каждое такое растение дает начало
многим гомозиготным линиям, которые различаются друг от друга по
всевозможным признакам.
И, наконец, остается ответить на вопрос, почему гомозигот-
ность приводит к инбредному вырождению. В популяциях
перекрестноопыляющихся культур имеется много неблагоприятных
рецессивных генов, но благодаря свободному неродственному
скрещиванию, обусловливающему гетерозиготность, они находятся в
скрытом состоянии. Их вредное действие подавлено
доминантными аллелями. Инбридинг же ведет к переходу гетерозигот в
гомозиготное состояние. При этом неблагоприятные рецессивные
аллели проявляют свое отрицательное действие. В результате
снижается мощность и урожайность растений. Факт ухудшения линий в
результате инбридинга лишь показывает, что немало генов,
скрывавшихся у исходных особей в гетерозиготном состоянии, имели
отрицательные свойства. Таким образом, наблюдаемая при
инбридинге депрессия — это результат перехода вредных рецессивных
аллелей в гомозиготное состояние.
Поскольку переход линий в гомозиготное состояние длится па
протяжении ряда поколений, в течение всего этого времени ин-
бредная депрессия усиливается. Иногда она заходит так далеко,
что потомство линии гибнет, растения оказываются
нежизнеспособными.
Параллельно с увеличением гомозиготности самоопыляемых
линий идет их морфологическое выравнивание. В результате
длительного инбридинга линии достигают исключительной выравпеппос-
ти. И сколько бы поколений не длилось дальнейшее
самоопыление, оно уже не приведет к появлению каких-либо существенных
отклонений (рис. 9.9). В результате наследственность разных ии-
бредных линий имеет строго индивидуальный характер.
Наряду с пониженной жизнеспособностью инбредные линии
могут отличаться отдельными цепными особенностями —
стандартностью початка, устойчивостью к заболеваниям,
повышенным качеством зерна и т.д. И все :)ти качества могут быть
переданы гибридам. Инбридинг раскрывает во множестве отдельных
линий большую часть того генотипического богатства, которое
скрывается в исходных сортах.
Теперь о причинах возникновения гетерозиса. В самой общей
форме можно сказать, что гетерозис есть результат создания
гетерозиготности в процессе скрещивания и возникновения новых
взаимодействий между генами.
В словаре терминов, приведенном в конце 3-го тома
«Современной генетики» (Айала Ф., Кайгер Дж. — М., 1988. — С. 306),
337

Самоопы- .^
ление
Самоопы- .
Рис. 9.9. Последствия принудительного самоопыления у кукурузы:
1 — растение исходного сорта (70); 2— потомство от первого самоопыления (/[),
характеризующееся неоднородностью и наличием маложизнеспособных растений; 3 — растение инбредной
линии, полученной в результате многократного самоопыления (/„); 4— его потомство (/„+ [),
которое характеризуется большой выравненностью (Гужов Ю. Л. Гетерозис и урожай. — М.,
1969. - С. 54)
гетерозис (гибридная сила) определен как «превосходство
гетерозиготы над гомозиготой по степени экспрессии одного или
нескольких признаков».
Концепция сверхдоминирования (гетерозиготности).
Американские исследователи Шелл и Ист (8пи11, 1908), которые почти
одновременно, независимо друг от друга предприняли попытку
теоретически обосновать явление гетерозиса, впервые попытались
объяснить его гетерозиготностью гибридов. Ученые считали, что
соединение при гибридизации гамет с разным набором генов уже
само по себе стимулирует более быстрые развитие зародыша и
рост гибрида. Гомозиготность же, наоборот, по уже известным
нам причинам оказывает угнетающее воздействие на жизнеспо-
338
собность организма. Итак, авторы данной гипотезы полагали,
что основной причиной гибридной мощности является гетеро-
зиготность.
Гипотеза гетерозиготности Шелла и Иста, предполагающая
физиологическую стимуляцию в результате создания гетерозиготы
при скрещивании, очень близка по смыслу к взглядам Ч. Дарвина
о биологической полезности перекрестного опыления. Как
отмечалось ранее, Дарвин связывал полезный эффект скрещивания с
благоприятным влиянием разнокачественное™ родительских гамет.
В то время, когда Шелл и Ист выдвинули свою гипотезу, еще
не было накоплено достаточного количества экспериментальных
данных, подтверждающих ее правильность. Поэтому, несмотря на
правомочность, эта гипотеза вначале не пользовалась признанием
у многих селекционеров и генетиков. Однако позднее был
накоплен большой фактический материал, свидетельствующий о том,
что в ряде случаев гетерозиготные особи (Аа) превосходят по
мощности не только особей с рецессивной гомозиготой (аа), но и
особей с доминантной гомозиготой (АА):
Аа > АА > аа.
Это явление получило название сверхдоминирования, или
моногибридного гетерозиса. Таким образом, полученные факты о
сверхдоминировании заставили генетиков вернуться к гипотезе Шелла и
Иста, рассматривавших гетерозис как особый вид стимуляти иного
явления, обусловленного самим состоянием гетерозиготности.
Гипотеза гетерозиготности, или сверхдоминировапия, как ее
принято называть в научной литературе, объясняет повышенную
мощность и продуктивность гибридных форм разнокачествеппос-
тью у них разных аллелей одной и той же пары. При пом
предполагается, что оба аллеля в гетерозиготе выполняют различные
функции, взаимно дополняя друг друга. С этой точки (рении гете-
розиготностьуже сама по себе оказывает стимулирующее влияние
на развитие соответствующих признаком гибридного организма и
может вызвать лучшее их проявление, чем у родительских форм.
Такой эффект может быть особенно сильно им ражен у аллелей, в
наибольшей степени различающихся между собой и как бы
дополняющих друг друга в биохимическом действии.
Гипотеза гетерозиготности получила экспериментальное
подтверждение в работах многих ученых па различных объектах
(ячмене, кукурузе, томате и других культурах).
Гипотеза гетерозиготности (сверхдоминирования) указывает на
важное значение для возникновения гибридной мощности той
наследственной разнокачественности, которая создается в
результате гетерозиготного состояния в одинаковых локусах гомологичных
хромосом. Поскольку максимальный гетерозис, как правило,
достигается при скрещивании неродственных линий, есть основания
339

считать, что эффект гетерозиготного состояния тем выше, чем
больше различаются между собой аллели каждого локуса как по
функциональным, так и по другим особенностям.
Хотя гипотеза гетерозиготности наиболее убедительно
объясняет многие случаи гетерозиса, она не охватывает все
многообразие этого сложного явления.
Гипотеза доминирования. Эта гипотеза имеет более полное
название — гипотеза взаимодействия благоприятных доминантных
факторов. Она объясняет гетерозис сочетанием в результате
скрещивания благоприятно действующих доминантных генов и
подавлением ими вредных рецессивных аллелей. Автором ее
первоначального варианта был Г. Девенпорт (1908), затем А. Б. Брус
(1910). Но наиболее ясно и убедительно она была изложена
Д.Джонсом (1917).
Проявление гетерозиса при скрещивании инбредных линий,
согласно этой гипотезе, есть результат подавления действия
вредных рецессивных генов их благоприятными доминантными
аллелями, так как маловероятно, чтобы у разных линий все
рецессивные гены находились в одинаковых локусах. Поясним это на
примере. Как было сказано ранее, даже те инбредные линии, которые
получены из одного исходного растения, отличаются
комбинациями генов, по которым они являются гомозиготными. Это
положение применимо в еще большей мере к инбредным линиям,
возникшим из различных сортов кукурузы. При этом почти каждая
линия обязана своей дефектностью гомозиготности по различным
рецессивным генам, в результате чего у гибридных растений
доминантные гены, внесенные одной родительской линией, могут
перекрывать рецессивные аллели, полученные от другой
родительской формы. Допустим, что гены аЬса'е/— вредные рецессивы
и скрещиваемые инбредные линии имеют генотипы ААЪЪссВОее$
и ааВВссййЕЕЕЕ. При скрещивании этих линий результат будет
следующим:
Генотип линий
Гаметы
Генотип гибрида
ААЪЪссОВее% х ааВВсШЕЕЕЕ
АЬсОе/ \ аВЫЕЕ
АаВЬссОёЕеР/
Из схемы видно, что все гибридные растения будут
представлены генотипами АаВЬссВёЕеР/. Следовательно, у них будет
проявляться вредный эффект только одного из генов (с), а у
родителей — четырех и трех рецессивных генов. Очевидно,
степень гетерозиготности, возникающей в результате
скрещивания, а также уровень гетерозиса будут зависеть от выбора
линий для скрещивания. Теперь становится понятным, почему
на практике приходится проводить много скрещиваний, прежде
чем удается найти линии, сочетание которых дает наиболее
ценные гибриды.
340
Поскольку все растения в пределах инбредной линии не только
сходны внешне (см. рис. 9. 9), но и гомозиготны, они образуют
одинаковые гаметы, и все гибриды от скрещивания двух линий с
длительным инбридингом характеризуются высокой
однородностью, поскольку у всех растений Е2 генотип один и тот же.
Разумеется, не следует понимать это в абсолютном смысле.
Согласно гипотезе доминирования, значение благоприятных
доминантных генов в гетерозисном эффекте не исчерпывается
подавлением вредных рецессивов, а дополняется еще двумя видами
их действия.
Во-первых, предполагается, что доминантные гены,
расположенные в одинаковых локусах гомологичных хромосом
(например, АА, ВВ и т. д.), взаимодействуют между собой и их
благоприятное действие может суммироваться. Если
руководствоваться этой точкой зрения, то мощность гибрида в наибольшей
степени должна проявляться в тех случаях, когда его генотип
включает максимальное количество благоприятных
доминантных генов.
Во-вторых, теоретически возможны также различные типы
взаимодействия доминантных генов, относящихся к различным
парам аллелей: некоторые доминантные гены могут подавлять
проявление не только своих рецессивных аллелей, но и доминантных
генов другой пары аллелей. Это явление получило название эпи-
стаза. Получены веские доказательства важной роли эпистаза в
проявлении гетерозиса.
Гипотеза доминирования в целом объясняет основные
особенности гетерозиса и депрессию при инбридинге. На ее основе
успешно осуществлялась практическая селекция кукурузы и течение
многих лет.
Следует отметить, что концепция домипирокапия не
исключает концепцию сверхдоминирования, или гстсро1иготпости.
Называемые в обеих гипотезах причины гетерозиса могут дейетноиать
одновременно. Поэтому гипотезы гетероштшосги и
доминирования следует рассматривать н качестве важных составных частей
общей теории гетерозиса. Правда, в последнее время среди ученых
высказывается мнение о том, что создание общей теории для
объяснения явления гетерозиса у всех живых существ
невозможно, поскольку его проявление в разных случаях может
объясняться различными причинами.
Концепция генетического баланса. Отсутствие общей теории
гетерозиса, объясняющей во всей полноте это сложное и
многогранное явление, ограничивает работу селекционеров по
управлению процессом проявления гетерозиса, не дает возможности
более точно прогнозировать его и в конечном итоге сдерживает
практическое использование эффекта гетерозиса. В связи с этим
излишне говорить о том, сколь велика в настоящее время
потребность в такой теории.
341

Одна из подобных концепций, названная теорией
генетического баланса, была выдвинута Лернером (Ьегпег, 1954) и поддержана
Н. В.Турбиным (1961), опубликовавшим работу «Гетерозис и
генетический баланс». Отправной позицией этой концепции
является признание следующих фактов:
• гетерозис не может быть объяснен действием какой-либо
одной генетической причины, например, каким-нибудь одним
типом взаимодействия генов. Это суммарный эффект внешне
сходного действия разнородных генетических процессов;
• причина гетерозиса — часть более широкой проблемы
наследственной регуляции процессов развития организмов.
Концепция генетического баланса исходит из того, что
характер проявления любого признака у каждого родительского сорта
или линии представляет собой результат выработанного в ходе
отбора определенного равновесия в разнонаправленном действии на
этот признак многих генов и условий окружающей среды, в
которых происходит развитие организма. При скрещивании
различающихся в наследственном отношении родительских форм у
получаемых гибридов изменяется генетический баланс в отношении
большей или меньшей части признаков, что может вызвать
изменение степени проявления того или иного признака, т. е. он
может быть выражен больше или меньше, чем у родителей.
Эта концепция позволяет воссоединить в единое целое
рассмотренные ранее гипотезы гетерозиготности и доминирования и
воссоздать недостающие элементы, учитывая различные типы
взаимодействия генетических, цитоплазматических, физиологических
и биохимических факторов, а также роль условий окружающей
среды в развитии признаков у гибридов.
Одновременно необходимо отметить, что гипотеза
генетического баланса открывает путь лишь для общего подхода к
объяснению причин гетерозиса. Она не дает ответа на конкретный
вопрос, каков удельный вес тех или иных типов взаимодействия
наследственных факторов, лежащих в основе гетерозиса и
являющихся слагаемыми генетического баланса гибридов? И это одно
из узких мест данной концепции.
Концепция компенсаторных комплексов. Синтез представлений
об аллельных и неаллельных взаимодействиях генов,
обеспечивающих гетерозис, предложил В. А. Струнников в своей гипотезе
компенсаторных комплексов, опубликованной в 1983 г. Этот
термин обозначает комплекс генов и их аллелей, который подбирают
при получении инбредных линий. Компенсаторный комплекс
генов нивелирует отрицательные эффекты высокого уровня гомози -
готности, а при гибридизации дает тот самый эффект в
выражении признаков, который и обусловливает гетерозис.
Однако следует признать, что пока еще нет единой
генетической концепции гетерозиса, объясняющей весь комплекс
внутренних причин гетерозисной силы.
342
9.2.3. ЗАКРЕПЛЕНИЕ ГЕТЕРОЗИСА
Закрепление гетерозиса путем создания генетически нерасщепля-
ющихся систем. У ряда видов растений и животных, в жизни
которых гетерозис играет очень важную роль, сформировались
специальные генетические механизмы для закрепления гетерозиса.
В этом случае особи в популяции, будучи гетерозиготными, не
дают расщепления в потомстве. Это приводит к тому, что
популяция не приносит генетических жертв в виде гомозиготных особей
как плату за жизнь процветающих гетерозиготных особей.
Закрепление гетерозиса достигается путем перехода
организмов на разные формы бесполого размножения. Этот путь был
спонтанно использован и при создании ряда культурных
растений. Бесполым путем преимущественно размножаются картофель,
многие плодовые и ягодные культуры, батат, маниок, таро,
сахарный тростник, банан, земляника и др.
У многих цитрусовых имеет место псевдогамия, при которой
опыление цветков стимулирует развитие, но сами плоды и
семена возникают в результате апогамии или адвентивной эмбрио-
нии. У растений цитрусовых, яблони и других плодовых культур
гетерозиготность бывает выражена в очень сильной степени, и
поэтому при половой гибридизации уровень гетерозиготности не
снижается, поскольку имеет место очень сложное расщепление.
Явление апогамии довольно широко распространено среди
трав. Так, в популяциях мятлика (Роа а1рта) встречаются
растения с 26, 31, 33, 35, 37, 38 и большим числом хромосом.
Высокопродуктивные полиплоиды и анеуплоиды закрепляются путем
бесполого размножения у многих видов растений и у отдельных
видов животных.
Исследование Б. Л. Астауровым (1936, 1940) искусственного
партеногенеза у тутового шелкопряда позволило ему разработать
эффективный метод побуждения неоплодотвореппых яиц к
развитию посредством воздействия повышенной температурой или
радиацией.
Искусственный партеногенез может быть вызван у целого ряда
растений, таких как водоросли, грибы и высшие растения, у
лягушек и кроликов.
Овладение генетическими основами стимуляции апогамии у
растений будет иметь исключительно важное значение. Сочетание
гетерозиса с апогамией создает совершенно новые возможности
для селекционного использования наиболее продуктивных,
уникальных по достоинствам гибридных форм. Это позволит открыть
новую страницу в селекции растений.
Продление гетерозисного эффекта. В связи с проблемой
закрепления гетерозиса существенный интерес представляет и
продление гетерозисного эффекта, чего можно достичь разными путями.
Например, установлено, что у ряда аутополиплоидов, в частности
343

у тетраплоидного дурмана (4х = 48) плодовитость вполне
нормальная. Тетраплоиды дурмана дают жизнеспособные гаметы с
24 хромосомами. В мейозе у таких тетраплоидов обнаруживается
по 12 пар квадривалентов, из которых по две хромосомы отходят к
каждому из двух полюсов деления. В пределах каждого квадри-
валента рассортировка хромосом происходит случайным образом.
Этот факт доказывается характером расщепления. Так, при
скрещивании гомозиготных тетраплоидов дурмана с пурпурными
цветками (РРРР) с тетраплоидом, имеющим белую окраску цветков
(рррр), получаются гибриды с цветками пурпурного цвета (РРрр).
При скрещивании таких гетерозигот между собой в Р2 вместо
обычного расщепления в виде ЪР-: \рр наблюдается совершенно
иное соотношение при расщеплении, а именно ЪЪР— : 1рррр.
Такое расщепление имеет место потому, что при случайном
расхождении хромосом в квадриваленте образуется три вида гамет
в соотношении 1РР: АРр : \рр. Соотношение этих трех видов
гамет с учетом их количественного соотношения при
скрещивании гетерозисных тетраплоидов дает сложное расщепление
1 РРРР: 8РРРр: 1 ЪРРрр: ЪРррр: Хрррр.
Сравнение результатов моногибридного скрещивания диплои-
дов и тетраплоидов позволяет обнаружить существенные и
принципиальные различия в характере расщепления потомства в Р2. У
дишгоидов при инбридинге гомозиготность увеличивается
быстрыми темпами, у тетраплоидов же — значительно медленнее. В
приведенном примере доля гомозигот в Р2 у диплоидной формы
составляет 50 %, а у тетраплоидной — лишь 5,55 %. Основная масса
растений-тетрагаюидов в Р2 представлена гетерозиготами (94,4 %),
а гетерозиготность — это одна из важнейших причин проявления
гетерозиса.
9.2.4. ГЕТЕРОЗИС КАК ОСНОВА НОВОГО ГЕНЕТИЧЕСКОГО
МЕТОДА СЕЛЕКЦИИ
Селекция гетерозисных гибридов направлена на создание
гибридов первого поколения (Рх), проявляющих высокий гетерозис
по урожайности, качественным показателям получаемой
продукции и другим хозяйственно важным признакам. В отличие от
комбинационной селекции, при которой скрещивания проводят,
чтобы создать генетическую изменчивость для отбора, при
селекции гетерозисных гибридов скрещивание служит для массового
получения семян и их дальнейшего практического
использования, поскольку уже во втором поколении гетерозис может не
проявиться и гибриды более поздних поколений не превосходят
обычные сорта.
Селекция гетерозисных гибридов имеет большое значение для
сельскохозяйственного производства. Эти гибриды по урожайное -
344
ти часто превосходят обычные свободноопыляющиеся сорта на
30 % и более. В некоторых случаях гетерозисный эффект
достигает 50 %. Широко используют явление гетерозиса в селекции
кукурузы, сорго, подсолнечника, томата, тыквы, огурца, арбуза,
лука, капусты, сахарной, столовой и кормовой свеклы и многих
других культур.
При массовом производстве гибридных семян ручные
методы их получения, как правило, неприемлемы. Наиболее важное
значение приобрело использование цитоплазматической мужской
стерильности (ЦМС), включение генов восстановления фертиль-
ности в линии отцовских форм, применение генной мужской
стерильности (ГМС), самостерильности и т.д. Весь комплекс этих
вопросов рассматривается в учебной дисциплине «Селекция и
семеноводство».
Вопросы и задания. 1.Что означают понятия инбридинг и аутбридинг? 2.
Одинаковы ли последствия инбридинга у аутогамных и аллогамных культур? 3. Как
вычисляют коэффициент инбридинга? 4. Дайте определения понятий «инцухт-
депрессия» и «инбредный минимум». 5. Каковы последствия инбридинга в
популяциях человека? 6. Осветите историю открытия гетерозиса и его использования.
7. Изложите основные концепции, объясняющие эффект гетерозиса. 8. Возможно
ли закрепление гетерозиса? 9. Каково значение эффекта гетерозиса в селекции, а
также возможности и пути его использования?
Литература
ГужовЮ.Л., ФуксА., ВаличекП. Селекция и семеноводстпо культипирусмых
растений. — М.: Изд-во РУДН, 1999. — 536 с. — Гл. 10. Селекция югерошеиых
гибридов. — С. 294—327.
Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции.- М.: Имения школа,
1989.

Глава 10
ГЕНЕТИКА ОНТОГЕНЕЗА
Онтогенез — индивидуальное развитие организма от зародыша
до конца жизни (смерть или деление одноклеточного организма).
Генетика онтогенеза изучает проблемы реализации
наследственных возможностей зиготы (оплодотворенной яйцеклетки) в
процессе формирования и жизнедеятельности организма. При этом
из одной клетки (зиготы) формируются клетки разных типов, в
которых экспрессируются специфические белки. Например,
гемоглобин свойственен только эритроцитам, тогда как кристаллин
обнаруживается лишь в хрусталике глаза. Это объясняется
избирательным «включением» отдельных генов в определенном месте и в
определенное время. Поэтому основная цель генетики
онтогенеза — получить ответ на вопрос: каковы механизмы,
обусловливающие избирательное включение генов, приводящее к
возникновению различий между клетками.
10.1. ЭТАПЫ ОНТОГЕНЕЗА И ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ПРОГРАММА
ИНДИВИДУАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ
В развитии любого живого организма можно выделить
следующие сходные этапы: эмбриональное развитие, дифференцировка,
зрелость, старость, заканчивающаяся смертью.
Жизненный цикл покрытосеменного растения характеризуется
процессами формирования и развития органов, т. е. органогенезом,
когда последовательно реализуется наследственная информация,
запрограммированная в генотипе: развитие зародыша,
формирование семени, развитие почки, корня, стебля и репродуктивных
органов. В ходе развития растений и животных можно выделить
ряд сходных процессов. Это рост, дифференцировка тканей и
морфогенез, т. е. развитие органов и признаков. Под ростом
понимают необратимые количественные изменения, происходящие
в процессе развития организма. При этом следует иметь в виду, что
наряду с количественными изменениями развивающегося
организма происходят и качественные, которые получили название
дифференцировки. Дифференцировка происходит на клеточном,
346
тканевом и органном уровнях. Процесс же закладки, роста и
развития органов растения, называют морфогенезом. Все процессы
развития организма (рост, дифференцировка и морфогенез)
взаимосвязаны и зависят от генетической программы
индивидуального развития.
Под генетической программой индивидуального развития
понимают совокупность генов, определяющих становление организма
от оплодотворенной яйцеклетки до взрослой особи. При этом
клетки, образующиеся при делении зиготы, сохраняют
наследственную информацию, свойственную ядру зиготы.
Это положение было подтверждено при изучении БгозорНпа
те1апо§а5гег. Известно, что часть клеток личинки плодовой мушки
содержат политенные хромосомы, которые образуются вследствие
многократной эндоредупликации. Эти хромосомы имеют
характерную исчерченность, или диски, которых у дрозофилы
насчитывают примерно 5150. Сравнение характера исчерченности хромосом
на разных стадиях развития личинки, а также в различных тканях,
показало, что число дисков и характер их расположения остаются
неизменными, что служит аргументом в пользу тождества
геномов. Другим примером сходства геномов клеток служат данные по
изучению ДНК, выделенной ич р;ппых тканей. Было показано,
что ДНК, экстрагированная из клеток рачпых соматических
тканей, обладает сходными составом и свойствами. Поэтому,
например, ядра ранних бластомеров морских ежей и тритонов тотипо-
тентны, т. е. способны обеспечип. дифферемцировку любых
типов клеток. Ядро бластомера, из которого должна была развиться
только часть зародыша, оказалось способным сочдать целый
организм. Следовательно, ядро в данном случае содержит гены,
необходимые для образования не только всех типов клеток, по и
тканей.
Как известно, при развитии личинки дрозофилы у псе
наблюдается две популяции клеток: клетки, содержащие политенные
хромосомы, и клетки имагинальных дисков, и ч которых в
процессе метаморфоза развиваются органы вчрослой мухи. Клетки
имагинальных дисков личинки детерминированы, т. с. если
пересадить глазной диск одной личинки в брюшко другой, то после
метаморфоза у мушки, развившейся ич такой личинки, будет
лишний глаз на брюшке. Однако, если диски трансплантируют
взрослой особи, дифференцировка не происходит. Клетки
продолжают пролиферировать, т.е. неорганизованно делятся. При
культивировании таких клеток т укго после нескольких
пассажей наблюдается трансдетерминация, или переопределение
развития: вместо образования тех органов, которые должны были
развиться из данного диска, формируются совершенно другие
органы, что также свидетельствует о наличии единого генома у
разных клеток.
347

На вопрос, является ли сужение функций ядра
дифференцированной клетки необратимым, был получен ответ при
имплантации ядра дифференцированной клетки в яйцо, собственное ядро
которого предварительно было удалено. Например, при
прокалывании стеклянной иглой яйцеклетки леопардовой лягушки {Капа
ргрьет) в ней происходят все цитологические и биохимические
изменения, связанные с оплодотворением: разрушаются
кортикальные гранулы, перемещается внутренняя цитоплазма, мейотичес-
кое веретено вытекает вместе с хромосомами наружу. В итоге
яйцо является одновременно и активированным, и энуклеиро-
ванным. В энуклеированные яйца переносят ядра из
клеток-доноров. Вместе с ядром в яйцо попадает и некоторое количество
окружающей его цитоплазмы, но оно столь мало по отношению к
цитоплазме реципиента (1:105), что вряд ли оказывает какое-либо
влияние на результат. Пересадка ядер бластулы приводит к
развитию яиц до стадии головастика (все эти головастики диплоидны).
Это свидетельствует о том, что они происходят из ядра донора.
Таким образом, как показано на рисунке 10.1, большинство
ядер бластулы способно обеспечить развитие яиц-реципиентов до
стадии нормальных свободно плавающих головастиков. Однако в
ядрах, взятых от доноров, находящихся на более поздних стадиях
развития, эта способность резко ограничивается. Ни одно из со-
100
80
2
о.
о
.х 3
О) т
60
40
20
О I
О. '
Нормальные плавающие головастики
Копа р/р/еп$
I»
и
(О
1=5 о ^ с с "
о о. ^
^ Стадии развития зародышей и головастиков, ^.
от которых получали ядра для пересадки
Рис. 10.1. Результат трансплантации ядер в зависимости от стадии развития, на
которой они были взяты (Гилберт С. Биология развития. — М., 1994. — Т. 2. — С. 72)
348
Флоэма
корнеплода
|| Поперечный Пролиферирующая
(у срез корнеплода клеточная масса
\1 _ (каллус)в культураль-
» Зрелое ной среде
' растение
Свободные клетки
из каллуса продолжают
развиваться в культуре
Растение-
зародыш, Молодое
перенесенное растение
на среду на агаре
с агаром
Зрелое
растение
Рис. 10.2. Опыты Стюарда, демонстрирующие тотипотентность клеток флоэмы
моркови (Гилберт С. Биология развития. — М., 1994. — Т. 2. — С. 78)
матических ядер, взятых на стадии почки хвоста, не дает
информации, необходимой для развития нормального зародыша. При
трансплантации же ядер половых клеток, в 40 % случаев были
получены бластулы, способные к дальнейшему развитию.
Следовательно, соматические клетки, становясь детерминированными и
дифференцированными, могут утрачивать способность
обеспечивать полное развитие организма.
В отличие от животных у растений установлена способность
ядер клеток взрослого организма обеспечивать развитие другого
взрослого организма. Эта способность была продемонстрирована
на клетках моркови и табака (рис. 10.2). В 1958 г. Стюард и его
коллеги разработали методику, позволишмую получить из
дифференцированной ткани корнеплода моркови понос зрелое растение.
Из корнеплода моркови изолировали маленькие кусочки флоэмы
и вращали в больших колбах, содержащих питательную среду. В
этих условиях клетки флоэмы деля гея и формируют
неорганизованную ткань— каллус. Непрерывное вращение вызывает
выталкивание отдельных клеток из каллуса в суспензию. Из этих
одиночных клеток образуются корпеподобные узелки, которые
продолжают расти. Если эти узелки перенести па твердую
питательную среду, то из них развиваются остальные части растения, в
результате образуются целые растения моркови, способные к
размножению.
Следовательно, процесс дифференцировки включает в себя
селективную экспрессию разных частей генома. Ядра
дифференцированных клеток содержат большую часть, а возможно, и
все гены зиготы; и эти гены экспрессируются в
соответствующих условиях.

10.2. ТОЖДЕСТВО ГЕНОМОВ И ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ
ЭКСПРЕССИЯ ГЕНОВ (МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ)
Благодаря разработке сложнейших биохимических методик
(гибридизация нуклеиновых кислот, клонирование генов и т. д.)
появилась возможность проверить гипотезу о дифференциальной
экспрессии генов на молекулярном уровне. При этом проверяли
три основных постулата:
• ядро каждой клетки содержит полный геном,
сформированный в оплодотворенном яйце, т. е. ДНК всех
дифференцированных клеток идентична;
• неиспользуемые гены в дифференцированных клетках не
разрушаются и не мутируют, они сохраняют способность к
функционированию;
• в каждой клетке экспрессируется лишь малая часть генома;
при этом синтезируемая фракция РНК специфична для клеток
данного типа.
Идентичность геномов. Первое крупномасштабное
молекулярное исследование идентичности ДНК в организме осуществили в
1964 г. Маккарти и Нойер. Оказалось, что одноцепочечная ДНК,
выделенная из мышиных клеток всех типов, с одинаковой
эффективностью подавляет гибридизацию с одноцепочечной ДНК
зародышей мыши. Следовательно, ДНК в клетках всех типов
одинакова по числу и типу последовательностей.
Одновременно данные о присутствии в дифференцированных
клетках генов, которые не синтезируют специфичный для них
продукт, были получены с помощью метода гибридизации т яйд.
Было показано, что гены (например, желточного белка) есть и в
политенных хромосомах. Однако слюнные железы не
синтезируют данный белок.'В" норме желточные белки синтезируют только
ооциты и клетки жирового тела взрослой самки дрозофилы, т. е.
ген, экспрессирующийся только в клетках жирового тела и ооци-
тах, присутствует и в хромосомах слюнных желез личинки.
Стабильность генов. Было показано, что гены, не
используемые в дифференцированных клетках, при определенных
условиях могут быть активированы и что они могут продуцировать
специфические белки. Убедительные данные о реактивации
неиспользуемых генов у млекопитающих были получены при
слиянии дифференцированных клеток различных типов. Клетки могут
сливаться естественным образом, или их можно искусственно
стимулировать к слиянию, воздействуя такими агентами, как элекг-
рическое поле, инактивированный вирус кори мыши, полиэти-
ленгликоль.
При слиянии оба ядра оказываются в общей цитоплазме. В
благоприятных условиях ядра гибридной клетки одновременно
начнут делиться по типу митоза и в результате образуют гибридное
ядро, содержащее хромосомы родительских клеток. При этом в
350 ,:•■■■ ■■■! ."■.'-. '.;;* '■.'■"■■■'
большинстве случаев полученный гибрид сохраняет свойства,
характерные для родительских клеток. В результате слияния
опухолевых клеток из печени крысы с фибробластами мыши
получили гибриды, способные синтезировать белки, которые
никогда не синтезировались фибробластами, т. е. фибробласты
мыши сохранили гены, специфичные для печени, в форме,
которая допускает их экспрессию в определенных условиях. Это
соответствует общему правилу развития животных: в процессе
дифференцировки клеток необратимых генетических
изменений не происходит.
Нарушение стабильности геномов. В соответствии с общим
правилом неиспользуемые гены присутствуют в
дифференцированных клетках и сохраняют способность к функционированию.
Набор генов одинаков но несх тканях. Однако при изучении
образования разных типов лимфоцитом было выявлено, что геном
каждого типа лимфоцитов огличас гея от геномов других типов клеток
организма, в том числе и от геномов других типов лимфоцитов.
Примером такого рода являются В~лимфоциты — клетки, которые
синтезируют антитела. Антитела образуются, когда чужеродный
субстрат (антиген) приходи! и контакт с В-лимфоцитами,
находящимися в лимфатических узлах и селезенке. Еще до контакта с
антигеном в клетках В-лимфоцитов синтезируются молекулы
антител, которые встраиваются в мембраны лимфоцитов. Каждый
В-лимфоцит продуцирует антитела, которые узнают только один
антиген, т. е. антитела, узнающие белковую оболочку вирусов
полиомиелита, не будут узнавать холерный токсин, мембрану клетки
Е. соН или вирус гриппа. После того как связанные с мембраной
антитела присоединяют молекулы определенного антигена,
В-лимфоцит многократно делится и дифференцируете» в
плазматическую клетку, секретирующую антитела. К размножению и
секреции антител стимулируются только те В-лимфоциты, которые
обладают способностью связывать данный антиген. В соответствии с
этой моделью, названной теорией кяоналыюй селекции, каждый
В-лимфоцит приобретает присущую ему специфичность до
контакта с антигеном. Механизм этой селекции по специфичности
антител включает образование новых геном в ходе
дифференцировки В-лимфоцитов (рис. 10.3). Специфичность молекулы
антитела (иммуноглобулина), т. е. избирательность связывания с
вирусом полиомиелита, клеткой Е. соН или какими-либо другими
молекулами, определяется последовательностью аминокислот в
вариабельной области. Эта область состоит из одной тяжелой и
одной легкой цепей. Гены легких и тяжелых цепей В-лимфоцитов
разделены на сегменты. Гены легких цепей состоят из трех
сегментов. Первый сегмент гена кодирует вариабельную (V) область
легкой цепи. Она содержит около 300 различных нуклеотидных
последовательностей, которые кодируют в общей сложности
первые 97 аминокислот легкой цепи. Второй сегмент (/-область) со-
' '■■ . 351

"—СНННН]—л»
Исходная
организация П—П—ГП—П—П—/л
гена | г
(10-12)^103
пар оснований
Организация гена У\ ^ Уз ^4 У5 УпИ ^л 7^
в В-лимфоцитах,
продуцирующих
антитела из Уп_^ и У4
Рис. 10.3. Перестройка генов легких цепей в ходе развития В-лимфоцитов. До
стимуляции с антигеном один из 300 или большего числа Г-сегментов гена объединяется с
одним из пяти /-сегментов гена и сближается с константным (С) концом гена
(Гилберт С. Биология развития. — М., 1994. — Т. 2. — С. 95)
стоит из 4—5 возможных последовательностей нуклеотидов для
15—17 остатков вариабельной части легкой цепи. Третий сегмент
определяет-константную (С) область легкой цепи. В ходе развития
В-лимфоцита одна из 300 К-областей и одна из 5 /-областей
комбинируются друг с другом и образуют вариабельную часть гена
антитела. Это достигается перемещением последовательности К-об-
ласти к последовательности /-области — перестройки, которая
сопровождается удалением промежуточной ДНК.
Гены тяжелых цепей антител содержат даже большее число
сегментов, чем гены легких цепей. Сегменты гена тяжелой цепи
включают К-область (200 последовательностей нуклеотидов для
первых 97 аминокислот), И-область (10—15 нуклеотидных
последовательностей для 3—14 аминокислот), /-область (4
последовательности для последних 15—17 аминокислот) и С— константную
область. Таким образом, молекулы антител формируются двумя
генами, возникающими в ходе развития В-лимфоцита. Эти
молекулы встраиваются в клеточную мембрану и служат рецепторами
антигенов. Благодаря этому каждая клетка В-лимфоцита несет
отличный от других клеток геном.
Изменения генов. У некоторых организмов могут наблюдаться
изменения проявления генов. Так, геном паразитического
простейшего Тгурапозота, вызывающего сонную болезнь, может
меняться, чтобы продуцировать разные гликопротеиды клеточной
мембраны, благодаря которым паразит ускользает от иммунной
системы хозяина.
В дополнение к уже описанным рекомбинантным событиям
разнообразие антител может создаваться также в результате
соматических мутаций. Кроме того, изменение структуры гена может
возникать встраиванием в ген мобильных элементов (транспозо-
нов). Если транспозон встраивается в ген и разрывает его, то ген
инактивируется. У кукурузы, как показала Б. Мак-Клинток,
транспозон встраивается в ген окраски зерен или рядом с этим ге-
352
ном и вызывает образование бесцветных зерен. У дрозофилы же
мутация \уЫ1е — арпсо! вызывается встраиванием мобильного
элемента в область гена \уш1е.
Таким образом, следует помнить, что геном представляет собой
динамическое целое и не является абсолютно стабильной
структурой. Это выражается в следующем:
• ядра дифференцированных клеток сохраняют основную часть
своей генетической информации в форме, которая допускает ее
экспрессию в соответствующих условиях;
• по крайней мере при дифференцировке клеток одного типа
происходит некоторая утрата генетического материала. Но
необходимо отметить, что необратимые генетические потери —
следствие клеточной дифференцировки, а не ее причина.
10.3. РЕГУЛЯЦИЯ РАЗВИТИЯ ПУТЕМ ИЗМЕНЕНИЯ
ТРАНСКРИПЦИИ
Различают два типа хроматина по степени его конденсации в
интерфазном ядре. Большая часть хромосомного материала — эухро-
матин — во время интерфазы находится в деконденсированном
состоянии. Некоторые хромосомные области — гетерохроматин —
не подвергаются деконденсации, сохраняют плотную упаковку и
способность к окрашиванию на протяжении всей интерфазы.
Гетерохроматиновые участки представляют собой фракцию ДНК,
которая в ходе клеточного цикла реплицируется последней. 11очти
весь гетерохроматин не участвует в синтезе РНК. Считается, что
он подавляет кроссинговер между хроматидами в ходе мейо.ча.
В 1949 г. Барр и Бертрам обнаружили в ядрах нейроноп кошки
интенсивно окрашенные тельца, расположен!п>1е воличи ядерной
оболочки. Позже эти тельца (тельца Г>арра) были открыты у самок
многих млекопитающих. Было покачано, что они представляют
собой неактивную А'-хромосому. Это означает, что, хотя » клетках
самок содержится две А'-хромосомы, а и клетках самцов— только
одна, у самок транскрипциоппо активной может быть лишь одна
Х-хромосома. Этот феномен начинают компенсацией дозы гена.
Если пигментация волосяного покрова определяется аутосомным
геном, то окраска мыши будет либо такой, как у одного из
родителей, либо промежуточной. В любом случае мышь будет
одноцветной. Однако если самка мыши гетерозиготна по А"-сцепленному
гену окраски, то результат будет совершенно иной: она будет
пятнистой. Это объясняется следующей гипотезой: в ходе раннего
развития самок млекопитающих обе А'-хромосомы активны.
Впоследствии одна из Х-хромосом в каждой клетке выключается. Эта
инактивация происходит случайным образом. В одних клетках
инактивируется отцовская Х-хромосома, в других — материнская.
Этот процесс необратим. Если А'-хромосома инактивировалась, она
353

будет неактивной у всех потомков этой клетки. Таким образом,
все ткани самок млекопитающих являются мозаиками из клеток
двух типов.
Амплификация генов. Одно из приспособлений живых
организмов для транскрипции повышенного количества определенной
РНК заключается в образовании существенно большего числа
копий данного гена. У многих организмов в геноме достаточно часто
встречается несколько копий определенных генов, и чаще всего
это касается генов рибосомальной РНК. Наряду с этим в
развивающихся эритроцитах гемоглобин составляет 98 % всего
синтезируемого белка, но при этом не наблюдается амплификации глобино-
вых генов. В шелковыделительной железе гусениц тутового
шелкопряда, продуцирующей огромное количество белка шелка
фиброина, геном амплифицируется с помощью политении. Но даже в
этом случае амплификация гена фиброина отсутствует.
Селективная транскрипция генов. Активность генов можно
наблюдать под микроскопом на гигантских хромосомах слюнных
желез дрозофилы и хирономуса. Своеобразные вздутия (пуфы)
представляют собой расплетенную ДНК в определенных областях
хромосом. Поскольку эти хромосомы политенные, характерный
вид пуфа создается тысячами нитей. Такая же картина
наблюдается в ооцитах амфибий. Эти структуры называют хромосомами
типа ламповых щеток. На стадии диплотены мейоза компактные
хромосомы амфибий образуют большие петли ДНК и втягивают
их обратно после завершения этой стадии.
Предположение, что это расплетание позволяет экспрессиро-
ваться определенным генам, подтверждено с помощью
гибридизации щ зИи, которая показала, что обычно на каждой петле имеется
только одна транскрипционная единица (ген).
Таким образом, дифференциальная активность генов может
регулироваться на уровне транскрипции следующими способами:
• гетерохроматинизацией;
• селективной транскрипцией;
• амплификацией генов.
Кроме того, весомый вклад в регуляцию экспресии генов
вносит метилирование ДНК, в результате которого изменяются
структура гена и его активность.
10.4. КОНТРОЛЬ РАЗВИТИЯ НА УРОВНЕ ПРОЦЕССИНГА РНК
Сущность дифференцировки тканей организма заключается в
продуцировании различных наборов белков в клетках разных
типов. У бактерий дифференциальная экспрессия генов
контролируется на уровнях транскрипции, трансляции и деградации
белков. У эукариот существует еще один возможный уровень
регуляции — процессинг РНК. Различные клетки могут осуществлять
354
процессинг одних и тех же транскрибированных РНК
различными способами, создавая таким образом разнообразие мРНК из
одинаковых наборов ядерных транскриптов. Процессинг РНК
рассматривают как основной способ регуляции дифференциальной
экспрессии генов. Он определяет популяцию специфических для
клеток мРНК. Секвенирование ДНК и РНК показало, что
дифференциальный процессинг РНК может приводить к
возникновению различных белков в клетках разных типов или в разные
периоды в одной клеточной линии. Однако механизм, лежащий в
основе дифференциального процессинга РНК, до сих пор неясен.
10.5. ТРАНСЛЯЦИОННАЯ РЕГУЛЯЦИЯ РАЗВИТИЯ
После транскрипции, процессинга и выхода мРНК из ядра
необходима ее трансляция, чтобы получить белок, закодированный
в гене. Регуляция на уровне трансляции — исключительно
важный механизм контроля экспрессии генов. В данном случае мРНК
уже образована, но она может транслироваться или не
транслироваться в зависимости от определенных условий в клетке. Таким
образом, контроль экспрессии генов на уровне трансляции может
осуществляться грубо, когда организму необходима немедленная
активация синтеза белка, как это обычно бывает после
оплодотворения яйцеклетки, или в качестве тонкой регуляции,
обеспечивающей синтез строго определенного количества белка на
имеющемся запасе мРНК, как, например, при синтезе гемоглобина.
Показаны посттрансляционные изменения белков, связанные с
модификацией их активности, что, в конечном счете, влияет на
проявление того или иного гена.
Итак, мы рассмотрели различные уровни регуляции
экспрессии гена: транскрипцию, процессинг РНК, трансляцию и
посттрансляционную модификацию. Каждый регулятор!или ген важен
для контроля экспрессии генов в ходе развития. Однако проблема
дифференцировки индивидуальных клеток не единственная в
биологии развития. Необходимо помнить, что важное значение
имеют механизмы взаимодействия клеток друг с другом,
обеспечивающие формирование тканей и органов.
10.6. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ РАЗВИТИЯ РАСТЕНИЙ
Формирование органов растения происходит путем перехода
небольшой группы меристематических клеток в разные типы
меристем — вегетативные (меристемы, отвечающие за развитие
вегетативных органов) и генеративные (меристемы цветков и
соцветий). Этот переход контролируется генами, которые обеспечивают
направление развития определенных групп клеток.
355

Рис. 10.4. Стадии эмбриогенеза арабидопсиса:
а — 2-клеточный зародыш; 6— глобула; в —сердце; г —Торпедо; д — зрелый зародыш
(Генетика развития растений / Под ред. С. Г. Инге-Вечтомова. — СПб., 2000. — С. 157)
Жизненный цикл растений включает несколько стадий:
формирование семени (эмбриогенез), вегетативное и генеративное
развитие, старение и гибель. Цветковые растения имеют
несколько особенностей, одна из которых состоит в развитии гаметофита
на спорофите, который защищает развивающийся гаметофит от
воздействия неблагоприятных факторов. Особенности развития
семени рассмотрены в главе 1 и представлены на рисунке 10.4.
Эмбриогенез включает следующие стадии: проэмбрио, глобула,
сердце и Торпедо.
При этом эмбриональное развитие растений контролируется
генами, которые подразделяются на:
• гены «домашнего хозяйства», которые экспрессируются в
течение всего онтогенеза, в том числе и в зародыше;
• эмбриоспецифические гены, экспрессия которых связана с
развитием зародыша и семени.
Среди генов, экспрессирующихся в раннем эмбриогенезе, ген
АТМ1. Он контролирует клеточную дифференцировку, поэтому экс-
прессируется в апикальной клетке сразу после первого деления
зиготы и сохраняет свою активность до стадии 8-клеточного зародыша.
В процессе созревания зародыша экспрессируется много
других генов, среди которых большую группу образуют гены
запасных белков, являющихся основным источником питания
зародыша и прорастающих семян. В регуляции экспрессии этих генов
принимают участие более 20 генов. Запасные белки
сосредоточены в семядолях у двудольных и эндосперме у однодольных
растений. В семядолях двудольных экспрессируются гены,
контролирующие синтез таких белков, как легумины, фазеолины и др. В
эндосперме же однодольных растений экспрессируются гены таких
белков, как глютенины, глиадины, зеины и др. При этом регуля-
торные области запасных белков имеют высокий процент гомоло-
356
гии, что предполагает общие для двудольных и однодольных
механизмы регуляции экспрессии генов.
Наличие большого числа мутаций, связанных с эмбриогенезом,
позволило клонировать гены, ответственные за развитие зародыша.
Показано, что два класса мутантов связаны с ранними этапами
эмбриогенеза. Первый класс мутантов включает гетерогенную группу
мутаций, связанных с нарушениями развития суспензора, которые
проявляются в ограничении связей между зародышем и
материнскими тканями. Второй — близнецовых мутантов, у которых
наблюдается повышенная частота появления нескольких зародышей из одной
яйцеклетки. Это явление, как и полиэмбриония, — результат
инициации соматического эмбриогенеза путем изменения эмбриогенети-
ческой программы
отдельных клеток, например,
клеток суспензора.
Часть эмбриональных
нарушений не связана с ле- а
тальностью, что позволяет
выявлять такие мутанты на
стадии проростков. Так,
мутация гена СИ {СНОМ)
приводит к нарушению
развития апикальной и базаль-
ной частей проростка, что б
проявляется в
формировании шаровидного зародыша,
в нарушении развития
корневой и побеговой
меристем, поскольку этот ген
играет важную роль в
инициации и поддержании апи- в
кально-базальной
ориентации при развитии
растений. Мутации трех генов
МР (М0Ы0РТЕК05), СК
{ОиКК) и ЕК (РАСКЕЬ)
влияют на отдельные части
развивающегося зародыша
(рис. 10.5). Как видно из г
Рис. 10.5. Мутации арабидопсиса,
затрагивающие различные части
проростка:
а — норма; б — мутация СИКК; в —
мутация РАСКЕЦ г-мутация МОИОРТЕ-
К05; д — мутация
СЛ^ОЛ/(отсутствующий участок заштрихован) (Генетика
развития растений / Под ред. С. Г.
Инге-Вечтомова. - СПб., 2000. - С. 166)
357

рисунка 10.5, мутация гена МР приводит к отсутствию гипокоти-
ля и эмбрионального корня. Ген СК необходим для
формирования апикальной части зародыша. У мутантов по этому гену
отсутствуют побеговая меристема, семядоли, а иногда часть гипо-
котиля. Зародыш этого мутанта нормально развивается до стадии
глобулы, после чего семядоли не развиваются. У мутантов по
гену РК отсутствует гипокотиль при наличии семядолей и корня.
Все это свидетельствует о том, что в регуляции специализации
отдельных частей зародыша у растений задействовано сразу
несколько генов.
Важный признак у растений — пигментация отдельных
частей проростков, развивающихся растений, перикарпа и т. п.
Группа мутантов, связанных с аномалиями пигментации
проростков, состоит из альбиносов, желто-зеленых и /мяса-мутантов.
Проявление последних выражается в фиолетовой окраске
семенной кожуры в результате накопления антоцианов. Данная
группа мутантов достаточно гетерогенна, но практически все
они отличаются измененной морфологией семян. При этом
экспрессия генов прорастания семян наблюдается уже в процессе
эмбриогенеза. Таким образом, эмбриогенез представляет собой
иерархическую систему, в которой пути развития групп клеток
контролируются скоростью деления клеток и (или)
направлением и полярностью клеточного деления.
10.7. РАЗВИТИЕ АПИКАЛЬНЫХ МЕРИСТЕМ
Меристема — недифференцированная образовательная ткань,
клетки которой в течение длительного периода способны к
делению. У растений выделяют вегетативные меристемы (побеговую,
апикальную, корневую апикальную, интеркалярную) и
генеративные. Фунидии апикальных меристем заключаются в поддержании
(путем активного деления клеток) и формировании органов.
Вегетативная побеговая апикальная меристема дает начало листьям,
побеговая апикальная меристема соцветий участвует в
формировании пазушных меристем и цветков, цветковая меристема
инициирует развитие органов цветка. Все эти меристемы
контролируются определенным набором генов, определяющих развитие
органов. При этом существуют общие механизмы для вегетативной
и генеративной меристем. Это механизмы поддержания
меристем, их структуры, а также инициации органов и определения
их положения.
Побеговые апикальные меристемы. Побеговые апикальные и
цветковые меристемы являются высокоупорядоченными
структурами. В побеговых апикальных меристемах выделяют три
зоны — центральную, периферическую и подстилающую (РИБ)
зоны (рис. 10.6).
358
Рис. 10.6. Структура апикальной
меристемы (М):
Л— зачаток листа; ПЗ — периферическая зона;
ЦЗ — центральная зона; РЗ— РИБ-зона
(подстилающая) (Генетика развития растений / Под
ред. С. Г. Инге-Вечтомова. - СПб., 2000. — С. 171)
Центральная зона — это апекс,
или центр меристемы. Ее
составляют наиболее крупные
медленно делящиеся клетки с большими
вакуолями. Функция клеток
центральной зоны заключается в обеспечении клетками двух других
зон. Скорость митотических делений в периферической зоне
значительно выше. Из клеток этой зоны формируются зачатки
листьев. Подстилающая, или РИБ-зона, является границей между
недифференцированными и дифференцированными клетками.
Клетки этой зоны формируют стебель и характеризуются наивысшей
митотической активностью. Следует отметить, что зональная
система организации меристемы сохраняется в течение развития,
однако она не наблюдается на поздних этапах развития цветка.
Внутри каждой зоны выделяются несколько слоев, которые
участвуют в формировании органов растения. В течение
вегетативного развития в побеговой апикальной меристеме формируются
новые типы меристем.
Генетический контроль развития побеговых меристем
осуществляется группой генов, среди которых есть тепы «домашнего
хозяйства», гены, отвечающие за формирование меристем и [-сны,
отвечающие за поддержание меристем. У арабидопсиса наиболее
изучены гены 5ТМ {8Н00И МЕШТЕМиШХ), »Ш {Ш8СНЕЩ,
1Ы (ШШ), РЖ(РШНЕАП), СЬУ(СМУАТА) и др. ЯТМ-гсны
необходимы как для инициации меристемы но нремя ражития
зародыша, так и для поддержания активности меристемы.
Экспрессия этих генов начинается со стадии глобулы зародыша. Мутации
по этим генам проявляются в редукции или аномалиях органов
растения. В отличие от 5ТМ-тенов мутации СУ/К-генои
проявляются в увеличении размеров меристем и числа органов, что
позволяет идентифицировать эти гены на всех стадиях развития.
Формирование на месте побеговой апикальной меристемы листа или
фрагмента листа наблюдается у _2Х/,-мутантои, при этом
остальные части проростка развиваются нормально. У И'ЧУУ-мутантов
почти полностью утрачена способность к заложению побеговой
апикальной меристемы в эмбриогенезе, а в случае, когда она
формируется, наблюдаются множественные аномалии.
Число органов растения, образующихся в процессе роста и
развития, определяется числом клеток, способных инициировать при-
мордии. Рассмотренные выше мутанты, отвечающие за формиро-
359

вание и поддержание меристем, оказывают существенное влияние
на число органов у растения. Кроме них, влияние на число
органов оказывают гены, экспрессируемые в цветковой меристеме —
8ЦР {БПРЕКМАИ) и РОЫ{РЬОКАЬ ОКОАЫ М11МВЕЯ).
Развитие листа. Из апикальной меристемы развивается побег с
повторяющимися узлами, состоящими, в свою очередь, из листа,
пазушной почки и междоузлия. Побеговая апикальная меристема
играет решающую роль в инициации листовых примордиев,
определении формы и положения листа. Инициация побеговой
апикальной меристемы происходит на стадии торпедо
развивающегося зародыша, что важно для формирования побега после
прорастания семени. Можно выделить три стадии развития листа:
образование листового примордия, оси листа и листовой пластинки.
В формировании листа участвуют клетки всех слоев побеговой
апикальной меристемы. При этом число клеток, участвующих в
формировании листа, генетически детерминировано. Важную
роль в генетической регуляции развития листа играет ККОТТЕВ-
класс мутаций, первоначально обнаруженный у кукурузы.
Мутации этого класса характеризуются образованием узлов благодаря
дополнительному делению клеток. Продукт этого гена важен для
переключения детерминантного и индетерминантного роста при
формировании латеральных органов.
За развитие и тип листа ответственны две группы генов,
контролирующие инициацию органа и его идентичность. Мутации этих
генов приводят к нарушениям развития листа. С первой группой
мутаций связано изменение морфологии листа на протяжении
онтогенеза. К этой группе относятся мутации У1У1РАК0Ш, О1УАКР,
для которых характерно изменение времени формирования
листьев определенного типа (удлинение периода формирования юве-
нильных листьев, задержка формирования следующего типа листа).
Ко второй группе принадлежат мутации ТЕОРОВ, С0Ш0КА58,
0Ь088У, затрагивающие специфические для той или иной стадии
развития листа признаки, морфологию листа, проявление
воскового налета, наличие трихом и др.). Таким образом, инициация и
формирование листа контролируются двумя группами генов. При
этом необходимо помнить, что лист выполняет много
специфических функций: фотосинтез, транспирация, обеспечение
транспорта воды и минеральных веществ, реакция на биотические и
абиотические стрессы. Однако генетический контроль этих
процессов практически не изучен.
Развитие корня. Корень — осевой орган, способный длительно
расти благодаря корневой апикальной меристеме. После деления
клетки меристемы корня переходят к росту путем растяжения,
затем происходит их дифференциация. Корень цветковых растений
формируется в зародыше из корневой апикальной меристемы. На
конце апикальной меристемы находятся инициальные клетки
основных тканей корня. После деления инициальной клетки одна
360
из образовавшихся становится частью ткани корня, а другая
займет место в меристеме как инициальная. Инициальные клетки
окружают митотически неактивные клетки, которые образуют
неподвижный центр. Генетический контроль развития корня состоит
в обеспечении правильного характера и числа клеточных делений,
баланса дифференцированных и недифференцированных клеток.
Следует отметить, что морфогенез корня — сложный процесс,
контролирующийся большим числом генов.
Развитие цветка. Этот процесс осуществляется путем
формирования меристемы соцветий и цветковой меристемы и происходит
поэтапно (рис. 10.7):
• переход от вегетативной меристемы к генеративной
(меристеме соцветий), осуществляемый благодаря взаимодействию как
внешних, так и внутренних факторов;
• развитие цветковой меристемы и формирование органов
цветка, контролируемое генетическими факторами.
Важную роль в переходе от вегетативной меристемы к
меристеме соцветий играют гены ЬРУ (ЬЕАРУ), АР\ {АРЕТАЬАХ),
САЬ (СА1Л1РЮШК) и др. Мутации этих генов приводят к
развитию генеративных побегов или соцветий вместо цветков.
Переход от меристемы соцветий к цветковой меристеме у ара-
бидопсиса контролируется группой генов. Ген ТРЬ\ {ТЕКМШАЬ
РЕОУУЕВХ) экспрессируется на самых ранних этапах
формирования цветка. Ген ЬРУ осуществляет остановку развития
центральной оси соцветия и переход к формированию
терминального цветка. Действие гена АВЯ (ЯВКС/РТЯ) отмечено на более
поздних стадиях, когда начинается формирование цветка. Гены
АР\, АР2 и САЬ выполняют сходные функции, заключающиеся
в переходе к формированию цветка.
Цветки арабидопсиса и львиного зева состоят из четырех
кругов—чашелистиков, лепестков, тычинок и пестиков (рис. 10.8).
На основании генетических исследований развития цветков этих
растений была предложена модель формирования органов цветка.
Согласно модели оно осуществляется по трем гомеозисным
функциям — А, В\\ С. Каждая из этих функций (активностей)
специфична в детерминации развития органов определенного типа. При
этом каждая функция ответственна за формирование двух типов
органов. Функция А в круге (мутовке) 1 приводит в норме к
формированию чашелистиков, а при взаимодействии с активностью С
пм
мс
ЦМ
Гены
, АР1, СА1, аУ, АВЙ
АР1, АР2, АРЗ, СА1, Р1, АО, ЗС/
Рис.10. 7. Схема генетического контроля развития цветка:
ПМ — побеговая меристема; МС— меристема соцветий; ЦМ— цветковая меристема
361

-<р
г|\ НкВ^а)
• чш
Рис. 10.8. Схематическое изображение цветков арабидопсиса (а) и львиного зева (б):
ЧШ— чашелистики; ЛП— лепестки; ТЧ— тычинки; КП— карпелы; Мх, М2, М3, М4 — органы
первой, второй, третьей и четвертой мутовок соответственно; ДЛ— дорсальный лепесток;
ЛЛ—латеральный лепесток; ВЛ— вентральный лепесток; ПЦ— прицветники; СТ—
стерильная тычинка; ВТ— вентральная тычинка; ЛТ— латеральная тычинка (Генетика развития
растений/Под ред. С. Г. Инге-Вечтомова. — СПб., 2000. — С. 203)
в круге 2 образуются лепестки. Активность В проявляется в кругах
3 и 4, при этом взаимодействуя с активностью С, в круге 3
образует тычинки, а в круге 4 активность В ответственна за
формирование пестиков (рис. 10. 9).
У арабидопсиса функции А, В и С выполняют гены АР2
(активность А), АРЪ и Р1 (активность В) я АО (активность О. Эта модель
может быть дополнена геном АР1, проявляющим активность А.
Мутация в гене АР2 приводит к формированию вместо
чашелистиков карпелоидоподобных образований, а вместо лепестков —
тычинок (рис. 10.10).
Мутации генов АРЪ и Р1 приводят к формированию
чашелистиков вместо лепестков и пестиков вместо тычинок. Мутация гена
АС вызывает формирование лепестков вместо тычинок и
чашелистиков вместо пестиков.
Таким образом, в процессе развития растения в нем
одновременно могут функционировать разные типы меристем,
генетический контроль которых осуществляется группой генов, экс-
м,
1УЬ
м.
В
А
С
ЧШ
362
ЛП
ТЧ
пт
Рис. 10.9. Схема генетического контроля
развития цветка:
УД?—чашелистики Ш\У, ЛЯ—лепестки (М2);
ТЧ— тычинки (М3); ЛТ — пестики (*Г4); А, В,
С— см. объяснение в тексте (Генетика развития
растений / Под ред. С. Г. Инге-Вечтомова. —
СПб., 2000. - С. 228)
Рис. 10.10. Схемы образования органов
цветка для разных типов мутантов:
ЛП/ТЧ— лепесткоподобные тычинки; Л—
листоподобные карпелы; ЧЛ — чашелистико-
подобные структуры; остальные
обозначения, как на рис. 10.9 (Генетика развития
растений/Под ред. С. Г. Инге-Вечтомова. —
СПб., 2000. - С. 228)
премирующихся в
определенных тканях, в определенное
время развития и в зависимости от
внешних условий. При этом
выделяются гены, специфичные
для определенных меристем и
органов, которые под
действием внешних и внутренних
факторов обеспечивают скорость и
направление клеточных
делений и формирование тканей и
органов.
Вопросы и задания. 1. Назовите
основные этапы развития животных и
растительных организмов. 2. Какие
существуют механизмы регуляции
развития организмов? 3. Каким образом
происходит развитие апикальных
меристем? Назовите основные гены,
участвующие в контроле развития
апикальных меристем. 4. Что такое го-
меозисные гены? 5. Каким образом
осуществляется генетический контроль
развития цветка? 6. Назовите этапы
эмбриогенеза и гены,
контролирующие развитие семени и зародыша.
м, м2 м3 м4
Дикий тип
Мутант а
Мутант А
Мутант с
Мутанта*
Мугннт/и'
Мутант яг
Мутант аЬс
в
А
ЧШ
КП
ЛП
в
с
ТЧ
А
чш
чш
КП
чш
л
ЧЛ
в
А
ЛП
с
КП
А
ЧШ
в
ЛП/ТЧ
с
ТЧ
с
КП
ЛП
КП
чш
Л11/1
КП
КП
КП
чш
КП
чш
ч я
л л л л...
Литература
Генетика развития растений/ Л. А. Лутова, Н. А. Пропоров, О. Н. Тиходеев и др.;
Под ред. С. Г. Инге-Вечтомова — СПб.: Наука, 2000.
Гилберт С. Биология развития. Т. 1—3. — М.: Мир, 1993—1995.
Корочкин Л. И. Введение в генетику развития. — М.: Наука, 1999.
Молекулярная биология. Т. 1—3/ Б. Альберте, Д. Брей, Дж. Льюис и др. — М.:
Мир, 1994—1996.
РэффР., КофсаиТ. Эмбрионы, гены, эволюция. — М.: Мир, 1986.

Глава 11
ПОПУЛЯЦИОННО-ГЕНЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Популяционная генетика — это раздел генетики, в котором
рассматривается наследственная изменчивость в группах организмов,
т. е. в популяциях. Можно привести несколько определений
популяции, что связано с различными способами размножения,
принадлежностью к высшим или низшим организмам и т. д.
В широком смысле популяция — это группа организмов одного
вида, скрещивающихся между собой или потенциально способных
к скрещиванию, населяющая определенный ареал и проявляющая
определенные взаимоотношения. Популяции возникают и
эволюционируют не только в природе, но и в процессе селекции.
Популяция — главный структурный элемент вида. На основе
генетических преобразований в популяциях идут
микроэволюционные процессы, приводящие к видообразованию, т. е.
популяция — элементарная единица эволюции. С. С. Четвериков в 20-х
годах прошлого века впервые обосновал связь генетики
популяций с теорией Ч. Дарвина, заложив основу современной теории
эволюции.
Популяционно-генетический анализ — наиболее
математизированный раздел генетики, который широко применяют для
количественного описания, прогнозирования генетических процессов в
популяциях и оптимизации воздействий на них. Разработанные в
популяционной генетике подходы, модели, методы и оценки
используют в теории эволюции, а также в экологии, медицине,
селекции и других областях науки.
Основные количественные показатели, применяемые далее для
анализа структуры популяций, — это доли (частоты) отдельных
аллелей и генотипов в ней. Эти доли могут меняться в
пространстве и во времени (в поколениях). Иногда учитываются также
параметры, характеризующие численность популяции, хотя в
большинстве случаев исходят из того, что численность велика.
Под равновесием популяции далее понимают неизменность в
поколениях частот анализируемых аллелей (равновесие по
генетической структуре популяции) или генотипов (равновесие по гено-
типической структуре). Популяционная генетика изучает генети-
364
ческое разнообразие природных и искусственных популяций
жирных организмов, равновесные состояния популяций, а также
изменения частот генов и генотипов в поколениях, т. е. причины
отклонения от равновесных состояний. Различные состояния
равновесия и отклонения от них определяются пятью основными
факторами: способом скрещивания, случайными колебаниями частот
генов и генотипов в популяции, давлением отбора, частотой
мутаций генов и степенью миграции. Без изучения влияния этих
факторов невозможно современное природопользование и охрана
окружающей среды.
Популяция называется замкнутой, если не существует миграции
(переноса пыльцы, семян из популяции в популяцию растений, для
животных перемещения особей в соседнюю популяцию).
Примеры замкнутых популяций.
• Удаленное от других поле с перекрестноопыляемой
культурой (кукурузой, рожью — опыляемыми ветром, гречихой —
опыляемой насекомыми).
• Совокупность чистых линий самоопыляющейся культуры,
образованная при расщеплении гибрида Р\ в поколениях его
потомства.
• Группа насекомых одного вида, обитающих на дереве,
достаточно удаленном от других деревьев с насекомыми того
же вида.
11.1. СЛУЧАЙНОЕ СКРЕЩИВАНИЕ (ПАНМИКСИЯ)
Панмиктическая популяция — это сообщество свободно,
совершенно случайно скрещивающихся организмов одного вида. При
панмиктическом скрещивании комбинации родителей, например,
растений, образуются совершенно случайно. Это модельная
ситуация свободного переопыления в больших популяциях перекрест-
пиков. Во многих случаях и для многих признаков такое
упрощение оправдано, но не всегда.
Так, при расщеплении по срокам цветения в популяции ржи
скрещивания разных генотипов уже нельзя считать случайными,
если мы изучаем популяцию по генам, определяющим
изменчивость именно этого признака.
Аналогично, по локусам, сцепленным с генами
самонесовместимости, происходит непроизвольный подбор родительских пар
по этим локусам, т. е. панмиксии также нет. Скрещивание
растений культуры с тяжелой, слаборазлетающейся пыльцой
(например, кукурузы) на большом поле все же можно считать
произвольным, если растения с разными генотипами высевались и
становились соседями совершенно случайно. Поэтому в каждом случае
надо тщательно оценивать пригодность модели.
36,5

11.1.1. АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ ПАНМИКТИЧЕСКОЙ ПОПУЛЯЦИИ
Особи популяции часто кажутся весьма сходными и
однообразными. Однако это однообразие относится лишь к основным,
типичным чертам. При детальном анализе состава популяции и
наследственности, как правило, обнаруживается высокая степень
генетического разнообразия. Первичный источник этого
разнообразия — мутационная изменчивость, которая подхватывается и
усиливается комбинационной изменчивостью, связанной с
рекомбинацией генов. Имеют значение и другие факторы, такие, как
миграция и отбор. Проявление генетических законов, учитывающих
все эти факторы на уровне популяции, является предметом
изучения популяционной генетики.
Как охарактеризовать разнообразие популяции по
генетической и фенотипической структуре? Для этого надо описать
представительные (репрезентативные) выборки ее особей и оценить
частоты, необходимые для анализа. Рассмотрим простейшие
варианты описания генетического разнообразия популяции.
Один аутосомный локус. Если учитывать отдельный локус
диплоидного организма, то у всех особей популяции может быть
всего одно аллельное состояние локуса (А). В этом случае никакой
изменчивости по локусу нет. Но нас будут интересовать ситуации,
когда по локусу, влияющему на признак, можно обнаружить в
популяции генетический полиморфизм — несколько аллелей
(минимум два: Аи а) с разными частотами.
Для двух аллелей популяция описывается частотами этих
аллелей [р(А), д(а), р + д= 1] и частотами /2(АА), /{(Аа), /0(аа) трех
генотипов, оцениваемых по их численностям (п2, щ, и0) в выборке.
Ниже приведен пример оценки частот трех генотипов.
Генотип
Число особей
Частота генотипа
пг
/2 =
АА
= 100
,5
А
Аа
П\ =
_")
N
40
= 0,2
/о
аа
«0 =
«0
60
= 0
,3
Сумма
#=200
1
Такой простейший способ оценки возможен только если
генотипы (АА, Аа, аа) четко проявляются в фенотипе, например, по
цвету лепестков растения (красный, розовый, белый).
Генотипическая структура популяции обозначается (/2,/\,/о).
В данном примере это (0,5, 0,2, 0,3).
М- число особей в выборке и в популяции далее, кроме
оговоренных случаев, будем считать достаточно большим, чтобы не
учитывать ошибок выборочное™. Как перейти от частот
генотипов (/2, /ь /о) к генетической структуре популяций, т. е. к частотам
аллелей (р, а)1
366
Генотип АА в процессе гаметогенеза генерирует только гаметы
с аллелем А. Исходят из того, что для сохранения объема
популяции без отбора в поколениях на одну зиготу приходится по
дне гаметы, всего в выборке растений АА образуется 2л2 гамет с
аллелем А. Генотип Аа генерирует одну гамету А и одну а. Всего
п\ генотипов Аа дают щ гамет Аи щ гамет а; генотип аа — две
гаметы а (2щ гамет а).
При сохранении общего объема популяции в формировании
следующего поколения от N растений участвует 2# гамет. Из них
с аллелем А: 2п2 (от АА) + п\ (от Аа),
с аллелем а: п\ (от Аа) + 2щ (от аа).
Следовательно, частоты р(А) и а(а) в популяции составят:
Р = -
2УУ
N 2Ы
Щ + 2па
2N
"1 "0 1 г г ,
2И N Vх °
Предполагается, что с такими частотами образуются как
материнские, так и отцовские гаметы. При переходе к следующему
поколению эти гаметы соединяются попарно случайным образом.
Таблица вероятностей встречаемости гамет (аллелей) составляется
аналогично решетке Пеннета.
А (р = 0,6)
А(р)
а{д)
^4(^=0,36)
Аа (рд = 0,24)
Аа (/><7 ■
аа (</'
0,24)
0,16)
Частота встречаемости и объединения аллелей и зиготах
следующего поколения пропорциональна произиедепию частот гамет
(р и а). Итак, в следующем поколении генотипическую структуру
популяции обозначаем тремя частотами (/2,/\,./о), которые
равны р2 = 0,36, 2рд = 0,48, а2 = 0,16. В процессе гаметогенеза в
этом поколении частоты аллелей сохранятся: р —/2 + 1/2/1'= 0,6;
ц = 1/2// + То = 1 ~Р = 0,4. Снова, составляя таблицу
встречаемости гамет, замечаем, что в следующем поколении частоты
генотипов также сохраняются.
Значит, такая генотипическая структура (состав) панмиктичес-
кой популяции в поколениях уже не изменится. После первого
скрещивания исходной популяции и далее в поколениях^2{АА) =
= р2',^ (АА) = 2рц;/а (аа) = а2. Частоты же аллелей, в отличие от
частот генотипов, не изменяются с исходного поколения. В этом
состоит закон Харди — Вайнберга, открытый в начале прошлого века.
367

Рис. 11.1. Частота трех генотипов в
зависимости от р — доли аллеля А при
генотипическом равновесии в популяции
( !)
Закон выполняется в
точности, если кроме панмиксии
соблюдены следующие условия:
большой объем популяции,
равная степень отбора гамет с
разными аллелями {А, а) и зигот с
разными генотипами {АА, Аа,
аа), отсутствие мутаций {А -» а,
или а-^> А) и миграции. Далее
будем предполагать, что эти
условия выполнены.
Равновесный состав зависит
только от частоты аллеля А или
а в исходной родительской
популяции, что отображено на
графиках рисунка 11.1.
По этому графику, зная
только частоту р, можно
оценить равновесные частоты всех
трех генотипов. Заметим, что
кч * р> доля гетерозигот в равновесной
панмиктической популяции не может превосходить 0,5. Этот
максимум достигается при частотах аллелей в исходной родительской
популяции р = д = 0,5.
Пример. Пусть доминантный аллель А определяет красную
окраску лепестков, рецессивный а — белую. В равновесной
панмиктической популяции на 10000 растений — только 25 с белыми
цветками, т. е. доля рецессивных гомозигот аа в соответствии с
законом Харди — Вайнберга равна д2 = 25/10000 = 0,0025. Тогда
доли аллелей в этой популяции равны д = 0,05, р = 1 - д = 0,95.
Частоты генотипов АА и Аа, которые по фенотипу не различаются
равны: /2 = р2 = (0,95)2 = 0,9025; /х = 2рд = 0,095, а частота
генотипов аа равнаУо = д2 — 0,0025.
Популяция не бывает бесконечно большой по численности,
кроме того, часто оценки ее структуры осуществляют по
небольшой выборке данных о генотипах. Но соответствие закону Харди —
Вайнберга все же можно проверить так же, как это делалось,
например, при проверках выполнения соотношения Менделя 3:1 —
с помощью обычного критерия у} (хи-квадрат).
Частоты одних генов и генотипов могут существенно
меняться не только в поколениях, но и в пространстве — от популяции
к популяции одного вида. Так, кроме общеизвестных групп
крови, определяемых тремя генами А, В, 0, установлены группы,
зависящие от других локусов. В качестве примера в таблице 11.1
показана изменчивость частот трех групп крови {ММ, МИ, ИИ),
определяемых двумя аллелями (М, М) одного локуса, у
различных народов.
368
11. 1. Частоты генотипов трех групп крови, определяемых сочетаниями аллелей МиЛ,
в различных популяциях людей (ВоиЛ, 1950).
Популяция
Эскимосы
Аборигены
Австралии
Египтяне
Немцы
Китайцы
Нигерийцы
ММ
0,835
0,024
0,278
0,297
0,332
0,301
Генотип
МЫ
0,156
0,304
0,489
0,507
0,486
0,495
NN
0,009
0,672
0,233
0,196
0,182
0,204
Частота аллелей
р{М)
0,913
0,176
0,523
0,550
0,575
0,548
0,087
0,824
0,477
0,450
0,425
0,452
Рассмотрим более сложную ситуацию установления
равновесия, соответствующую закону Харди -^ Вайнберга, за одно
поколение. Предполагается, что перед высевом смешиваются в
соотношении 50 : 50 семена двух популяций одного вида перекрестно-
опыляемой зерновой культуры. Причем р\{А) = 0,6 в первой
популяции отличается от Р2(А) = 0,2 во второй. В этом случае частоты
аллелей в смешанной популяции составят: р= {р\ +р2)/2 = 0,4;
а = (#1 + <72)/2 = 0,6. Для перехода в равновесное состояние по
частотам генотипов в соответствии с законом Харди — Вайнберга
достаточно одного поколения, т. с. в результате свободного
скрещивания растений, выращенных ич этой смеси, завязываются
семена — новая популяция со следующей генотипической структурой:
= 0,16
24
= 0,36
Из приведенных выше данных можно заключить, что
популяция после переопыления должна перейти в равновесное
состояние: будут получены семена АА, Аа, аа с частотами этих генотипов:
(/2,/ь/о) = 0>2 = 0,16, 2М=0,48, <?2 = 0,36).
Популяции раздельнополых организмов. Равновесие при
наследовании, сцепленном с полом, имеет определенные
отличия. У животных и двудомных растений (спаржа, шпинат и др.),
как следует из закона Харди — Вайнберга, равновесное
состояние для гена, сцепленного с полом, выглядит следующим
образом:
369

Мужские растения (ХУ)
Женские растения (XX)
Генотип
Частота
АУ
Р
аУ
д
АА
Р2
Аа
2рд
аа
Я2
Эти соотношения можно использовать, например, для оценки
частот генотипов в мужской и женской частях популяции по доле
фенотипов с рецессивным проявлением признака лишь в одной из
частей (д или д2).
Пример. Предполагаем, что популяция двудомной
культуры находится в равновесии по локусу (А — нормальный аллель,
а — рецессивный мутантный аллель). Фенотипическая структура
популяции следующая:
? (XX)
в (ХУ)
Нормальные растения
Мутанты
2515
2388
Сумма
4
99
2519
2487
Несложно оценить доли мутантного генотипа в мужской и в
женской частях популяции:
/о(?) = 4/2519 = 0,0016 = д2; /0(с?) = 99/2487 = 0,04 = д.
По-видимому, локус находится в половой хромосоме X.
Напомним, что при оценке равновесных частот (по закону
Харди — Вайнберга), кроме прочего, предполагается равная
плодовитость и выживаемость особей с разными генотипами (АА, Аа,
аа — ? и А, а— в).
В отличие от ситуаций, изложенных в предыдущем разделе, по
гену, сцепленному с полом, популяция не переходит в
равновесие за одно поколение свободного скрещивания. Если вначале
частоты аллеля А в мужской и женской частях популяции
различны, то приближение к равновесному состоянию по генетической
(р$ = р$ — р) и по генотипической структуре наступает
постепенно, за ряд поколений. Причем равновесная частота р зависит от
исходных частот в мужской (р°в) и в женской (р® ±р%) частях
популяции следующим образом:
Это связано с тем, что ген, сцепленный с полом, в женской
части популяции содержится в двойной дозе (XX), а в мужской —
только в одной хромосоме X.
370
Пример. Популяция насекомых состоит из мужских и
женских особей с контрастными частотами аллеля А: р% = 1; р® = 0.
Несложно понять, что в результате первого свободного
скрещивания V
А а
А
А А
= + =?
а
генетическая структура женской части популяции потомства
определяется в равной степени частотами аллелей в обеих исходных
1 о 1 о I •
частях р9 = -рч + -р$ = -, д9 = -> а структура мужской части
потомства — генетической структурой только женской части
Рз=Р°=1, д$ =0. Та же закономерность влияния частот аллелей
предыдущего поколения на последующее сохраняется и далее
(рис. 11.2).
Наблюдаются «скачки» частоты аллеля. Например, в женской
части популяции частота рч в поколениях меняется следующим
образом: 1; 0,5; 0,75 и т. д. В мужской части соответственно
частота^: 0; 1; 0,5 и т. д.
з 4
Поколение
Рис. 11.2. Приближение к генетическому равновесию в панмиктической популяции по
одному гену, сцепленному с полом:
1 — частота гена А в женской части популяции; 2 — то же в мужской (Ра1сопег О. С.
1п1годис1юп ш ^иап^^Ш^Vе §епеИс8. — ЕсНпЬигв — Ьопдоп, 1960. — Р. 28)
371

В результате популяция постепенно приближается к
равновесию с единой генетической структурой в обеих частях популяции:
12 1
-хО = - а = - и следующими равновесными частота-
3 3 3 3
ми генотипов.
2
у 3
Мужские растения
Женские растения
Генотип
Частота
АГ
2
3
аУ
1
3
АА
3
Аа
Рассмотрим ситуацию, когда в мужской и женской частях
популяции различаются частоты аллеля А по локусу, находящемуся в
аутосоме (р2и Р\)- После первого свободного скрещивания
частоты генотипов АА, Аа и аа будут: {р\Р2, Р\Чг + РгЧь а\ат), что видно
из данных, приведенных ниже.
Л(РХ)
(д{д2)
Равновесия еще нет. Равновесное состояние с частотой р =
= -^(Р\+Рг) и частотами генотипов р2, 2рд, а2 наступает только
после еще одного скрещивания.
Пример. Скрещиваются мужские растения с рх = 0,3 и
женские с р2 = 0,6. В результате образуется популяция, у которой в
мужской и женской частях структура по аутосомному гену
одинакова ЩАА) =рх хр2 = 0,18;МАа) =ргд2 +РгЧ\ = 0,5Ь ;%{аа) = дхд2 =
= 0,28]. Частота аллеля А в этой популяции: р' = /2 + -/ = 0,45 =
= (0,3 + 0,6)/2. Равновесие по генотипической структуре еще не
достигнуто. Действительно, равновесная доля гомозигот АА по
закону Харди — Вайнберга должна составить (р')2 = 0,2025, что не
равно полученному /2 =0,18. После еще одного скрещивания
популяция переходит в равновесие с частотами генотипов в
обеих частях [/2'= (0,45)2 = 0,2025; //=2x0,45x0,55 = 0,495;
/о'= (0,55)2= 0,3025].
Один локус, число аллелей больше 2. Рассмотрим ситуацию,
когда один аутосомный локус в популяции диплоидных
организмов имеет не два, а более двух аллельных состояний: (А\,
А2, ..., А„), п > 2. Частоты этих аллелей обозначим р{, р2, ..., рп.
В подобных случаях равновесие по частотам всех диплоидных
генотипов вида А(А^1, у = 1...и), так же, как и при двух аллелях,
достигается уже после однократного случайного скрещивания. Равно-
372
иесные частоты для А!А/- определяются формулами: 2р!у.р] при 1ф],
или р? при / =/
Это несложно показать с помощью решетки — таблицы частот
встречаемости аллелей, например, для случая п = 3.
Пример. Пусть частоты шести генотипов в исходной
популяции равны:
/(А.А,) = 0,15; ДАуА2) = 0,1; ДА{А3) = 0,1;
= 0,2;
Тогда частоты гамет с тремя аллелями перед скрещиванием
составят:
Рх{А\) =ДА1А1) + УгДАхАй + УгДАхАъ) = 0,25;
Р2(А2) =/(А2А2) + ЪДАхА2) + УгДА2Аъ) = 0,30;
УгДАхАъ) + УгДА2Аъ) = 0,45.
Построив решетку частот объединения этих гамет, легко
установить, что равновесные частоты, которые обретут
генотипы популяции после первого же случайного скрещивания,
составят:
Г{АхА0 =р2 = 0,0625;/ХМа) = 2Рх хр2 = 0,15;/' (АхА3) = 0,225;
/' (А2А2) = 0,09; /'(А2А3) = 0,27; /\А3А3) = 0,2025.
Несложно доказать, что максимум суммы равновесных долей
всевозможных гетерозиготных генотипов достигается при равных
долях всех аллелей, т. е. при р! = 1/п. Этот максимум равен (п — 1 )/п
и увеличивается, приближаясь к единице по мере возрастания п —
числа аллелей в локусе, т. е. доля различных гетсрозигот
приближается к единице. Например, при п = 5 имеем /?,■ = 0,2, а
суммарная доля равновесных частот всех гетерозигот и популяции
составит 0,8, гомозигот лишь 0,2.
Два локуса с двумя аллелями. Гхли рассмотреть каждый из
двух генов {А — а, В—Ь) отдельно, то, естественно, уже после
первого случайного скрещивания популяция переходит в
равновесие как по частотам генотипов АА, Аа, аа, так и по
частотам БВ, ВЬ, ЬЬ. Однако соотношение долей генотипов ААВВ,
АаВВ, АаВЪ, ..., ааЪЪ будет приближаться к равновесному
постепенно в ряду поколений. Скорость этого приближения зависит
как от начального соотношения частот генотипов, так и от
степени сцепления между локусами А и В. Лишь при полном
сцеплении Аи В (г/=0), четыре комбинации аллелей АВ, АЬ, аВ, аЪ
можно рассматривать как четыре аллеля одного локуса, и
равновесие, естественно, двигается после первого же скрещивания.
Сами равновесные частоты при г/ф 0 зависят только от долей
аллелей рл и рв в исходной популяции. Рассмотрим этот вопрос
подробнее.
373

Обозначим частоты четырех гамет, образующихся в гаметогене-
зе исходной популяции, следующим образом:
Гаметы
Частоты
АВ
АЬ
аВ
аЬ
9т
Сумма
1
Аллель А содержится в гаметах АВ и АЬ. Поэтому частоты этих
двух гамет составляют частоту аллеля А, т. е. Ра = 8н +8ю-
Аналогично рв= &! + #оь Яа = 1 -рА = #01 + 8оа, Чь=\-Рв = &\о + Йю- Эти
частоты аллелей не меняются в ряду поколений. Однако частоты
гамет и генотипов обычно меняются, приближаясь к равновесию.
Обозначим равновесные частоты гамет, к которым в результате
рекомбинации постепенно (в ряду поколений) приближается
популяция #п, §*0, Яш> #оо- Надстрочный индекс е (еаиШЪпит)
означает равновесность. Можно доказать математически, что эти
частоты равны произведениям соответствующих частот аллелей:
Одновременно с частотами гамет частоты генотипов
приближаются к произведениям равновесных частот гамет (табл. 11.2).
11. 2. Равновесные частоты девяти генотипов в панмиктической популяции
при расщеплении по двум локусам с двумя аллелями
вв
вь
ьъ
Сумма
АА
Аа
аа
Сумма
ЪлРШь
А
яУь
1
Например, генотип ААВВ образуется в результате объединения
гамет АВ и АВ. При случайном скрещивании вероятность
объединения этих гамет в потомстве равна произведению их частот
(?цХ|ц). Равновесная частота гаметы АВ равна 8п=РдРв> а
равновесная частота генотипа ААВВ —р\р\.
Как оценить близость популяции к равновесию по двум
локусам в конкретном поколении случайных скрещиваний? Для этого
используют показатель Д называемый неравновесием по сцеплению:
От поколения к поколению Б приближается к нулю, а
популяция — к равновесию.
374
Можно показать, что в поколении с номером п показатель Д,
зависит от двух параметров:
А, = (1-г/)» хО0,
где Д) — показатель Ь в исходной популяции (перед первым случайным
скрещиванием); г/— частота рекомбинации между локусами Аи В.
Из этой формулы следует, что быстрее всего популяция будет
приближаться к равновесию (О = 0) при максимальном значении
( 1 \
/*/=х' т. е. когда сцепления пет. В этом случае Вп- ~ х Аэ-
Пример. Пусть в исходной панмиктической популяции
содержатся два генотипа в ранных долях: ААВВ (0,5); ааЪЪ (0,5).
Сцепления генов нет (/■/= 0,5). Оцепим частоты четырех разных
гамет и девяти генотипои и рочультатс первого панмиктического
скрещивания. Два генотипа и процессе гаметогенеза образуют
гаметы со следующим частотным составом: #п = 0,5; §\о~ 0; й)1 = ®1
^оо = о,5. Показатель Д обозначенный в исходной популяции
1)0 = 0,5x0,5-0x0 = 0,25. В результате скрещивания эти гаметы
случайно объединяются в зиготы и образуются только три
генотипа со следующими частотами: АЛВВ 0,'ц х#п = 0,25); АаВЬ
(2#цХЕоо = О,5); ааЪЪ (ах>хйю~0,25). Эта популяция генерирует
гаметы с частотами #ц = 0,375; хм 0,125; дц - 0,125, яоо - 0,375.
Д = 0,125 = (1-0,5) х 0,25. При случайном объединении гамет
образуются девять генотипов следующего поколения с частотами:
ААВВ (0,14); ААВЬ (0,09), АаВВ (0,04) и т.д. Постепенно
популяция подходит к равновесию со следующими частотами генотипов,
рассчитанными по формулам, приведенным п таблице 11.1 при
вв
вь
ьь
АА
Аа
аа
1/16
2/16
1/16
2/16
4/К)
2/К)
1/16
2/16
1/16
Несложно установить, что показатель О не может быть
больше 0,25 или меньше -0,25. При сцеплении локусов А и В, т. е.
при значениях г/, меньших 0,5, снижение показателя В в
поколениях панмиктического скрещивания, а следовательно, и
приближение к тем же равновесным частотам гамет и генотипов
будет происходить медленнее. Снижение Д,/Дэ в ряду
поколений (и) при двух значениях г/(0,5 и 0,25) представлено на
графиках рисунка 11.3.
■■.'■'■• 375

0,254-
гГ= 0,25
г{= 0,5
Рис. 11.3. Динамика отношения 1)„/Оц в
ряду поколений
Поскольку равновесные
частоты генотипов не зависят от
сцепления, можно обычным
способом по критерию у}
проверить, находится ли
популяция в равновесии. Но по
равновесным частотам генотипов
нельзя узнать насколько
сцеплены локусы Аи В. Это
достигается, например, стандартным
анализом потомства
анализирующего скрещивания двойных
гетерозигот: АаВЬ х ааЪЪ.
При трех и более аллелях в
двух и более локусах
равновесные частоты генотипов также
равны произведению
исходных частот аллелей, входящих в генотипы. Приближение к
равновесию, естественно, происходит медленнее, чем при двух аллелях
двух локусов.
Устойчивое отклонение значения показателя Б от нуля может
быть вызвано отбором, действующим на генотипы комплекса
изучаемых локусов, и другими факторами эволюции.
Обобщая приведенные и более сложные ситуации можно
сделать некоторые выводы. Если на популяцию влияют факторы,
неизменные в поколениях, то раньше или позже наступит
равновесие ее генетической и генотипической структуры. Благодаря
закономерностям популяционной генетики удается заранее
оценить эти частотные структуры и характер приближения к ним в
поколениях. Можно также проверить в эксперименте различные
гипотезы о близости популяции к равновесию или о факторах, его
определяющих.
Отметим, что стабильное равновесие по определенным локу-
сам означает отсутствие эволюционных изменений по ним.
11.2. ИНБРИДИНГ
При инбридинге скрещиваются особи, родство между которыми
в среднем более тесное, чем между особями, случайно взятыми из
той же большой популяции. Например, два растения считаются
родственниками, если они имеют одного (или более) общего
родителя или предка. Сила проявления инбридинга зависит от
степени родства скрещивающихся особей.
Существенное значение имеет систематическое родство
партнеров скрещивания. При чисто случайном скрещивании в
большой популяции родители тоже могут оказаться родственными
376
особями. Но это происходит случайно и не может считаться
инбридингом. Популяционно-генетическое последствие инбридинга —
это прежде всего гомозиготизация, т. е. увеличение долей
гомозигот. Крайняя ситуация — инбридинг, вызванный
самоопылением всех растений популяции. Особый случай — инбридинг,
возникающий в малой по размерам, хотя и скрещивающейся случайно
популяции. Здесь вероятность скрещивания родственников
увеличивается именно вследствие малого числа особей, участвующих
в размножении.
Количественно-генетическое следствие инбридинга и гомози-
готизации — инбредная депрессия, проявляющаяся у растений-
перекрестников и животных. Поэтому стараются избегать
инбридинга используя, в частности, системы самонесовместимости.
11.2.1. АНАЛИЗ ГЕНОТИПИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ПРИ ИНБРИДИНГЕ
При регулярном самоопылении в большой популяции с
исходным генотипическим составом/? (например, 0,25),/] (0,5),
/а (0,25) доли гетерозигот и гомозигот в поколениях
самоопыления изменяются в соответствии с формулами, представленными
в таблице 11.3.
11.3. Влияние самоопыления на динамику частот генотипов для одного локуса
с двумя аллелями
Поколение

самоопыления
Частота генотипов
АА
Аа
Сумма
/о /2 (0,25) /,(0,5) Л (0,25)
I
/, /2+7/1 (С375) 1/,(0,25) /„+]/, (0,375)
(0,4375)
(0,125)
(0,4375)
■ 3
|/, =«(0,5)
377

Итак, при самоопылении частота гетерозигот уменьшается в
2 раза за поколение и приближается к 0, а частоты гомозигот — к
частотам р и д аллелей, входящих в них. Сами частоты аллелей не
меняются в ряду поколений самоопыления.
При любой схеме скрещивания с инбридингом долю
гетерозигот в поколении /популяции удобно обозначать через 2рдх (1 - р(),
где Р, называется коэффициентом инбридинга. Если Р( = 0, то доля
гетерозигот в поколениях неизменна и составляет 2рд (равновесие
по закону Харди — Вайнберга). Если в поколении I коэффициент
инбридинга достиг единицы, то гетерозигот в популяции больше
не осталось (/1 = 0).
При инбридинге снижение доли гетерозигот на 2рдр{ вызывает
увеличение доли каждой из двух гомозигот на рдр(. Поэтому
структура популяции может быть представлена следующим образом:
Генотип
Частота
АА
р2+рдР,
Аа
аа
дг+рдР,.
Интерес представляет величина X, свидетельствующая об
уменьшении доли гетерозигот в двух соседних поколениях {и /+ 1.
2рд(1-Р1) = Т^Г
В зависимости от степени инбридинга значение А, может ме-
1 1
няться от - до 1. При самоопылении X = - и доля гетерозигот
максимально уменьшается в каждом последующем поколении. Из
последней формулы несложно вывести связь Р( с Рт в
следующем поколении самоопыления: Р,+1 = -(\+р,). Отсюда, если,
например, исходный коэффициент Ро = 0, легко получить значения
Р( в последующих поколениях:
0
о
4
15
1б
5
31
32
Используя выражения для частот генотипов в зависимости от Р,
можно прогнозировать генотипическую структуру популяции для
любого поколения с инбридингом. Например, при р = 0,4 и
исходном коэффициенте Ро = 0 прогноз для третьего поколения
самоопыления
378
Ч):
Генотип
Частота
АА
Аа
аа
0,57
У животных и двудомных растений сильнейшими формами
инбридинга служит постоянное скрещивание между сибсами, а
также между родителем (6 или 9) и его потомством (9 или в).
Подобные схемы применимы, в частности, для многолетних культур.
При таких схемах скрещивания X после некоторых колебаний в
поколениях стабилизируется на уровне X = 0,809. Можно доказать,
что после стабилизации доля гетерозигот сокращается
приблизительно в 3 раза медленнее, чем в случае регулярного
самоопыления, т. е. для того же уровня снижения доли /\ нужно в
3 раза меньше поколений самоопыления, чем поколений
скрещивания сибсов.
Самоопыление, естественное для пшеницы, ячменя, овса, риса,
гороха, табака и т.д., применяется также у перекрестников для
получения инбредных линий с целью создания гибридных сортов
или ускоренного вытеснения нежелательного аллеля.
11.2.2. НЕПОЛНОЕ САМООПЫЛЕНИЕ
Большинство культур не являются исключительно
перекрестниками или только самоопылителями. 1хли в каждом поколении
из К-й доли яйцеклеток развиваются семена от перекрестного
опыления, а из доли 1 — К —- семема от самоопыления, то через
несколько поколений достигается равновесие генотипического
состава популяции. В зависимости от А'равновесная доля
гетерозигот находится ближе к 2/?^или к 0. 11оль будет только при 100%-ном
самоопылении (К=0), 2рд при строю перекрестном опылении
(К= 1). Можно показать, что равновесный состав популяции при
определенном Сбудет:
(Л, Л. /о) =
+
- /;), </'
где равновесный коэффициент инбридинга Ре -
Например, при 30%-ном
перекрестном опылении (К= 0,3) Ре = 0,54. Тогда при />"</ = 0,5 оценка
равновесной генотипической структуры, к которой постепенно приблизится популяция:
(Л. Л. /о) = (О,385; 0,23; 0,385).
График зависимости Ре от К немного отклоняется вниз от
прямой линии (рис. 11.4).
Приближение к генотипическому равновесию постепенное.
Предположим, что ранее популяция находилась в равновесии,
например, со структурой (р2, 2рд, д2) или {р, 0, д). С определенного
поколения (/= 0) возникло и сохраняется частичное перекрестное
379

опыление (К> 0). Тогда приближение
к новому равновесному состоянию
характеризуется уравнением изменения Р
при переходе от поколения I к
следующему ({+ 1):
1
Рис. 11.4. Значения равновесного
коэффициента инбридинга в
зависимости от постоянной в
поколениях доли перекрестного
опыления
Например, если К= 0,2 и />= 0,1,
то по формуле получаем: Рг+1 = 0,44,
Р,+ 2~ 0,58 и т. д. Величина Р в ряду
поколений приближается к Ре.
Рассмотрим, как зависит/^ (доля
гетерозигот в равновесной
популяции) от К при # =/? = 0,5 (типичное соотношение/?, #для многих
генетических и селекционных экспериментов).
Анализ представленных ниже данных позволяет сделать
важный вывод: при возникновении незначительной доли
перекрестного опыления у самоопылителя появляется заметная равновесная
доля гетерозигот (/"[ = 0,09 при К=0,1). При аналогичной доле
самоопыления (1 — К= 0,1) у перекрестников снижение
равновесной доли гетерозигот в популяции гораздо меньше [2 /е
= 0,50-0,47 = 0,03].
ес
— /,е =
К
1-Ге
/г
0,01
0,02
0,01
0,10
0,18
0,09
0,50
0,67
0,33
0,90
0,95
0,47
0,99
0,995
0,4975
1
1
0,5
Скорость приближения популяции к равновесному состоянию
{Р, к Ре) в двух описанных случаях тоже различна. Известно, что
доля самоопыления может меняться в зависимости от внешних
условий. Например, в Дагестане на побережье Каспийского моря
степень перекрестного опыления такого типичного самоопылителя,
как озимая пшеница, может достигать нескольких процентов.
Пусть, например, смесь чистых линий ААи аа самоопылителя
{К— 0, Р(= 1), начиная с поколения /, высевали в стрессовых
условиях внешней среды, где степень перекрестного опыления равна
10 % (К= 0,1). Тогда, используя ранее приведенную формулу для
еще
Р1+ |, получаем: /^+1 = (1—АГ)х 1—-(1—1) =0,9. До равновесия
довольно далеко: Ре= (1 -0,1)/(1 + 0,1) = 0,818. |О,818-О,9| =
= 0,082. Если же у перекрестноопыляемой равновесной популя-
380
ции (К= 1, Р(= 0), начиная с / сохраняется частичное 10%-ное
самоопыление (К= 0,9), то в следующем поколении Р{+1 = 0,1 х [1 —
— -(1 — 0)] = 0,05. Это значительно ближе к равновесию.
Действительно: Ре= (1 - 0,9)/(1 + 0,9) = 0,053. |0,053 -0,05| = 0,003.
Эти несложные примеры расчетов показывают, каким образом
популяционно-генетический анализ позволяет без проведения
длительных экспериментов прогнозировать и, возможно,
оптимизировать последствия воздействия инбридинга на структуру
популяции.
11.3. НАСЫЩАЮЩИЕ СКРЕЩИВАНИЯ
Проанализируем динамику структуры популяции,
возникающей при насыщающих скрещипапиях в конкретных ситуациях.
Иногда желательно улучшить к целом хороший генотип
самоопыляющейся культуры (например, сорт пшеницы) по одному
признаку, определяемому небольшим числом генов. Например,
если устойчивость или восприимчивость к заболеванию зависит от
аллельного состояния одною локуса Л (а). Так, устойчивость к
определенной расе стеблевой ржапчипы у пшеницы может
определяться единственным доминантным геном.
Желательный аллель устойчивости можно передать сорту от
другого генотипа, скрестив сорт с чтим донором. По остальным
локусам, естественно, следует сохранить аллели исходного
улучшаемого сорта. Вытеснение всех нежелательных аллелей донора
происходит в результате многократных вошрмтпых скрещиваний с
улучшаемым сортом. Рассмотрим процесс насыщения в
простейшей ситуации, когда отборы по нежелательным аллелям донора
после скрещиваний не проводятся, но осуществляется браковка
генотипов аа, восприимчивых к заболеванию.
Как быстро удается вытеснить один ич нежелательных
аллелей донора В2, если улучшаемый родитель песет в лом локусе
аллель Въ а степень сцепления с локусом Л (а) равна г/1
Доминантный аллель устойчивости А (у донора), рецессивный аллель
восприимчивости а (у сорта).
Схема скрещивания улучшаемого сорта с донором:
Сорт Донор
аВ\ ,. ■ 4 . ■ ■
аВ1 АВ2
—-х—-■
аВх АВ2
АВ2
Последний генотип при цветении формирует гаметы аВи аВ2,
с частотами
1-г/ г/ г/ \~г/
2 ' 2' 2'
мирует только один тип гамет аВ{.
■ Улучшаемый сорт фор-
381

В результате первого возвратного (насыщающего)
скрещивания с сортом получаем популяцию растений со следующими
частотами:
Генотип
Частота
яВ,
1-г/
2
аВ2
~аЩ
г/
Т
АВХ
г/
Т
щ
~аВ[
1-г,
После отбора растений, направленного против рецессивного
аллеля а (аа — фенотипически должны проявляться как
восприимчивые к заболеванию), остается популяция из двух генотипов:
Генотип
Частота
аВх
г/
АВо
1-г/
Растения этой популяции снова скрещивают с сортом,
проводят браковку генотипов аа. В результате доля генотипа АаВ\В2
с нежелательным аллелем В2 сократится до (1 — г/)2 и т. д. После
{возвратных скрещиваний с браковками аа в популяции все еще
будут генотипы АаВ\В2. Несложно понять, что их доля составит
(1 — г/)1. Она существенно зависит как от /, так и от г/, что
отражено на графиках рисунка 11.5.
При полном сцеплении локусов А я В (/•/= 0) вытеснение В2
происходить не будет, а при отсутствии сцепления (/•/= 0,5) оно
пойдет с максимальной скоростью. Например, после четырех
возвратных скрещиваний с браковкой при г/= 0,5 доля (1 — г/)4
составит всего 6 %. Следовательно, доля желательного генотипа АаВ\Вх
в популяции, равная 1 — (1 — г/)4, достигнет 94 %.
Отметим, что для получения только гомозиготного генотипа
АВХ
АВ,
можно провести ряд са-
Рис. 11.5. Остаточные доли
нежелательного генотипа АаВ1 В2 в зависимости от числа
насыщающих скрещиваний с браковкой
382
моопылений получаемой
популяции (после I скрещиваний
и отборов) с последующими
браковками аа. Отдельную
проблему, решаемую с
помощью моделей популяционнои
генетики, составляет
определение оптимальных
последовательностей из возвратных
скрещиваний и самоопылений.
Рассмотрим не один
желательный аллель Вх
родительского сорта, а к локусов и желательных аллелей {В\, С\, Б\, ...,
частоты рекомбинации с локусом А: г/и г/2, г/т,, ..., г/^ —
соответственно). Тогда в соответствии с теорией вероятности доля
желательного генотипа
А В, С, Д ...
о 5, С,/),...
\
после I насыщающих скрещиваний и браковок аа составит
П 1~(1"~ГЛ) > где II — знак умножения. Эта доля всегда мень-
ше, чем для одного локуса В. Например, после пяти насыщающих
скрещиваний (/ = 5) при г/у- 0,5 для любого } (нет сцепления)
для восьми локусов (к = 8) доля желательного генотипа составит
[1 — (1 — 0,5)5]8 = 0,77, при к = 16 — приблизительно 0,6. Если же
провести еще одно (шестое) насыщающее скрещивание с
браковкой аа, то при к= 8 доля поднимается до 0,88, а при к= 16
соответственно до 0,77.
Из изложенного можно сделать следующий вывод. Если
улучшаемый сорт и донор различаются по многим локусам, то пяти
скрещиваний недостаточно. Последующие насыщающие
скрещивания обеспечат существенное увеличение доли желательных
генотипов. Отметим, что на практике после каждого насыщающего
скрещивания часто не только ведут отбор против г/г/, по и бракуют
растения, несходные по фенотипу с улучшаемым сортом (отбор
против В2, С2, В2, ..., если они проявляются в фенотипе гстеро-
зигот). В результате доля желательных генотипов возрастает
быстрее, чем можно ожидать из приведенных выше оценок,
т. е. П [1 — (1 — г/])'] — это нижний предел частоты
желательных генотипов. Следует отметить, что эти оценки -
упрощенные, поскольку в них не учитывается сцепление между локусами
В, С, О и т. д.
Приведенные схемы относятся к простейшим. Разработанные
методы популяционнои генетики позволяют исследовать и
подбирать более сложные варианты схем с беккроссами для решения
конкретных задач генетики и селекции.
11.4. АССОРТАТИВНОЕ СКРЕЩИВАНИЕ
Скрещивание называется ассортагпшным, если родительские
пары состоят из особей, более похожих одна на другую, чем
случайные особи популяции. Пары можно подбирать по
определенным признакам (например, окраске побегов, длине стебля, цвету
оперения птицы и т. п.), проявляющимся до скрещивания.
Следствием ассортативного скрещивания является гомозиготизация
■;' ,' ' 383

основных локусов, влияющих на признак, оцениваемый для
подбора пар, и, возможно, гомозиготизация локусов, сцепленных с
основными. Если признак селективно нейтрален, то, как
показывает опыт, инбредная депрессия у животных и перекрестно
опыляемых растений обычно не проявляется. Дело в том, что
депрессия связана с гомозиготизацией всех локусов, в том числе
и селекционно важных, влияющих на жизнеспособность, фер-
тильность и т. п.
Распределение родительских особей по классам сходных
фенотипов зависит от признака. Классификация по качественным
признакам, определяемым обычно малым числом локусов и аллелей,
приводит к объединению в пары как фенотипически, так и гено-
типически более сходных особей (красные и белые цветки). При
учете количественного признака с непрерывной изменчивостью
(например, длины соломины), обусловленной большим числом
генов, и со средовыми модификациями четкий подбор пар по
генотипам невозможен. В общем, процесс гомозиготизации в
результате ассортативного скрещивания существенно зависит от
схемы наследования и вида распределения признака в популяции.
11.4.1. АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ ПОПУЛЯЦИИ ПРИ АССОРТАТИВНОМ
СКРЕЩИВАНИИ. ИЗОМЕРНЫЕ (ПОЛИМЕРНЫЕ) ЛОКУСЫ
Рассмотрим простейший случай: при одном локусе с
промежуточным наследованием растения четко различаются по фенотипу:
А\А\ — с красными цветками, АХА2 — с розовыми, А2А2 — с
белыми. Тогда при регулярном ассортативном скрещивании процесс
гомозиготизации по локусу А у перекрестников происходит также
быстро, как при самоопылении. Это объясняется тем, что в случае
промежуточного наследования признака подбор пар приводит
только к таким скрещиваниям: А\А\ хА\А\, А\А2 хА\А2, А2А2хА2А2.
При двудомности ситуация аналогична.
Если же схема наследования — полное доминирование
(красные цветки А—, белые аа), то подбор пар приводит к
скрещиванию особей, принадлежащих только к двум фенотипическим
классам: А— хА—, аа х аа. Можно показать, что в этом случае р —
исходная частота аллеля А — не изменяется в ряду поколений
ассортативного скрещивания, а/К/) — доля гетерозигот Аа —
меняется в ряду поколений / следующим образом:
/(0=
где /( — доля гетерозигот Аа в исходной популяции.
По мере увеличения /доля/1(/) приближается к нулю, т. е.
происходит постепенная гомозиготизация популяции, причем ее ге-
384 ■:*-■ ■ ■ ^
потипический состав приближается к следующей структуре:
(У 2 ~Р> У7 = 0, /о =#)- Возникает та же структура, что и при
инбридинге, например, связанном с принудительным самоопылением
(см. табл. 11.3). Но динамика структуры при ассортативном
скрещивании в ряду поколений отличается от других схем с
инбридингом. Например, при р = — и исходной доле гетерозигот Аа, равной
50 % (У! = 0,5), из приведенных выше формул следует:
ЛИ)
1-3
0,667
0,75
0,8
0,833
0,857 0,875
При I > 3 значение X, соответствующее такому ассортативному
скрещиванию, больше X = 0,809 при скрещивании сибсов, т. е.
далее, после 3-го поколения ассортативного скрещивания,
гомозиготизация пойдет медленнее, чем при скрещивании сибсов и,
естественно, значительно медленнее, чем при самоопылении, где X = 0,5.
Изомерные (полимерные) локусы. Рассмотрим особо аддитивное
наследование величины (проявления) признака с ранными
вкладами аллелей А и В каждого из двух локусои, т. с. степень
проявления признака в фенотипе пропорциональна числу (дозе) генов
А и В в генотипе особи. Если пег влияния модификационной
изменчивости на фенотипическое проявление признака, то особи
различаются по пяти фенотипическим классам, указанным ниже:
Генотипы
одного
класса
ааЬЬ
АаЬЬ
ааВЪ
ААЬЬ
АаВЬ
ааВВ
ААВЬ
АаВВ
ААВВ
Доза алле- [ОН Ш« =ЧЯГ ==Ш] Й41
лей А и В € Л У
Скрещивания ведут свободно лишь между генотипами,
принадлежащими к одному классу. В приведенной выше таблице
стрелками указаны направления, куда в результате расщепления
могут «переходить» определенные доли потомства таких
скрещиваний. Нетрудно понять, что если, например, исходить из одного
генотипа АаВЬ, то в поздних поколениях останутся только два
«тупиковых» генотипа — класса скрещивания ааЬЬ и ААВВ.
Из этих классов нет перехода в другие, а в эти классы переходы
есть. Такое явление называется центробежной силой
ассортативного скрещивания, поскольку в результате остаются генотипы с
крайними выражениями признака.
385

Отметим, что при обычном самоопылении потомства генотипа
АаВЬ в поздних поколениях получим не два, а четыре генотипа
ааЪЬ, ааВВ, АЛЪЬ и ААВВ, т. е. при продолжительном
самоопылении такая центробежная сила не проявляется.
Изменчивость некоторых количественных признаков, по
которым происходит спонтанный подбор пар при скрещивании,
определяются несколькими локусами со схемой наследования близкой
к полимерной. Типичной ситуацией спонтанного ассортативного
скрещивания у перекрестноопыляемых культур (например, у
некоторых трав) является скрещивание раннецветущих растений с
раннецветущими и позднецветущих с позднецветущими. Однако,
во-первых, при этом из популяции элиминируют очень
раннецветущие и очень позднецветущие генотипы, поскольку они не
обеспечивают достаточное завязывание семян. Во-вторых,
невозможно четко отнести особи к конкретным генотипическим классам по
такому типично количественному признаку, как время цветения,
прежде всего из-за модификационной изменчивости. В результате
при скрещивании «внутри» раннецветущих или позднецветущих
постоянно выщепляются и сохраняются растения — потомки со
средним временем цветения. Поэтому при таком подборе пар по
количественному признаку центробежного эффекта обычно не
наблюдается.
11.4.2. ДИЗАССОРТАТИВНОЕ СКРЕЩИВАНИЕ
(ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ АССОРТАТИВНОЕ СКРЕЩИВАНИЕ)
В этих ситуациях скрещиваются особи, которые менее сходны
по определенному признаку, чем произвольные особи популяции.
Одна из естественных причин такого скрещивания — гетерости-
лия у цветковых растений, при которой особи с доминантным
проявлением признака (Аа, АА — короткопестичные, причем
АА — маложизнеспособные) скрещиваются только с
рецессивными особями {аа — длиннопестичные). Возможные скрещивания:
аа х АА (редко) и аах Аа. Если в исходном поколении есть
генотип АА, то начиная со следующего поколения останутся только
Аа и аа. При дальнейшем скрещивании они дадут равновесное
расщепление /2 = 0, /х = —, /0 = — , поскольку АА
маложизнеспособны. У гречихи, например, соответствующие аллели обозначают
Ь, I (вместо А, а).
Дизассортативное скрещивание фактически имеет место во
всех раздельнополых популяциях, в частности и у растений: если
отождествить аллель а с целой ЛГ-хромосомой, аллель А с Г-хромо-
386
сомой, то в популяции происходит скрещивание типа ХХхХУ.
В результате возникает равновесное соотношение двух
генотипов XX и ХУ. К дизассортативному можно отнести также
скрещивание между особями с крайними проявлениями признака. При
этом популяция становится генотипически и фенотипически
более однородной (центростремительная сила дизассортативного
скрещивания). Например:
ааЬЬ х ААВВ
Низкое растение I Высокое растение
АаВЬ — Среднее по высоте растение
Искусственное дизассортативное скрещивание
раннецветущих с позднецветущими растениями препятствует смещению
популяции к крайним срокам цветения. В качестве другого
примера можно привести скрещивание двух сортов, дополняющих
один другой по некоторым признакам. Здесь также можно
говорить об аутбридинге.
11.5. СЛУЧАЙНЫЕ КОЛЕБАНИЯ ЧАСТОТЫ ГЕНОВ
(ГЕНЕТИЧЕСКИЙ ДРЕЙФ)
В предыдущих разделах предполагалось, что в популяции
бесконечно много особей {Ы -*°°), поэтому все модели генетических
процессов в популяциях были детерминистическими, т.е.
основанными на законе больших чисел, известном из теории
вероятностей. На практике объем популяции всегда ограничен. По мере
уменьшения N усиливается роль генетического дрейфа — чисто
случайных колебаний частот генов и генотипов. Дрейф особенно
существенен, если учесть, что на формирование структуры
популяции в следующем поколении по разным причинам обычно
влияют не все члены популяции N, а только та ее часть, которая
участвует в размножении (УУе < Л). Nе называют эффективной
численностью популяции.
В экспериментах с различными биологическими
объектами фиксировали существенное влияние дрейфа. Так, в
многократно повторенном эксперименте с мучным хрущом меняли
только Ие — эффективную численность популяции,
поддерживая ее постоянной в поколениях; ^ь — исходная частота му-
тантного гена Ыаск была всегда 0,5 (рис. 11.6). Постоянно
наблюдалась четкая тенденция увеличения рв — доли нормаль-
387

1,0 г
I
10
Поколения
Рис. 11.6. Динамика частот аллелей гена Ыаск в популяциях разного размера (Щ = 10
и Л^ = 100) мучного хруща (ТпдоНит сеШапеит) (Кайданов Л. 3. Генетика популяций. —
М., 1996. - С. 102)
ного аллеля в ряду поколений. Однако случайные колебания
этой доли были значительно более заметны при меньших
значениях Ые.
11.5.1. КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ОЦЕНКИ ГЕНЕТИЧЕСКОГО ДРЕЙФА
Рассмотрим пример. Для высева случайно выбирают 10 семян
(Ме = 10) из большой популяции со следующим генотипическим
составом: /2(АЛ) = 0,8; /1 (Аа) = 0,1; /о(аа) = 0,1. В этом случае
существует определенная вероятность того, что в следующем
поколении популяция будет иметь генотипическую структуру (1, 0, 0),
т. е. случайно отобрали все 10 семян с генотипом АА. Ей
соответствует генетическая структура р'(А) = 1, #'(я) = 0. Вероятность
такого рода случайного события равна (0,8)10 = 0,11. Нельзя
пренебречь вероятностью этого крайнего исхода, при котором в
последующих поколениях структура уже не может измениться
(фиксация аллеля А). Если фиксация одного из аллелей не произошла в
первом поколении, то при ограниченном объеме популяции она
может произойти в одном из последующих поколений.
388
Рис. 11.7. Прибор Гальтона при начальной
частоте аллеля а, равной 0,6, и конечной, равной 0
(Рокицкий П. Ф. Введение в статистическую
генетику. — Минск, 1974. — С. 163)
Традиционной физической
моделью подобных процессов
является прибор Гальтона (рис. 11.7). В
зависимости от начального
положения шарика на кромке наклонной
доски (аналог исходной частоты д0
аллеля а) он, ударяясь о ряды шты-
Желобки
рей (поколения популяции), может рано или поздно с разной
вероятностью (Р) упасть в правый (Р = ^0) или в левый (Р = рц = 1 — до)
боковой желобок. Это и будет означать фиксацию в популяции
либо аллеля а (потеря А), либо А (потеря а).
Потеря аллелей приводит к исчезновению гетерозигот в
некоторых локусах, популяция становится более гомозиготной.
Эффект гомозиготизации усиливается также из-за увеличения
вероятности самоопыления для свободно опыляющихся
культур. Например, если Ые = 2, то вероятность самоопыления
растений равна 0,5. Это соответствует частичному или полному
инбридингу и может приводить к инбредной депрессии.
Напомним, что для оценки снижения средней доли гетерозигот
(/"[) в (и + 1) поколении по сравнению с и-м используют
параметр Х=/у(п+ I)//!(«). Величина (1-Х) характеризует
исчезнувшую за одно поколение долю гетерозигот, а также
вероятность фиксации в (п+\)-м поколении одного из аллелей в
результате дрейфа [снов. А. зависит как от №,,, так и от способа
размножения.
В общем случае структура следующего поколения по чисто
случайным причинам несколько отличается от структуры
предыдущего. Если значение /V,, велико, то случайным дрейфом за одно
поколение можно пренебречь. Например, если для высева
отбираем не 10, а 100 семян, то вероятность фиксации аллеля А за одно
поколение ничтожно мала — (0,8)|(Х|.
11.5.2. СПОСОБ СКРЕЩИВАНИЯ, ОБЪЕМ ПОПУЛЯЦИИ
И ФИКСАЦИЯ АЛЛЕЛЕЙ
Оценим вероятность фиксации одного из двух аллелей в
следующем поколении в зависимости от ожидаемых частот трех
генотипов при двух способах опыления (табл. 11.4).
389

11.4. Ожидаемая генотипическая структура популяции после самоопыления
или случайного скрещивания при одинаковой исходной структуре
Генотип
АА
Аа
Исходная структура популяции
Ожидаемое потомство при Л^-> <*>:
после самоопыления
после случайного скрещивания
1
4
3
8
1
4
1
2
1
4
1
2
1
4
3
8
1
4
Вероятность фиксации аллеля А в следующем поколении после
самоопыления и случайного отбора четырех семян (Л^ = 4) равна
(з)4 (314
- • Аналогично для аллеля а — - • Значит, вероятность фик-
(3)
сации одного из двух аллелей— 2 - =0,04(4%). После слу-
т4
чайного опыления при 7Уе = 4: 2 — = 0,01 (1 %), т. е; в 4 раза
меньше. При Ие > 30 вероятность фиксации обычно не учитывают, но
только за одно-два поколения.
Можно показать, что зависимость X от УУе для популяции пере-
крестноопыляемых растений или животных выражается
следующим образом:
Это значит, что ожидаемая доля гетерозигот Аа в популяции
эффективной численностью Щ за одно поколение случайного
скрещивания сокращается до величины
1
2рдхХ = 2рд\1-
Эта доля меньше, чем 2рд (при бесконечно большой
популяции), на РЧ~^г- Чем меньше численность (чем уже доска на
рис. 11.7), тем сильнее влияние дрейфа генов и, в частности,
ожидаемое снижение доли гетерозигот. Аналогичные процессы
протекают по всем полиморфным локусам. В оценках меняются лишь
частоты р и #, поскольку эффективная численность Ме одинакова
по локусам.
390
-' При N,,= 1 значение X минимально и равно 0,5; при Ые = 2
оно равно 0,75; при Л^е = 3 — 0,875 и т. д.
Среднее (ожидаемое) уменьшение доли гетерозигот за
поколение удобнее характеризовать величиной 1—X = —— , график
которой представлен на рисунке 11.8. '
Если ЛГе(/) меняется от поколения к поколению (/— номер
поколения), то за п поколений доля гетерозигот Аа уменьшается от
исходного значения 2/>о<7о в среднем до 2р0д0Х', где
X'- А,|хЯ.2хА3х...хА,„-Д 1 .г
В частности, при равенстве эффективных численностей
через п поколений ожидаемая доля гетерозиготна снизится с 2/>о<7о
до величины
1 У
2И.
Величина, стоящая в скобках, меньше единицы. Отсюда
следует, что в любой конечной ианмиктической популяции при
увеличении п — числа поколений (увеличение рядов штырей на
рисунке 11.7) доля гетерозигот стремится к нулю. Значит, чем большее
число поколений учитываете», тем больше вероятность фиксации
одного из аллелей (Л или а) и популяции: рано или поздно такая
фиксация произойдет. Вероятности фиксации аллеля Л или а, как
уже отмечалось на рисунке 11.7, не раины, поскольку они зависят
от исходных частот этих аллелей и популяции.
Следует подчеркнуть, что для прогноза влиянии дрейфа генов
на структуру популяции в следующем поколении достаточно знать
только Иепредыдущего, а также частоты р и а и нем. Более ранние
поколения можно не учитывать.
Пример. Для поддержания
сорта перекрестноопыляемой культуры
высевают в каждом поколении 50
растений. По разным причинам в двух
из десяти поколений пересева
удалось сохранить лишь по пять
растений. Есть ли смысл пытаться
компенсировать опасное обеднение гсте-
0,25-4-
Рис. 11.8. Ожидаемое снижение доли гетерозигот
за одно поколение в зависимости от
эффективной численности популяции
0,125-4-

розиготами этого сорта после каждого поколения с Ме~5,
например, высевая в следующем и сохраняя до уборки по 200
вместо 50 растений? Для ответа достаточно оценить параметр X' за
десять поколений.
Без компенсации: Я'=П 1—
= 1 1—-
1
2x50
X 1--
С компенсацией: ^' = П 1 ~
1|
= 1-
2x5
х 1-
=0,75.
2x50
Ясно, что такая компенсация практически ничего не даст:
потеря долей гетерозигот составит в среднем 24—25 % исходной
численности. Причина в том, что в любом поколении с малой
эффективной численностью (Л^ = 5) частотная структура популяции
может существенно исказиться, в частности из-за фиксации аллелей
в некоторых исходно полиморфных локусах. Следующее
поколение, независимо от его эффективной численности, будет
«исходить» из этой искаженной структуры.
Повлияет ли за десять поколений дрейф генов на частотную
структуру сорта-перекрестника, если эффективная численность
постоянна: N„ = 501
1
= 1-
1
2x50
= 0,9.
Это означает, что сокращение долей гетерозигот, среднее по
всем полиморфным локусам сорта, за десять поколений составит
10 % по сравнению с исходными долями. Следовательно, даже без
резкого снижения Ые влияние дрейфа может несколько ухудшить
свойства сорта-популяции.
Приведенные оценки ожидаемых долей гетерозигот касались
перекрестноопыляемых растений. При самоопылении объем Ые
влияет на вероятность фиксации, но не влияет на среднюю
(ожидаемую) долю гетерозигот, так как степень гомозиготизации при
самоопылении максимальна.
Для животных или двудомных растений при различном числе
матерей (Щ) и отцов (А^), участвующих в формировании
следующего поколения популяции, эффективная численность Ые и
параметр А, определяются по следующим формулам:
392
2Ме
_, 1(
2
Л; при
(или Л^
N
N$ =
при
1
Щ =
1)
1
2
\ •* Другими словами, в этой популяции ожидаемое снижение доли
гетерозигот, вероятность фиксации аллелей и степень инбридинга
соответствуют тем же эффектам дрейфа генов в популяции с
Му =N^=0,5^. Отсюда следует, что при фиксированной
суммарной численности отцов и матерей (Л^= Щ + Л^) эффективная
численность популяции Nе максимальна, если Ж5 = Л^. Именно в
этом случае влияние генетического дрейфа на структуру
популяции минимально. Поэтому наибольшее увеличение эффективной
численности наблюдается при возрастании численности особей
того пола, который находится в меньшинстве.
В крайних ситуациях, когда число матерей #$ = 1 (в селекции
растений при семейном отборе — сохранение семян только с
одного растения) или число отцов Л^ = 1 (в животноводстве — один
бык на все стадо) эффективная численность популяции 2 < Ме < 4.
Это следует из приведенной формулы Ие, проиллюстрированной
представленными ниже данными.
2 4 8 16 32 64 128
2,7 3,2 3,6 3,8 3,9 3,93 3,97
Эти выводы важны для генетики и селекции, в частности при
решении проблем сохранения и воссоздания биологического
разнообразия редких видов, для поддержания генетически
полноценной структуры популяций диких животных, содержащихся в
неволе и т. д.
Дрейф генов важен также в теории эволюции: он считается
элементарным фактором эволюции наряду с отбором,
мутациями и т.д. Для такой оценки оси. веские причины. 15 нескольких
последовательных поколениях с малой чиелишосп.ю частотная
структура природной популяции может ре жо измениться вплоть
до фиксации редких аллелей или их сочетаний (эффект
«бутылочного горлышка»). Кроме того, но современным представлениям,
многие локусы почти не испытывают влияния естественного
отбора. Для них тенденции изменения частотной структуры
определяются в основном дрейфом генов и мутациями (концепция
«нейтральной эволюции»).
11.6. ОТБОР ПО КАЧЕСТВЕННЫМ ПРИЗНАКАМ
Проанализируем влияние отбора на структуру популяции,
когда некоторые генотипы имеют потомство, а у других его нет
(искусственный или полный отбор), или когда некоторые генотипы
. ■ .:■:. '•^■- „ 393

дают более многочисленное потомство, чем другие {естественный,
чаще неполный отбор). Далее предполагаем, что в популяции
изменчивость анализируемого признака, по которому ведется отбор,
определяется малым числом генов (1—2) и модификационная
изменчивость слабо влияет на фенотипическое проявление
генотипа. Это типичная ситуация отбора по качественному признаку
(пример приведен ниже).
Генотип
Искусственный отбор
Естественный отбор
АА (норма)
100
100
Среднее число потомков
Аа (норма)
100
100
аа (карлик)
0
80
В отличие от большинства рассмотренных ранее ситуаций, при
отборе в ряду поколений закономерно меняются частоты не
только генотипов, но и аллелей.
11.6.1.МАССОВЫЙ ОТБОР ПРОТИВ РЕЦЕССИВНОГО АЛЛЕЛЯ 3
Исходная равновесная популяция перекрестников, в которой
еще не проводился отбор, имеет следующую генотипическую
структуру:/2=Ро,/х = 2р0д0,/0 = д\. Если признак проявляется на
ранних этапах и растения аа удаляются еще до цветения, они не
продуцируют гамет. Например, доминантный аллель /// может
определять короткостебельность у ржи. Для селекции на короткосте-
бельность такого типа проводят массовый отбор против аллеля Ы —
браковка до цветения рецессивных гомозигот ЫЫ, имеющих
длинный стебель.
После браковки растений аа (их доля /0) структура популяции
( { { Л ( г? 2п а Л
изменяется: /2" = 2 ; /|' = - ; /О' = О или ; ° °; 0 ;
I 1-/0 1-/0 ) 1 1-/о 1-/о
Новая частота гамет с аллелем а в период цветения равна:
91 /о 2Д 2"1
1-д20
Далее, после цветения, случайного скрещивания и уборки
получаем потомство со структурой (р\, 2р^, д\). После нового
высева и отбора до цветения получаем в потомстве
394
к После л циклов отбора частота рецессивного аллеля (^„) сни-
Яо
зится по отношению к ^0; Чп ~1~^—"•
Изменение д в результате однократного отбора (эффективность
отбора) составит:
При значении дп, близком к единице, Ад приблизительно равно
—0,5. При значении дп, близком к нулю (например 0,01), Ад
составит приблизительно -дп2 (—0,0001). Значит, эффективность отбора
(Ад) сокращается по мерс приближения частоты аллеля а к нулю,
что обязательно происходит в ряду поколений отбора против а.
На графиках рисунка 11.9 представлена динамика долей
аллеля а, остающихся в популяции в ряду поколений, при разных
значениях исходной частоты д0 (0,8, 0,5 или 0,2). После 5—6-го
поколения дальнейший прогресс почти не наблюдается, несмотря на
продолжающуюся браковку всех растений аа. Массовый отбор
эффективен только при больших значениях д.
Пример. Оцепим число поколений массового отбора до
цветения против рецессивного аллеля а необходимых, чтобы его
оставшаяся доля д' в популяции перекрестников уменьшилась
вдвое по сравнению с исходной д0. Из полученных выше оценок
д'=—^— = 0,5оГ). Отсюда п = — Следовательно, при <7О = О,5 не-
обходимо лишь два поколения отбора: п = 2; при д$ = 0,01
получаем п = 100: схема отбора становится абсолютно неэффективной.
Полное удаление аллеля а мри описанной схеме массового
отбора возможно теоретически только при п > •». 11ричипа снижения
прогресса при малых значениях д„ в том, что основная доля ал-
Яп
1,0--
0 12 34567 89 10 л
Рис. 11.9. Доли аллеля а, оставшиеся после л поколений отбора
395

леля а находится в гетерозиготах Аа, не проявляется в фенотипе
и сохраняется после отбора. Действительно, в каждом поколении
с номером п до отбора существует равновесие (р%, 1рпдп, о^).
Доля аллеля а в гетерозиготах Аа равна у х2а,<7л - РпЧп. Лишь
значительно меньшая доля этого аллеля, численно равная д^,
содержится в гомозиготах аа, удаляемых из популяции при отборе.
Например, при дп = 0,01, рп = 0,99 отношение
т. е. недоступная отбору доля аллеля а в гетерозиготах Аа
приблизительно в 100 раз больше, чем удаляемая доля а в
гомозиготах аа.
Этот результат весьма важен не только для селекции, но и,
например, в медицинской генетике для правильной оценки
соотношения больных (гомозиготы) и носителей (гетерозиготы) редкого
рецессивного аллеля наследственного заболевания.
Отбор до и после цветения. Если у растений-перекрестников
признак проявляется не до, а только после цветения (например,
признаки, связанные с продуктивностью у ржи, некоторые
болезни и т. п.), то эффективность массового отбора против
рецессивного аллеля а значительно снижена. Фенотипически проявляются
и удаляются лишь материнские растения аа — семена с них не
собираются. Но еще до отбора растения аа продуцируют
пыльцу, которая участвует в оплодотворении яйцеклеток популяции.
Можно доказать, что частота аллеля а в семенах-потомках (до
очередной браковки материнских растений) за одно поколение
изменяется на величину
Следовательно, эффективность (Ад) при однократном
отборе после цветения в 2 раза ниже, чем при отборе до цветения, где
Ад = —. Это естественно, так как в первом варианте бракуют
только материнские растения аа (отцовские с генотипом аа
продуцируют пыльцу). Соответственно доля желательных растений
АА увеличивается медленнее, чем при отборе до цветения.
Исходя, например, из соотношения р0 = % = -~ , можно
составить таблицу 11.5, где сопоставлена эффективность отбора до и
после цветения.
396
11.5. Снижение долей нежелательного аллеля а в ряду поколений отбора
п
Отбор до цветения
Ч.
Отбор после цветения
Як
0
1
2
3
4
5
0,500
0,333
0,250
0,200
0,167
0,143
-0,167
-0,083
-0,050
-0,033
-0,024
0,500
0,417
0,358
0,313
0,276
0,247
-0,083
-0,058
-0,046
-0,036
-0,029
20
0,045
-0,002
0,091
-0,004
То же отображает график зависимости дп от п (рис. 11.10).
Для ускорения и повышения эффективности отбора против
рецессивного аллеля а естественно проводить принудительное
опыление растений. В результате гетерозиготы Аа, которые при
малых значениях ц содержат основную долю аллеля а, быстро
расщепятся на желательные генотипы АА и бракуемые по
фенотипу растения аа. Надежнее браковать целые семьи —
потомки растений Аа, проявивших расщепление при
самоопылении. Однако принудительное самоопыление у
перекрестников вызывает инбредную депрессию, связанную с гомози-
готизацией многих локусоп. Полому для перекрестно
опыляемых растений, а также для жинотпых применяют
специальные схемы скрещиваний и отборов, более эффективные,
чем массовый отбор, но не высыпающие инбредной
депрессии, например, так называемый семейный отбор полных сибсов
или полусибсов.
Рис. 11.10. Динамика вытеснения
нежелательного аллеля а в ряду
поколений:
1 — отбор до цветения; 2 — отбор после
цветения
01234 5 6 7 8 9 10 п
397

Ли ЛЛ7 ЕСТЕСТВЕННЫЙ ОТБОР
Понятие приспособленности генотипа включает его
способность к выживанию (характеризуется продолжительностью
жизни, конкурентоспособностью, скоростью роста и т. д.), а также
интенсивность размножения или фертильность (число
продуцируемых гамет, жизнеспособность потомков у животных, семян,
способных к прорастанию и т. д.). Таким образом, степень
приспособленности генотипа соответствует его коэффициенту
воспроизводства в популяции. Поскольку разные генотипы имеют
различную приспособленность, постоянно происходит
естественный отбор в направлении, чаще не совпадающем с
искусственным. Другое отличие естественного отбора — неполная
элиминация генотипов, имеющих пониженную приспособленность.
Искусственный отбор по фенотипу, например, против рецессивных
гомозигот аа, позволяет в каждом поколении практически
полностью избавляться от этих нежелательных генотипов.
Пример. В р1 популяция самоопылителя состоит только из
генотипов Аа. В Р2 высеяли 480 семян (в результате расщепления:
120 — АА, 240 — Аа, 120 — аа). До цветения и уборки сохранилось
лишь 36 растений (6 — АА, 24 — Аа, 6 — аа). Среднее число
вызревших семян на одном растении: на АА — 30, Аа — 60, аа — 40.
Можно записать для Р2 и для Р^ (после самоопыления Р2 и высева
всех семян):
Генотип Г-1-
Число семян
Число растений к моменту уборки
Среднее число семян на растении
Генотип Ру
Число семян
АА
120
6
30
АА
180 + 360
т
Аа
240
24
60
Аа
720
т
360
т
аа
120
6
40
аа
+ 240
Частота
в результате
расщепления Аа
0,290 0,387 0,322
11.7.1. ПОКАЗАТЕЛИ ПРИСПОСОБЛЕННОСТИ
Если вероятность выживания зиготы (генотипа) до
репродуктивной фазы равна V, а среднее число ее потомков — зигот в
той же фазе развития — г, то численно приспособленность
такого генотипа составляет: IV = V ■ {. Например, среднее по всей
популяции за поколение число потомков одной особи с
генотипом АА обозначается Ж2. Аналогично для Аа — Щ, для аа — Щ.
Поскольку обычно интересует лишь соотношение (/2, /ь /о)
генотипов в разных поколениях, то вместо степени
приспособленности И'г, ^1 или Щ) для удобства расчетов используют
относительные приспособленности (м^, м>ь щ) генотипов,
приведенные к максимальному значению из №2, УУ\, Щ>. Например,
если гетерозиготы Аа имеют максимальное значение
приспособленности (ТУ{), то
Таким образом, 120 семян АА в Р2 дадут 180 семян в потом-
тжг 18° к а — 360 + 720 + 360
стве (Рз), т.е. Ж, = т^т = 1,5. Аналогично
„, 240 „
—
—
= 6,
Так как приспособленность генотипа Аа (Щ) больше, чем у
двух остальных, относительные приспособленности генотипов АА,
Аа, аа соответственно равны:
= ХА = 0,25 = 1 -52 -> з2 = 0,75,
6
-
о
IV, = - = 1=1-5, ->*, = 0,
о
Часто и>2, щ, щ выражают через коэффициенты отбора з2,
Если, например, щ максимальна, то 5! считают равным нулю.
Далее для простоты предполагаем, что внешние условия
одинаковы в поколениях. Поэтому относительная приспособленность и
коэффициент отбора для каждого генотипа также постоянны в
поколениях.
2
и>0 = - = 0,33 = 1 -л0 -»д-0 = 0,67.
о
Подобные ситуации (м^ > щ,м>2) называются отбором в
пользу гетерозигот (в данном случае в пользу Аа). Если бы
приспособленности у трех генотипов растений-самоопылителей
были одинаковы, то их частоты в Ръ составили бы: 0,375; 0,25;
0,375. Большая приспособленность растений Аа вызывает
увеличение частоты этого генотипа в потомстве (0,387) по
сравнению с 0,25.
398
399

11.7.2. РАВНОВЕСИЕ В ПОПУЛЯЦИИ ПРИ ЕСТЕСТВЕННОМ ОТБОРЕ
Можно показать, что в рассмотренной популяции с щ = 0,25,
м'1 = 1, щ = 0,33 через несколько поколений самоопыления ус-
2 2 3
тановится равновесие с частотами генотипов: /г = -=, А = ■=, /о = ■= .
Равновесие установится в любой популяции при самоопылении,
1
если ^ =
52 > -, 50 > -,
-, 50 > -, причем равновесные частоты зависят
только от 52, % Подобное равновесие при сильном естественном
отборе в пользу гетерозигот может привести к неожиданному
феномену — «бесконечному расщеплению» гетерозигот, например в
процессе принудительного самоопыления ржи (поскольку доля Аа
постоянна в поколениях).
У животных и при перекрестном опылении у растений
постоянный естественный отбор в пользу гетерозигот Аа также
приводит к генотипическому равновесию в популяции, причем
ограничений на значения коэффициентов отбора нет. Равновесная
частота аллеля а, т. е. де, одинакова до и после отбора и не зависит от
частоты д в исходной популяции: де = —-—; ре = 1 — де. Это зна-
чит, что в каждом поколении частоты генотипов до отбора будут
постоянны, а именно р]\ 2реде; д^. Выражения для этих трех частот
после отбора приведены в примере.
Пример. У местного населения в некоторых районах
Африки преимущество имеют гетерозиготы по гену гемоглобина
НЬ5 ША (щ = 1). Это обусловлено их устойчивостью к малярии в
отличие от гомозигот НЬ4 НЪ* О2 = 0,88) и НЪ$ НЬ5 (и>0 = 0,13).
Люди с последним генотипом, кроме того, страдают серповидной
анемией, приводящей к так называемому малокровию. По
приведенным выше формулам легко оценить равновесную частоту
аллеля НЬ5 до отбора: де(НЬ5) = 0,121 и равновесные частоты трех
генотипов до отбора (в детском возрасте): р% = 0,773; 2реде = 0,213;
а^ = 0,014. После отбора (для взрослых людей) соотношение трех
частот имеет более сложное выражение: щ^ру^; 2реде/ю; щхд^/мг
где н» = 1 — 52х/^ — дох д\. Это соотношение также постоянно в
поколениях.
При отборе в пользу гетерозигот равновесные состояния
являются устойчивыми: если частота аллеля отклонилась от
равновесной де, то популяция в ряду поколений вернется к ней, а частоты
генотипов — к равновесному соотношению. Пусть, например, в
популяции животных постоянные в поколениях коэффициенты
отбора равны: 52 = 0,3, ^ = 0, 50 = 0,7. Тогда де = —-— = 0,3. На ри-
5+5
сунке 11.11 представлен график Ад — изменения частоты аллеля а
400
Рис. 11.11. Изменение частоты ал-
леля а за одно поколение при
постоянном отборе в пользу гетерозигот
(Айала Ф. Введение в популяцион-
ную и эволюционную генетику. —
М., 1984. - С. 97)
за одно поколение при де = 0,3 в зависимости от д —
неравновесной частоты аллеля а в этом поколении. Стрелками показано
направление изменения значений д при переходе в поколениях к
равновесной частоте дс. В результате частоты генотипов до
отбора постепенно приблизятся к равновесным: р1 = 0,49; 2р д = 0,42;
д] = 0,09.
Особые ситуации, при которых может возникать устойчивое
равновесие, это частотно-зависимый отбор. В подобных
ситуациях приспособленность генотипов не постоянна, а зависит от их
частот в популяции. Например, пока редки самцы с особыми фе-
нотипическими проявлениями (редкий генотип), они могут быть
более привлекательны для самок.
Следует подчеркнуть, что при изменении внешних условий
или в процессе развития особей степень и даже направление
отбора генотипов также могут меняться. При необходимости это
можно отразить в оценках, ичмепяя значения коэффициентов
отбора % 5Ь %
11.7.3. ПОНИЖЕННАЯ ПРИСПОСОБЛЕННОСТЬ
НЕКОТОРЫХ ГЕНОТИПОВ
В генетических исследованиях и селекции часто приходится
учитывать естественный отбор, сшпаннмН с возможной
пониженной приспособленностью рецессивных гомочигот аа, даже если их
коэффициент отбора я0 меньше единицы. Так, если рецессивный
аллель а в гомозиготном состоянии проявляется в пониженной
фертильности, это приводит к отбору против аа и влечет
изменение (снижение) частоты аллеля а за одно поколение на величину
Д<7 = -
I-
Зависимость — Дд от д при разных уровнях 50 естественного
отбора против генотипов аа \щ — 1, у/\ = 1, щ — 1 — 50) приведена на
графиках рисунка 11.12. Частота аллеля а постепенно (хотя,
возможно, и очень медленно) в ряду поколений приближается к
нулю, т. е. де = 0.
401

Рис. 11.12. Снижение за одно поколение
частоты аллеля а в зависимости от
исходной его частоты при разной
интенсивности естественного отбора против
рецессивных гомозигот
Например, при 50 = 0,5 и д =
= 0,6 снижение частоты
аллеля а за первое поколение с
отбором значительно: —Ад = 0,086,
а при д = 0,95 существенно
меньше: -Ад = 0,035.
В природе и экспериментах встречаются ситуации
естественного отбора против гетерозигот Аа. Можно показать, что в этом
случае в ряду поколений происходит фиксация аллеля А, если
исходная частота популяции до<Ро, или а, если д0 > ро- При до=Ро = 0,5
популяция находится в неустойчивом равновесии: достаточно
небольшого, возможно случайного, сдвига частот и популяция будет
эволюционировать в направлении де = 0 или ре = 0. Подобные
ситуации называют отбором против гетерозигот.
Рассмотрим модельный пример. Пусть аллель а — результат
хромосомной мутации, например инверсии, исходной
хромосомы (аллель А). Два вида перекрестноопыляемых растений, кроме
прочего, отличаются этой инверсией. После искусственной
гибридизации двух видов (упрощенно по схеме АА хаа^> Аа) на
структуру образовавшейся популяции в поколениях может
существенно влиять пониженная по сравнению с выщепляющимися
гомозиготами АА и аа приспособленность гетерозигот Аа. Это
связано с пониженной из-за нарушений в мейозе фертильностью
особей Аа. Ожидаемым последствием естественного отбора
против гетерозигот Аа в ряду поколений гибридной популяции станет
вытеснение одного из этих двух аллелей (А или а). По существу,
останется один из двух видов АА или аа. Это упрощенное
описание одного из механизмов защиты видов от проникновения в
геном посторонней ДНК.
11.7.4. ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ ТЕОРЕМА ФИШЕРА
И ГЕНЕТИЧЕСКИЙ ГРУЗ
В 1930 г. Фишер сформулировал фундаментальную теорему
естественного отбора, справедливую в широком диапазоне
предположений о генетических характеристиках панмиктической
популяции и о внешних условиях. В основе формулировки теоремы так
называемая средняя приспособленность популяции. В простейшей
ситуации одного_полиморфного гена этот параметр имеет
следующую структуру: IV — Щ х/2 + Щ х/{ + Щ> х/0.
402
Смысл теоремы в следующем. Под действием естественного
отбора частоты генотипов меняются таким образом, что IV
возрастает в поколениях. Если внешние условия не вызывают изменений
^2> Щ, Щ> -^приспособленностей отдельных генотипов в
поколениях, то IV возрастает до тех пор, пока в популяции не
наступит генотипическое равновесие.
Параметр IV характеризует средний коэффициент
воспроизводства популяции в поколениях. Поэтому возрастание IV может
означать увеличение скорости роста ее численности или
понижение темпов ее сокращения при неблагоприятных экологических
условиях. Следует отметить, что остальные факторы эволюции
(мутации, миграция, дрейф генов и т. д.) не связаны с
закономерным увеличением средней приспособленности популяции. Эти
факторы увеличивают генетическое разнообразие, что необходимо
для эффективного действия естественного отбора.
Ясно, что максимум [V будет обеспечен, если в популяции
останутся только_генотины с самым высоким значением
параметра IV. Однако IV не обязательно возрастает до такого максимума
(^шах): ПРИ генотипичсском равновесии в панмиктической
популяции часто остаются и менее эффективные генотипы. Это
явление получило название генетического груза, который измеряется
величиной Ь = (1Утм — \У)/№тт. Сохраняя часть
«неоптимальных» генотипов популяция «проигрывает» в темпах роста, но
обеспечивает гибкость, т. с. получает дополнительный быстродо-
ступный резерв внутреннего генетического разнообразия —
полиморфизм, полезный при изменении внешних условий.
Например, так называемый сегрегационный генетический груз
может быть связан с преимуществом гетерозигот Аа (Щ = 2) по
сравнению с обеими гомозиготами (И^2 = Щ) = 1). В ситуации
отбора в пользу гетерозигот, как отмечалось выше, в популяции
достигается устойчивое равновесие, причем и данном случае де= 0,5.
При равновесии в любом поколении до отбора />(? = 0,25; 2реде =
= 0,5; а] = 0,25. Тогда IV = 1 х0,25 + 2х0,5 + I х0,25 = 1,5. Кроме
гетерозиготна с №тах = 2 в популяции сохраняется часть обеих
гомозигот. В этой ситуации Ь — (2 — 1,5)/2 0,25.
11.7.5. ВЛИЯНИЕ ЕСТЕСТВЕННОГО ОТБОРА
НА ГАПЛОИДНОМ УРОВНЕ
В качестве примера естественного отбора на гаплоидном
уровне рассмотрим явление предпочтительного оплодотворения, когда
пыльцевые зерна с определенным аллелем Ах прорастают в
среднем чаще (или раньше), чем с Аъ и, следовательно, чаще
последних оплодотворяют яйцеклетки.
■:.. ' 4оз

Пусть в популяции пере крестников частоты генов: ро(А{),
до(А2). Вследствие предпочтительного оплодотворения мужские
гаметы оплодотворяют яйцеклетки (р0, д0) в соотношении не (р0, д0),
а (Ро> <7о)> где #о = кдо (0 ^ к < 1), р[) = 1 — д'й. Значение к = 1
соответствует отсутствию предпочтительного оплодотворения, а к = 0
означает, что спермин с аллелем А2 не оплодотворяют яйцеклетки.
Тогда генетическая структура популяции в следующем поколении
определяется частотой дх по формуле
что несложно вывести из приведенной таблицы скрещивания.
р'ЛА\)
р'й{л2)
Ясно, что 12 =
(1+к\2
\ у
Я„ = Я0
1+кУ
-у •
Поскольку при
0 < к < 1 величина
стремится к нулю при увеличении п, то
аллель А2 в ряду поколений постепенно вытесняется из популяции,
а вместе с ним прекращается предпочтительное оплодотворение.
Если известны частоты д„ и дп+1 в двух соседних поколениях с
предпочтительным оплодотворением, то по приведенной выше
формуле можно оценить коэффициент к в поколении п.
Пример. Если дп = 0,2, а в следующем поколении дп+1 = 0,15,
то можно составить уравнение относительно к:
0,15 = 0,2 х
Следовательно, фактическая частота спермиев с аллелем Аъ
участвующих в оплодотворении яйцеклеток в поколении п,
составляла лишь 50 % частоты спермиев, образующихся с этим
аллелем при цветении.
Если подобное предпочтительное оплодотворение происходит
при самоопылении, то оно касается только растений с генотипом
^41^2. Любое из этих растений имеет следующие доли женских
гамет: 0,5Ль 0,5А2. Эффективные доли мужских гамет, участвующих
в оплодотворении, обозначим: (1 — 0,5А;) Ах и 0,5кА2 при 0 < к< 1.
404
При к = 1 нет предпочтительного оплодотворения, при к = 0 спер-
мии с аллелем А2 не участвуют в оплодотворении яйцеклеток
растений А\А2.
Несложно показать, что частотная структура всей популяции
(&, /ь /о) после самоопыления меняется на: [/2 + (0,5 — 0,25к)/ъ
0,5/ъ Уо +0,25*:/!], а после еще одного самоопыления станет:
[/2 + (0,5 -0,25*)(/1 + 0,5/1), 0,25/1, /0 +0,25Щ+ 0,5/1)].
При увеличении числа поколений самоопыления структура
популяции приближается к следующей:
(Л+Л-0,5к/и 0,
О,5*/1).
Следовательно, при к — 0 вся исходная доля А\А2 постепенно
в поколениях «перетечет» к/2, т. е. структура станет (/2 +/ь О,/о),
а при к= 1, естественно, приблизится к (^ + 0,5/ь 0, /0 + 0,5/{).
Можно также сделать иынод, что частота гетерозигот, независимо
от величины к, сокращается ндвое за одно поколение.
Приведенные записи мости позволяют получить оценку
коэффициента предпочтительною оплодотворения для случая
самоопыления, если, например, итссшы исходная и окончательная
равновесная генотипическая структуры популяции.
Пример. Если исходная структура (0,7; 0,2; 0,1), а после
установления равновесия череч несколько поколений
самоопыления— (0,81; 0; 0,19), то дли рашюисспой доли гомозигот АА имеем
уравнение:/| = 0,7 +0,2-О,5Ах 0,2 = 0,81. Отсюда к = 0,9.
Следует отметить, что такая бличкая к единице оценка к могла
возникнуть не по причине предпочтительного оплодотворения, а из-за
ограниченных объемов самой популяции и поколениях и
выборок, по которым определялись гепотипические структуры,
используемые при оценивании к.
11.8. МУТАЦИИ ГЕНОВ
Спонтанные и индуцированные мутации совместно с
рекомбинацией обеспечивают первичное генетическое разнообразие в
популяциях. Если генные мутации происходит в соматических
клетках, то с точки зрения наследственности они представляют
интерес лишь для вегетативно размножающихся организмов. Если же,
напротив, мутации затронули генеративные клетки, то они
подлежат изучению в рамках генетики популяций.
Некоторые мутации происходят довольно регулярно, другие
лишь иногда (например, при воздействии мутагенных факторов).
В последнем случае полезно рассмотреть судьбу единичной
селективно нейтральной мутации, возникшей в популяции, целиком
состоящей из особей А\А\. Предположим, что один из генов А\
мутирует в новый аллель А2, и во всей панмиктической популяции
;; \ - 405

появится только одна особь АХА2. Далее эта гетерозигота должна
скреститься с особью АХАХ. Если от скрещивания потомков не
останется, то новый аллель А2 в следующем поколении будет
утрачен. Если при скрещивании появится только один потомок, то
вероятность того, что этим потомком будет АХАХ, равна 0,5; она же
является вероятностью потери популяцией нового аллеля. Если
потомок будет иметь генотип АХА2, то в следующем поколении по-
прежнему будет только один аллель А2. При появлении в
результате скрещивания АХАХ х.АхА2 двух потомков вероятность потери
аллеля А2 составит 0,25, так как вероятность получить двух потомков
А\АХ равна 0,25. Вместе с тем вероятность того, что в потомстве
число аллелей А2 увеличится от одного до двух, также равна 0,25.
Это рассуждение распространяется на любое число потомков.
Существенно то, что частота нового аллеля увеличивается или
уменьшается либо он совсем может быть утрачен популяцией по
чистой случайности.
Используя аппарат теории вероятностей, можно сделать
некоторые выводы о судьбе подобных единичных мутаций в длинном
ряду поколений. Если мутация селективно нейтральна, то
вероятность ее потери приближается к единице, т. е. подобная мутация
рано или поздно исчезнет из популяции. Но если мутантный
аллель А2 имеет хотя бы небольшое селективное преимущество по
отношению к А\, то вероятность его потери в ряду поколений
становится меньше единицы. Например, если преимущество А2
составляет всего 1 %, то вероятность его фиксации (и
элиминации Ах) равна 2 %.
В других ситуациях, когда мутации Ах —> А2 постоянно
возникают в популяции с частотой и, но не имеют селективного
преимущества, частота А2 возрастает до состояния равновесия. Если
исходная частота А2 равна д0, то в следующем поколении частота
станет дх = <7о + ы(1 — <7о)- Здесь и(1 — д0) = ир0 — вклад в частоту А2
благодаря мутаций Ах -> А2. Через / поколений частота А2 возрастет
от ^0 до ^ = 1 — (1 — до)(1 —и)1. Например, при и = 3,6 х 10~5 за
10 поколений частота А2 возрастет от 0,006 до ^=0,00636. В
подобных случаях аллель А2 вытесняет Ах из популяции.
Приближение к равновесной частоте де = 1 обычно происходит очень
медленно.
Если кроме прямых регулярно происходят также обратные
мутации А2-^А\, то равновесная частота де зависит как от и, так и от
V — скорости обратных мутаций. Оценим де. Если в исходном
поколении частота Ах равна р„, а частота А2 — д„, то в следующем
поколении (л + 1) доля А2 станет дп+х = д„ + ир„ — \дп. Здесь уд„ —
снижение д за счет Л2 —»Ах.
Изменение частоты А2 за одно поколение Ад = д„+х — д„ = ир„ — уд„.
Равновесие наступит, когда Ад станет равным нулю,
следовательно, равновесные частоты ре и де аллелей Ах и А2 находим из
406
уравнения: ире=уде^Яе= • Например, при и=10~6, у= 10~5,
де = 0,09. Отсюда следует, что равновесная частота не зависит от
исходных частот аллелей Ах и А2 в популяции, а зависит лишь от
соотношения скоростей прямых и обратных мутаций.
Проследим как изменяется частота А2 от поколения к
поколению при и — 5 х 10~5, у = 3 х 10~5 к д„ = 0,5:
5x10
,-5
5х10"5 + Зх10"5
= 0,625 ;
9„+| = 0,5 + 5х 10"5 х 0,5 - Зх 10"5х0,5 = 0,50001;
д„+2 = 0,50002;
<7„+з = 0,50003 и т. д.
,. Увеличение д от 0,5 до де = 0,625 происходит крайне медленно.
Таким образом, не следует опасаться существенного влияния
подобных регулярных спонтанных мутаций, нейтральных по
приспособленности, на структуру популяций, возникающих в
процессе селекции растений.
В естественных услоииях наличие мутантных аллелей с
частотами более 1 % тоже, как правило, нельзя объяснить только
спонтанными мутациями. Высокий уровень полиморфности, т. е.
наличие в некоторых локусах популяции одновременно нескольких
аллелей со значительными частотами, предполагает в дополнение
к мутациям действие других факторов.
Поэтому более интересна ситуация, когда нетривиальное
равновесие (ре не равно нулю) возникает, например, под влиянием
одновременно прямых мутаций (/1, " > Л2) и огбора (л) против
рецессивных гомозигот Л2А2:
Генотип Л|Л| Л1Л2 Л2Л2 ■■
Относительная приспособленность (и») I I 1—5
Как уже отмечалось, изменение д — частоты аллеля Л2 за одно
поколение в результате естественного огбора против этого аллеля
составит
'' 1-ад2
Увеличение д в результате регулярных мутаций от Ах к А2:
Ад2 = ир. Поэтому равновесие наступит, когда Адх +Ад2 = 0, т. е.
и
5
407

2 и
Если генотип А2А2 летален или стерилен (з= 1), то де~~г-и.
Следовательно, определив только долю аллеля А2 до отбора в
равновесной популяции, можно оценить частоту мутаций и.
Наоборот, зная и можно прогнозировать равновесную частоту: де = л/м.
При малой интенсивности отбора, например я = 0,01ии= 10~~5:
10
1-5
10-
=0,032.
И наоборот, по де и ^ можно оценить частоту мутаций и = д2з.
В общем же достаточно устойчивое генетическое и генотипи-
ческое разнообразие в популяции (сбалансированный полиморфизм)
может возникать и поддерживаться по разным причинам. В
простейшем случае достаточно выполнения условий закона Харди —
Вайнберга, но сбалансированный полиморфизм может также быть
следствием одновременного воздействия различных факторов
эволюции.
11.9. ПОДРАЗДЕЛЕННОСТЬ И МИГРАЦИЯ
Популяция животных или ветроопыляемых растений далеко не
всегда представляет собой сообщество свободно скрещивающихся
организмов. Как природные, так и искусственные популяции
нередко разделены на части — подразделены. Полная или частичная
изоляция частей может быть вызвана различными физическими
или физиологическими причинами. Популяционно-генетический
анализ требует учета влияния подразделейности, а также
возможной миграции особей или гамет между этими частями, что видно
из следующих примеров.
Если численность каждой изолированной части достаточно
велика, то генотипические структуры в них подчинены закону
Харди — Вайнберга. При различии частот селективно нейтрального
аллеля А2 в изолятах, казалось бы, для всей популяции в целом
также справедливо обычное соотношение частот генотипов: р2,
2рд, а1, где д — средневзвешенная частота аллеля А2. Однако
можно показать, что в действительности реализуется соотношение:
р2 + а2, 2рд — 2а2, а2 + а2, где о2 — дисперсия частот аллеля А2 в
изолятах. Для генотипической структуры всей популяции
возникает ситуация, сходная с влиянием на нее инбридинга со
значением коэффициента инбридинга р= а2/[д(1 — а)].
Если изоляция между частями популяции неполная и
существует миграция, то в ряду поколений происходит выравнивание
структур ее частей. Рассмотрим этот процесс на примере
ветрового переопыления системы из двух популяций. Первая — изучаемая
популяция перекрестноопыляемой культуры, причем для высева
408
постоянно используют семена, полученные от нее в предыдущем
году. Вторая — «внешняя»: на не слишком удаленном поле из года в
год высевают популяцию с постоянной частотной структурой —
сорт той же культуры. Изучаемая популяция неполностью
изолирована от пыльцы «внешней». Степень влияния пыльцы последней на
изучаемую популяцию определяется следующими факторами:
• различием частот одинаковых аллелей в двух популяциях:
изучаемой и «внешней»;
• уровнем иммиграции гамет (пыльцы) из «внешней»
популяции.
В этом примере перенос пыльцы во «внешнюю» популяцию не
оказывает на нее влияния, так как структура сорта постоянна.
Предположим, что в исходном поколении изучаемой
популяции частота аллеля А2 равна д, а во «внешней» — постоянна дт ф д.
Доля пыльцевых зерен «внешней» популяции, смешивающихся с
пыльцой изучаемой (по отношению ко всей пыльце, участвующей
в опылении изучаемой популяции), равна т. Соответственно доля
пыльцевых зерен изучаемой популяции равна 1 — т. Итак, в
исходном ее поколении яйцеклетки имеют гаметный состав р(А{) и
д(А2), а пыльца:
р' = (1 - т)р + трт; д' = 1 -р'.
Частоту дх аллеля А2, исходную для формирования следующего
поколения в изучаемой популяции, определяют по формуле,
учитывающей равный вклад частот аллеля А2 в пыльце и яйцеклетках:
То есть за одно поколение частота изменится на исличипу
Эти формулы позволяют оцепить т — процентный вклад сорта
в пыльцу, участвующую в опылении растений исходного
поколения изучаемой популяции.
Пример. В результате ветрового переопыления на опытном
поле в изучаемой популяции перекрестноопыляемой культуры за
одно поколение частота селективно нейтрального аллеля А2
изменилась от исходной 0,3 до 0,38. У сорта той же культуры,
выращиваемого на соседнем поле, частота аллеля А2 постоянна и равна 1.
Тогда А<7 = 0,08 = — т(\— 0,3), откуда получаем оценку уровня
иммиграции пыльцы т = 23%.
409

' " Анализ формулы показывает: при т > 0 и дт > д получаем Ад > О,
т. е. происходит увеличение частоты аллеля А2, при дт<д —
уменьшение. Если дт не меняется в поколениях, то частота аллеля А2 в
изучаемой популяции постепенно приближается к дт, т. е.
происходит нивелировка генетической структуры популяций.
Следует подчеркнуть, что миграция в общем случае имеет
взаимное влияние на популяции, входящие в единую систему. Так,
при равных численностях двух неполностью изолированных
популяций частота аллеля А2 постепенно (в ряду поколений)
обычно приближается к среднему арифметическому исходных частот
в этих популяциях. Например, если описанная выше
исследуемая популяция сходна по численности с «внешней» и для
высева растений последней ежегодно используют семена,
полученные от нее в предыдущем году, то в ряду поколений частоты
аллеля А2 в обеих популяциях приблизятся к среднему двух частот
^ = 1(0,3 + 1) = 0,65.
И наоборот, слабое влияние гамет изучаемой популяции на
структуру «внешней» может быть связано только с тем, что
«внешняя» популяция по численности значительно больше
изучаемой. Пусть, дт — частота селективно нейтрального аллеля А2 в
значительно большей «внешней» популяции — практически не
меняется в поколениях. Известны частоты аллелей д0 — в
исходном поколении изучаемой популяции и д^ — через к поколений.
Тогда, например, оценку т — средней по поколениям доли
смешанных браков людей меньшей популяции с людьми из
значительно большей популяции другой национальности можно
получить по формуле
11.10. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ ПОЛИМОРФИЗМ
И ПРОБЛЕМЫ ЭВОЛЮЦИИ
Наличие разнообразных аллельных вариантов, т. е.
полиморфизм генов и генотипов популяции — необходимое условие
эволюции, а устойчивое различие генетической структуры
популяций — свидетельство их дифференциации в процессе эволюции.
Начиная с середины 60-х годов XX в. в популяционных и
эволюционных исследованиях все шире стали использовать данные о
биохимическом полиморфизме белков, полученные с
использованием электрофореза в геле. Позже прогресс в биотехнологии и
молекулярной генетике позволил привлекать сведения об
изменчивости непосредственно молекул ДНК. Для обобщения подобных
данных был разработан ряд специальных количественных
показателей, что в совокупности обеспечило резкое повышение разре-
410
шающей способности популяционно-генетического анализа. Это
позволило проверять спорные и выдвигать новые теории о
причинах и динамике генетической изменчивости, дифференциации
популяций, рас, видов и более крупных таксонов,
совершенствовать методы оценки биоразнообразия и сохранения генофондов
отдельных видов.
11.10.1. АНАЛИЗ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ПОЛИМОРФНОСТИ
Исследуют, например, гель, окрашенный после электрофореза
одного белка, выделенного у 20 случайно выбранных особей
популяции морского червя Ркогопорзгз утсИз. Если этот белок
контролируется одним локусом, то появляется возможность оценить
доли различных гомо- и гетерозигот по этому локусу в популяции.
Желательно получить подобные оценки по возможно большему
числу особей, различных белков и, возможно, в нескольких
популяциях вида. Для обобщения подобных данных об
экологически контролируемом полиморфизме белков используют такие
интегральные_показатели, как полиморфность (Р) и средняя гетеро-
зиготность (//) популяции. Первый из них определяется как доля
полиморфных локусов (т. е. локусов минимум с двумя аллельны-
ми вариантами) в популяции среди всех исследованных локусов.
Пример приведен в таблице 11.6.
11.6. Показатель Р в четырех популяциях морского червя Ркогопорш мгм/ш,
оцененный по 30 белковым локусам (по Ф. Айале, 1984)
Популяция
Число исследованных локусов
проявили
полиморфизм
18
15
16
14
30
30
30
30
18/30 = 0,60
15/30 = 0,50
16/30 = 0,53
14/30 = 0,47
Р = 0,525
Средняя полиморфность по четырем популяциям Р = 0,525,
т. е. приблизительно половина локусов полиморфна, остальные
мономорфны, т. е. имеют по одному аллельному варианту.
Показатель полиморфности имеет некоторые недостатки. Во-первых,
выборка особей популяции, по которой устанавливается,
полиморфен ли локус, всегда ограничена (например, 20 особей).
Генотипы с редкими аллельными вариантами могут выпасть из
рассмотрения, и по этой случайной причине локус будет признан
мономорфным. Во-вторых, этот показатель не делает различий
411

между полиморфными локусами с разным числом аллелей и
разным соотношением частот последних, хотя такие сведения
электрофорез в принципе предоставляет. Напомним, что при
увеличении числа аллельных вариантов локуса и при сходных их частотах
популяции доля различных гетерозиготных генотипов
приближается к 1 (см. раздел 11.1.1).
Поэтому в дополнение используют среднюю гетерозиготность:
по каждому исследуемому локусу популяции определяют долю
гетерозигот, а затем усредняют эти доли по локусам. Пример оценки
Н приведен в таблице 11.7.
П.7. Вычисление Н — средней гетерозиготности по четырем локусам одной
популяции (по Ф.Айале, 1984)
Локус
1
2
3
4
Число исследованных особей
гетерозиготы
25
42
9
0
всего
о о о о
Н
25/100 = 0,25
42/100 = 0,42
9/100 = 0,09
0/100 = 0
Я =0,190
Как и Р, этот показатель также можно усреднить по
нескольким обследованным популяциям, чтобы оценить среднюю
гетерозиготность вида, затем по видам семейства и т. д. Конечно,
четырех локусов или четырех популяций совершенно недостаточно для
надежных оценок подобных интегральных параметров вида.
Учитывая достоинства показателя Н, используется его
модификация для растений-самоопылителей, в популяциях которых
гетерозигот почти нет. В этих случаях перед усреднением по
локусам для каждого из них оценивают р-, — доли различных
гомозиготных вариантов (аллелей). Затем по формуле 1 — Ър} = ^2р1{\ —
р,) вычисляют так называемую ожидаемую гетерозиготность:
какая доля гетерозигот возникла бы в локусе, если бы для
популяции был справедлив закон Харди — Вайнберга.
Описанные показатели предоставляют, в частности,
возможность объективно судить о средней насыщенности мутациями
популяций, видов или более крупных таксонов, т. е. об уровне их по-
лиморфности. Вопрос о средней полиморфности — ключевой в
определении особенностей эволюции различных таксонов.
Рассмотрим этот вопрос подробнее.
До широкого привлечения данных электрофореза и оценок по
ним степени насыщенности природных популяций мутациями
конкурировали две гипотезы о путях эволюции: классическая и
балансовая. Первая предполагала, что таксон в своей эволюции
опирается в основном на аккумуляцию удачных спонтанных мутаций:
412
1
такая мутация вытесняет в локусе менее удачный аллель. Тогда с
учетом крайней редкости новых, более удачных мутаций при
исследовании популяции в большинстве локусов следует ожидать
только по одному аллелю с долями, близкими к единице.
Показатели Р и Н должны быть близки к нулю, т. е. уровень
полиморфности в среднем по локусам невелик.
Вторая гипотеза указывала другой возможный путь эволюции —
поиск и закрепление удачных сочетаний генов, находящихся в
разных локусах (коадаптированные блоки генов). Разные аллель-
ные варианты в отдельном локусе в подобных таксонах могут
сохраняться с достаточно высокими частотами, так как каждый из
них, возможно, имеет преимущество в другом блоке генов.
Эволюция сопряжена с изменением частот не столько аллелей,
сколько подобных блоков генов. Показатели Ри Н при справедливости
второй гипотезы значительно выше.
Анализ этих показателей при обобщении обширных данных о
полиморфизме по белковым локусам позволил предположить, что
разные таксоны в неодинаковой степени используют два пути
эволюции, хотя в настоящее время балансовая гипотеза признана
более универсальной (табл. 11.8).
11.8. Показатели гетерозиготности и полиморфности, усредненные по
обследованным видам в наиболее крупных таксонах (Е. №уо е1 а1., 1984)
Таксон
Позвоночные
Беспозвоночные
Растения
Всего
Число иидоп
551
361
56
468
//
0,054
0,100
0,075
0,073
Число видов
596
371
75
1042
Р
0,226
0,375
0,295
0,284
В пределах каждого из таксонов, представленных в этой
таблице, показатели полиморфпости существенно различаются.
Следует отметить, что вопрос о причинах и эволюционном
значении полиморфное™ участков молекул ДНК и
биохимических белковых маркеров нельзя считать решенным. Выводы
зависят от соотношения влияний естественного отбора и других
факторов эволюции на уровень наблюдаемого полиморфизма по
этим маркерам.
В соответствии с теорией нейтральной эволюции М. Кимуры
естественный отбор по многим исследуемым молекулярным
маркерам слаб. Тогда на первый план для таких локусов выступает
влияние спонтанных мутаций и дрейфа генов: наблюдаемое
генетическое разнообразие маркеров в популяции или виде и его
динамика определяются в основном этими факторами. Системное
описание подобных процессов, необходимое для корректного
анализа данных, возможно только с привлечением аппарата теории
вероятностей и математической статистики. Современная генети-
413

ка популяций представляет такие возможности, но
окончательного вывода о границах применимости теории нейтральной
эволюции пока нет. Однако ясно, что она не противоречит
современному дарвинизму, а дополняет его.
11.10.2. ОЦЕНКИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ДИВЕРГЕНЦИИ
Количественная оценка отличия (сходства) сравниваемых форм
по их аллельному составу важна для теоретических исследований
в области теории эволюции, сохранения биоразнообразия в
природных условиях, а также для селекции. Например, для
объективного подбора скрещиваемых родительских сортов по степени их
генетического несходства.
В последние десятилетия были предложены новые параметры,
характеризующие степень дивергенции — парного различия (или
сходства) генетической структуры сравниваемых форм. Ряд
показателей ориентирован на экспериментальные данные об их
генетическом полиморфизме по одинаковому набору локусов, которые
могут быть получены, например, методом электрофореза в геле.
Так, в показателях сходства (/) и различия (Ъ) двух популяций,
предложенных М. Неем, в качестве исходных данных по локусу
(его номер обозначим к) используют частоты п одинаковых
аллелей у первой (оь а2, ..., аь ..., а„) и второй (Ьи Ь2, ..., Ьь ..., Ьп)
популяции:
1к = (Еа,- х
Если, например, обе популяции по этому локусу мономорфны
и имеют одно и то же аллельное состояние (а\ = Ъ\ = 1), то /1 = 1.
Если популяции также мономорфны, но аллели разные (щ =
= Ь2= 1), то /2 = 0. В более общей полиморфной ситуации,
например, ах = 0,2; а2 = 0,8; Ьх = 0,7; Ь2 = 0,3: /3 = 0,605. Для объективной
оценки генетического сходства двух популяций следует усреднить
подобные показатели по возможно большему числу локусов.
Усреднение производят отдельно по суммам, стоящих в числителе и
знаменателе выражений 1к. Например, по трем приведенным
значениям 1к, если рассматривать их как показатель сходства по трем
локусам, усредненное значение / — сходство двух популяций
получают по формуле
1 П 1 I0'5
/=-(1+0 + 0,605)/ ±(1+1 +0,68) х |(1 +1+0,58) =0,525.
В дополнение к этому показателю используют оценку так
называемого генетического расстояния (несходства) двух популяций:
В = —1п /. Для приведенного модельного примера 2) = — 1п 0,525 =
414
= 0,644. Это означает, что за время раздельной эволюции двух
популяций, вызвавшей несходные изменения их аллельного
состава, на каждые 100 локусов произошло в среднем 64,4 аллель-
ных замен.
Показатели / и В применяют для оценки генетической
дифференциации не только популяций, но и других форм. Так, в
процессе видообразования, вызванного разделением на две
изолированные части исходно единой панмиктической популяции, можно
условно вьщелить несколько этапов «расхождения» этих раздельно
эволюционирующих форм:
• локальные популяции: если изолирующий барьер на этом
этапе исчезает, свободное скрещивание частей сразу
восстанавливается;
• подвиды: возникли так называемые постзиготические
репродукционные изолирующие механизмы, которые при снятии
барьера вызвали бы частичное или полное снижение
жизнеспособности гибридов двух форм;
• виды в стадии становления: возникли предзиготические
репродукционные изолирующие механизмы, затруднившие или даже
исключившие скрещивание особей, если бы барьер был снят;
• виды и близкие роды.
При экспериментальном изучении процесса видообразования в
различных группах организмов параллельно оценивали
показатели /и /) для пар форм, достигших названных этапов (табл. 11.9).
11.9. Оценки генетической дифференциации на разных этапах эволюционной
дивергенции. Первое число / — среднее течение показателя сходства, второе I) — среднее
генетическое расстояние между двумя изолированными формами (но Ф. Лйалс, 1984)
Организмы
Локальная
популяция
Подвид
Вид п стадии
становления
Вид и близкие
роды
Дрозофила 0,987/0,013 0,851/0,КП 0,7Х8/О,.>1<) 0.381/1,066
Рыбы 0,908/0,020 0,Х50/0,К>1 0,531/0,760
Млекопитающие 0,944/0,058 0,793/0,232 0,769/0,263 0,620/0,559
Растения 0,966/0,035 - - 0,510/0,808
Хотя рассмотрены совершенно несходные организмы, пары
показателей /, О для одинаковых этапов дифференциации близки
по значениям. Можно также отмстить, что переход от 2-го к 3-му
этапу не сопряжен со значительным увеличением числа замен
аллелей.
Другой способ оценки генетического расстояния состоит в
подсчете среднего числа выявленных аминокислотных замен в
однотипных белках сравниваемых форм. Используя различные
оценки В — парных расстояний популяций, видов, других форм
можно с помощью кластерного анализа строить так называемые
дендрограммы — филогенетические деревья, отражающие
графически их родство (рис. 11.13). При анализе дендрограмм исходят
415

с5 с» |
аа
•99
■^ о о
О И «:^
N о";
о с-1
5 5 о. о.-с
Рис. 11.13. Дендрограмма,
отражающая родство между видами
дрозофил группы ОгохоркИа ржийо-
оЬзсига:
О — среднее число различий
аминокислот в ферментах для пар видов
(Гершензон С. М. Основы
современной генетики. — Киев, 1979. — С. 430,
с измен.)
из упрощенного
предположения: чем больше В для
пары форм, тем раньше они
разошлись в процессе
эволюции.
Более современный
подход к оценке генетической
дивергенции пары форм
основан на данных,
полученных молекулярно-гене-
тическими методами (КРЬР,
КАРО, РСК и т. п.). В
отличие от подходов,
описанных выше, оценивают
несходство не по отдельному
набору локусов, а по всему
составу ДНК сравниваемых
генотипов.
Одним из методов,
например КРЬР,
анализируют две выборки особей,
принадлежащих двум
сравниваемым формам (1 и 2). Далее для каждой пары особей
подсчитывают а — общее число сходных полос в их спектрах КРЬР, а
также Ь\, ^ — число уникальных полос в тех же двух спектрах.
Тогда, чем ближе к единице показатель /= 2а/(2а + Ь{ + Ь2), тем
более сходен, как предполагают, весь аллельный состав хромосом
двух особей. Наоборот, при /, близком к нулю, естественно
принять, что их аллельный состав существенно различен. Для
уточнения генетического сходства двух форм следует усреднить этот
показатель по спектрам всех особей двух выборок, а также,
возможно, по спектрам, полученным с использованием различных рест-
риктаз и зондов.
Вопросы и задачи. 1. В чем отличие генетической структуры популяции от ге-
нотипической?
1а. Известно распределение генотипов по трем хромосомным мутациям
(аллелям одного гена) в выборке из популяции перекрестноопыляемой культуры:
416
Генотип
А2А2
А,А3
А2А,
Сумма
72
20
54
230
Наблюдаемая 24 54 6
численность
С помощью критерия х2 проверить гипотезу о равновесии генотипической
структуры популяции по этому локусу.
ОТВЕТ: х2 ~ 5,26; <//= 3. Р> 5 %: равновесие есть.
2. Достигается ли за одно поколение генотипическое равновесие по одному
локусу в панмиктической популяции и в популяции самоопылителей?
2а. После установления рашюпссия по одному локусу (А — а) в популяции,
полученной в результате регулярного частичного самоопыления (степень
самоопыления постоянна в поколениях), доля генотипа аа равна Д = 0,4. Определить
степень самоопыления, если исходная популяция состояла только из растений с
генотипом Аа.
ОТВЕТ: степень самоопыления 1 — А"=0,75.
3. Поясните цели и прицедите примеры использования насыщающих
скрещиваний.
За. Цель эксперимента — заместить в гомозиготном сорте нежелательный
аллель а на А, имеющийся у генотипа-донора, но аллель В\ сорта сохранить.
Проведено скрещивания по схеме: сорт ааВ\В\ хдонор ААВ^В^. Далее производят ряд
циклов, каждый из которых нключаст возвратное скрещивание с сортом и
браковку генотипов аа, проявляющихся по фенотипу до цветения. В результате
структура популяции меняется: доля генотипа АаВ\В\, из которого с помощью
самоопылений можно получип. требуемый ААВ\В\, постепенно увеличивается.
Сколько циклов следует пронести, чтобы в полученной популяции доля
генотипа АаВ\В\ составила не менее 1)() %, если частота рекомбинации между локуса-
ми А и В равна 0,4?
ОТВЕТ: 5 циклоп.
4. Дайте определение пссортнтшшого скрещивания. Каковы его последствия
для структуры популяции перекресгиоопыляемых растений?
4а. В исходной равновесной нппмиктической популяции доля рецессивных
гомозигот аа по признаку, прояпляющемуся до скрещинания, состпиляет 49%.
Сколько поколений ассорга тинного скрещиплмпм обеспечит снижение доли ге-
терозигот до 10 %?
ОТВЕТ: 5 поколений.
5. Каковы последствия дрейфи геном для структуры популяции? Дайте
определение эффективной численности.
5а. В последовательных поколениях скрсщишшиИ однолетних диудомпых
растений в качестве источника пыльны дня 60 женских растений предполагают
использовать лишь одно мужское растение. Но сколько рач и среднем следует
ожидать сокращения Н— гетерозиготности по полиморфным локусам в популяции,
полученной после пяти таких скрещиваний, но сравнению с исходной большой
равновесной популяцией?
ОТВЕТ: в 2 раза.
6. Как связаны между собой относительная приспособленность и
коэффициент отбора генотипа?
6а. В популяции растений-самоопылителей, выращенных из семян от
самоопыления гетерозигот Аа, проводят массовый отбор против доминантного аллеля
А. Этот аллель проявляется в фенотипе после цветения и не полностью:
коэффициент отбора для генотипа АА 52 = 0,5, для генотипа Аа 5\ = 0,3. Насколько
сократится доля аллеля А после первого отбора? Изменяется ли эффективность отбора,
если аллель А проявляется аналогичным образом, но до цветения?
ОТВЕТ: доля аллеля А сократится на 9 %; эффективность отбора у
самоопылителей не изменится. „...,
417

7. Почему в панмиктической популяции малоэффективен массовый отбор
против редкого рецессивного аллеля?
7а. Наследственное заболевание человека обусловлено аутосомным
рецессивным аллелем а и вызывает, кроме прочих отклонений, бесплодие людей с
генотипом аа. У людей с генотипом Аа нет отклонений в здоровье. Равновесная частота
аллеля а в популяции людей равна 0,6 %. Равновесие поддерживается благодаря
регулярным спонтанным мутациям от А к а. Дать прогноз увеличения доли аллеля
а и особей аа через 10 поколений, если в этот период в массовом порядке будет
использоваться надежный способ лечения бесплодия.
ОТВЕТ: частота аллеля а увеличивается на 0,036 %; доля больных (аа)
возрастает с 36 до 40 на миллион.
8. От каких параметров зависит изменение генетической структуры популяции
перекрестноопыляемых растений, на которую влияет миграция пыльцы из другой
популяции?
8а. В США потомство от смешанных браков между белыми и неграми принято
относить к негритянскому населению. Частота аллеля РР, контролирующего
резус-фактор, у белого населения США в конце XX в. составляла 2,8 %, а у
негритянского — 44,6 %. В африканских племенах, из которых приблизительно 300 лет
(10 поколений) назад были вывезены в США негры, частота этого аллеля 63 %.
Оценить долю смешанных браков между белыми и неграми в США в
предположениях, что она была постоянна в поколениях и что популяция белых людей
значительно больше негритянского населения США.
ОТВЕТ: средняя по поколениям доля смешанных браков — 3,6 %.
9. Назовите параметры, которые используют для оценки генетической поли-
морфности популяций и генетической дивергенции между ними.
9а. Определить Щ — ожидаемую гетерозиготность одного локуса, если частоты
трех его аллельных состояний в популяции самоопыляемых растений равны: р\ = 0,8,
^2 = 0,15 и/>3 = 0,05.
ОТВЕТ: #0 = 0,335.
Литература
Айала Ф. Введение в популяционную и эволюционную генетику. — М.: Мир,
1984.
Кацданов Л. 3. Генетика популяций. — М.: Высшая школа, 1996.
Ли Ч. Введение в популяционную генетику. — М.: Мир, 1978.
Вое I., СаН^ап Р. Зе1ес1юп тейгойз т р1ап! Ьгеейшё. — 1лпс1оп, СЬартап & На11
Ш, 1995.
Глава 12
РОЛЬ РЕКОМБИНАЦИИ В ЭВОЛЮЦИИ
И СЕЛЕКЦИИ РАСТЕНИЙ
Генетика накопила огромный материал по проблемам
мутаций и рекомбинаций. При этом увлечение
мутагенезом все же оставило в тени второй могущественный
фактор эволюции — рекомбиногенез. Его значение
для процессов эволюции и селекции очень велико.
Идущая в наши дни селекция сортов растений и пород
животных во многом базируется на процессах рекомбино-
генеза.
Н.Л.Дубинин, 1985
12.1. РЕКОМБИНАЦИЯ — ОСНОВНОЙ ИСТОЧНИК
ДОСТУПНОЙ ОТБОРУ ГЕНОТИПИЧЕСКОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ
У ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ
Рекомбинация, базирующаяся на обмене целых хромосом, их
сегментов (межгенный кроссинговер) и нуклеотидов (внутригенный
кроссинговер, конверсия) в гетерозиготах, обеспечивает у высших
растений образование большей части адаптивно значимых
генотипов и вполне обоснованно рассматривается в качестве
«краеугольного камня» селекции. Именно за счет рекомбинации образуются
новые, в том числе трансгрессивные по хозяйстпспио-цсннмм
признакам и их сочетаниям, варианты, происходит инфильтрация
зародышевой плазмы при межвидовой гибридизации (иишрогрес-
сия), появляются формы с аномальной изменчивостью. При лом
многие предполагаемые мутации япляютем по своей природе либо
рекомбинациями, либо их следствием. Путем рекомбинаций
мутационная изменчивость может быть преобразована в адаптивно
значимые сочетания генов, сохраняемые в процессе естественного
и искусственного отборов. Благодаря мейотической
рекомбинации растения лучше адаптируются к стохастически
изменяющимся условиям внешней среды, избегают поражения патогенами,
высвобождают генотипическую изменчивость в наиболее
подходящий период филогенетической адаптации. Неслучайно
рекомбинация лежит в основе популяционной генетики высших эука-
риот (рис. 12.1).
Принято различать следующие типы рекомбинаций:
межхромосомную, межгенную и внутригенную; мейотическую и митотичес-
кую; гомологичную и гетерологичную; реципрокную и нереци-
прокную; между хромосомным материалом и плазмидами и т. д.
В зависимости от генотипа генетическая рекомбинация может
419

ОЦЕНКА ГЕНОФОНДА
Выделение гендоноров
хозяйственно-ценных и адаптивно
значимых признаков, а также
индукторов рекомбинаций (гес-генов,
отег-мутаций и др.)
Методы преодоления
несовместимости
Методы уменьшения
селективной элиминации реком-
бинантных гамет, зигот,
проростков
Инструментальные методы
оценки и отбора рекомби-
нантных гамет, зигот
и растений
Эколого-географкческая,
селекционная и
сортоиспытательная сеть
(год х место)
Учет зависимости частоты
и спектра рекомбинаций
от среды, генотипа,
возрастных и половых различий
Оценка мутационного и рекомби
национного потенциалов видов,
сортов, линий
Подбор пар для скрещивания
Скрещивание (ф х
\ х р
Соматическая гибридизация
Генная инженерия
Семена /",
Растения /•",
Мейоз 1 Г,
Созревание гамет
Гаметы /\
Фоны естественного и
искусственного отбора рекомби-
нантных гамет, зигот и
расщепляющихся популяций
растений (ВСР, Р2, Р3 и т. Д.)
Проблемно
ориентированные
информационно-измерительные комплексы
(биотрон) для оценки
динамических показателей
искомых признаков
и адаптивных реакций
Методы культуры
ш уйго
Эндогенные и экзогенные
факторы индуцирования
мутаций и рекомбинаций
Различные фоны для 7^,
физические и химические
воздействия
Искусственный отбор на
генетическую изменчивость
по частоте и спектру крос-
соверных обменов
Методы многомерного
анализа, маркерный анализ,
прямая оценка, электрофо-
ретический, ПИР, КАРЭ
и другие методы анализа
Рис. 12.1. Общая схема использования рекомбиногенеза и поиска рекомбинантов
в селекционном процессе
420
осуществляться разными способами. Однако большинство
исследователей отмечают удивительное сходство механизмов
рекомбинаций у различных организмов. При этом сайты разрыва и
воссоединения представлены короткими нуклеотидными
последовательностями (не более 25 нуклеотидов), а для каждой
сайт-специфической рекомбинации необходим не общий для всех, а свой набор
ферментов. Предполагается, что рекомбинация возникла в
качестве особого механизма, восстанавливающего двунитевые
повреждения ДНК.
В процессе мейотической рекомбинации в потомстве гетерози-
гот за счет менделевского расщепления (обмен на уровне целых
хромосом) и реципрокных обменов между сегментами хромосом
(межгенный кроссинговер у гомологичных хромосом)
формируется огромное число рекомбинантных генотипов. Так, в
процессе независимого перераспределения всех гетерозиготных
хромосом число рекомбинантных генотипов в Р2 составит 3", т. е. более
2 тыс. у гороха (и = 7), 60 тыс. — у кукурузы (л = 10), 500 тыс. — у
томата (и = 12) и свыше 10 млрд — у пшеницы (и = 21). В
результате трансгрессивного расщепления могут «создаваться новые
признаки или, что бывает чаще, новые уровни сочетания уже
существующих признаков. Даже при тесном инбридинге
(самоопылении), когда гетерозиготность уменьшается вдвое в каждом
поколении (1/2" за п поколений) за счет кроссинговера всего лишь в
одной паре случайно отобранных хромосом за одно поколение
воссоздается от 25 до 40 % изменчивости по приспособленности,
наблюдаемой в естественных популяциях.
Однако доступная отбору генотипическая изменчивость в
потомстве гетерозигот существенно ниже теоретически возможной
(потенциальной), что связано с неслучайным распределением ре-
комбинационных событий в геноме, блочной организацией
генетического материала, квазисцеплением хромосом, мейотическим
драйвом, элиминацией рекомбинантных гамет и пи гот и т.д.
Считается, что среднее число хиазм па бивалент для большинства
высших эукариот обычно варьирует в диапазоне 1 3 и редко
достигает 5—6, тогда как вариация в содержании ДНК — 1()\ Вследствие
канализации процессов мейотической рекомбинации и постмейо-
тической элиминации рекомбипаптов в расщепляющихся
популяциях обычно появляется сравнительно «стандартный», т. е.
традиционный спектр фенотипов. При минимально возможном
уровне рекомбинации обеспечивается наибольшая приспособленность
популяции, что связано с уменьшением опасности рекомбинаци-
онного разрушения адаптивно ценных комплексов генов.
Различные типы рекомбинаций играют неодинаковую роль в
эволюции организмов разных классов, существенно различаются
по частоте, генетическому контролю, возможной степени
экзогенного индуцирования, фенотипическому проявлению. Хотя
сестринские хроматидные обмены (СХО) нельзя назвать рекомбина-
421

цией в узком смысле слова, нереципрокность и высокая частота
делают их почти таким же потенциальным источником новых
аллелей, как и кроссинговер при структурной гибридное™. При
широком толковании термина к рекомбинации относят и различные
перемещения генетического материала в пределах одного генома
(например, инверсии, транслокации). В отличие от межхромосомных
обменов, которые в большинстве случаев оказываются нереципрок-
ными, кроссинговер и СХО гораздо чаще бывают реципрокными,
могут индуцироваться под действием факторов внешней среды и
являться основным механизмом возникновения дупликаций и де-
леций. Наряду с рекомбинацией по локусам важную роль в
селекции играет и межаллельная рекомбинация. Если принять, что
число аллелей в каждой хромосоме равно 10, то число возможных
рекомбинантов составит у гороха — 1,5 х 1012, кукурузы — 2,5 х 1017,
пшеницы — 3,6 х 1036. Кроме того, многие из нейтральных аллелей
могут стать важным источником повышения адаптивности
растений в новых условиях внешней среды. Такие обмены, как
транслокации (особенно в точках негомологичного контакта), способны
привести к существенным перестройкам генома, которые играют
важную роль в эволюции и образовании трансгрессивных
рекомбинантов. В целом к рекомбинации в широком понимании этого
слова можно отнести транслокации, делеции, инверсии, дупликации,
транспозиции, вирусную транедукцию и другие события.
Важную роль в формировании генотипической изменчивости
играет внутригенная рекомбинация, большая часть которой
происходит в результате нереципрокного процесса — конверсии гена —
и может включать или не включать кроссинговер. При этом внут-
ригенные рекомбинации качественно отличаются от
рекомбинаций между отдельными локусами, поскольку обусловливают
появление новых генных продуктов с потенциально новыми
свойствами, а не новых генетических комбинаций неизменных генных
структур. Внутригенная рекомбинация может производить новые
аллели со скоростью, в несколько раз превышающей скорость
«стандартных» мутационных процессов, и действовать как
специфический для локуса высокочастотный мутационный процесс,
имитируя в некоторых случаях «направленное мутирование».
Поэтому очень сложно отличить внутригенные рекомбинации от
генных мутаций. Внутригенная рекомбинация (конверсия)
оказывается особенно важным источником новых аллелей при
скрещивании ранее изолированных популяций.
Введено понятие «генетическая система вида», означающее
способ поддержания и скорость высвобождения потенциала рекомби-
национной изменчивости под влиянием как внутренних
(эндогенных), так и внешних (экзогенных) факторов. К числу факторов,
влияющих на частоту и распределение кроссоверных обменов,
относят: пол (разная частота кроссоверов в макро- и микроспороци-
тах); возраст гетерозиготных растений и их репродуктивных орга-
422
нов; расстояние от центромеры; внутри- и межхромосомную
интерференцию кроссоверов; хромосомные аберрации (инверсии,
транслокации), подавляющие кроссинговер на участках,
гетерозиготных по соответствующим структурным изменениям;
увеличение числа кроссоверов в хромосомах, не вовлеченных в
хромосомные аберрации, и др.
В зависимости от «системы скрещивания» (Ъгеес1т§ 8у81ет), а
также факторов, регулирующих частоту и распределение
рекомбинаций в геноме, различают ее закрытый, открытый и
ограниченный типы. Различия между открытыми и закрытыми рекомбина-
ционными системами состоят не только в количественных
характеристиках перехода потенциальной и свободной генетической
изменчивости в доступную отбору, но и в динамике самого
«потока» генетической вариабельности. Если у первых это «устойчивое»
увеличение генотипической изменчивости, то у вторых она носит
спорадический характер. Виды с открытой рекомбинационной
системой отличаются значительно большим потенциалом
генотипической изменчивости, что оказывается особенно полезным в
новых условиях внешней среды. Благодаря закрытой
рекомбинационной системе, характеризующейся меньшей частотой
перекрестного опыления, увеличивается степень неслучайности
кроссоверных обменов, обеспечиваются большие возможности быстрой
экспансии вида за счет минимальных потерь зигот.
Существуют разные точки зрения на роль мейотической
рекомбинации в эволюции и селекции. Некоторые исследователи
рассматривают ее в качестве механизма, облегчающего
адаптивную эволюцию благодаря концентрации полезных генов в высо-
коприспособленных генотипах. По мнению других,
рекомбинация снижает скорость адаптивной эволюции из-за постоянной
перекомбинации генов и рекомбинационного разрушения коадап-
тированных блоков генов адаптации. Третьи отводят
рекомбинации решающую роль в формировании рекомбинационного
потенциала, но это еще не означает высокой скорости эволюции.
Считается, что существует корреляция между рскомбинациопным
потенциалом и эволюционной дивергенцией организмов. При этом
частота рекомбинаций у разных видов и даже генотипов может
быть интенсивной и экстенсивной в зависимости от числа
хромосом (и) и уровня ауткроссинга. В результате рекомбинационного
разрушения систем коадаптации (на уровне генов, сегментов и
хромосом) возможно снижение уровня онтогенетической
адаптации рекомбинантов, а соответственно и их выживаемости.
Высокая онтогенетическая приспособленность гетерозигот к
варьирующим условиям внешней среды выступает как бы в
качестве «буфера», защищающего потенциал генотипической
изменчивости популяции и вида от излишнего рассеивания. При этом
генетическая и фенотипическая лабильности высших растений в
варьирующих условиях внешней среды дополняют друг друга в
■■ V ■ 423

том смысле, что в случае увеличения фенотипической
приспособленности гетерозигот или гетерогенных по гетерозиготам
популяций в следующем (расщепляющемся) поколении снижается их
генетическая лабильность, необходимая для адаптивной реакции на
соответствующие изменения факторов внешней среды.
Спецификой взаимосвязи онтогенетической и филогенетической
адаптации гетерозигот определяются особенности функционирования
рекомбинационной системы у каждого вида растений, в том числе
и сбалансированная реализация его потенциала генотипической
изменчивости. Иными словами, характер функционирования
рекомбинационной системы является важнейшей характеристикой
адаптивного потенциала каждого вида растений, определяя его
экотипическое разнообразие и размеры ареала.
Эффективность комбинационной селекции определяется
прежде всего уровнем знаний о феноменологии рекомбинационной
изменчивости, специфичной для каждого культурного вида и даже
определенной группы сортов растений. Важную роль при этом
играет выяснение как общих, так и частных особенностей частоты и
распределения кроссоверных обменов. Так, при скрещивании
разных видов растений, различающихся по числу хромосом,
яйцеклетками передается потомству гибрида, как правило, большее
число хромосом, чем пыльцой, т. е. макроспоры по сравнению с
микроспорами функционально более устойчивы. Большинство
межродовых гибридов характеризуются пыльцевой
стерильностью, тогда как обычным для них оказывается производство
функционирующих женских гамет. Например, у томата даже
небольшие нехватки в микроспорах приводят к их гибели, между тем как
яйцеклетки с такой же нехваткой сохраняют жизнеспособность.
Если для мужских гамет кукурузы сравнительно крупные делеции
оказываются летальными, то возможность их сохранения в
мегаспорах значительно выше. Следовательно, макроспоры у высших
растений обеспечивают более надежную передачу новой
генетической информации, чем микроспоры.
Особенности функционирования рекомбинационной системы
обеспечивают биологическую компенсацию (но не подавление)
действия разных компонентов генетической системы видов и
родов. Так, травянистые виды, обладающие сравнительно коротким
циклом развития, обычно характеризуются малым гаплоидным
числом по сравнению с многолетними древесными видами.
Самоопыляющимся видам растений в случае перекрестного опыления
свойствен более высокий уровень кроссинговера, тогда как у аут-
бридинговых видов он реализуется с регулярной частотой. Смена
способа размножения под влиянием факторов внешней среды, в
том числе переход от вегетативного к половому, от инбридинга к
аутбридингу, и наоборот, весьма характерна для многих видов и, в
свою очередь, влияет на уровень и спектр рекомбинационной
изменчивости.
424
При введении в культуру диких видов растений решающее
значение принадлежит так называемому «доместикационному
синдрому», характеризующему специфику рекомбинации и сцепления
генов, контролирующих наиболее важные хозяйственно-ценные и >,-
адаптивно значимые признаки. Например, у проса и кукурузы
такие гены (их около 12) находятся в одной хромосоме и благодаря
сцеплению обеспечивают регулярное появление соответствующих
генотипов. Тот факт, что из 250 тыс. видов цветковых растений
было окультурено около 5 тыс., широкое распространение
получили 150—300 и лишь 15—20 обеспечивают свыше 90 % продуктов
растениеводства, указывает на то, что важнейшим условием
реализации адаптивного потенциала каждого вида за счет селекции,
включая и введение в культуру, оказывался его потенциал
доступной отбору генотипической изменчивости по основным
хозяйственно-ценным признакам.
К настоящему времени накоплен огромный фактический
материал, подтверждающий принципиальную возможность
эндогенных и экзогенных воздействий на процессы меиотическои
рекомбинации в гибридных организмах. При этом изменения частоты и
спектра кроссинговера в ответ на экзогенные стрессовые
воздействия зависят от особенностей генотипа, этапа генеративного
цикла, типа и дозы обработки. Кроме того, эти изменения
специфичны для разных участков хромосом и генома. Индуцирующий
эффект экзогенных воздействий может быть следствием не только
прямого влияния факторов внешней среды (Х- и у-лучей,
химических мутагенов и др.) на процесс мейоза, но и опосредованных
изменений метаболических реакций растения как целостной
системы. Наряду с экзогенным индуцированием рекомбинаций
важную роль в селекции играют и эндогенные воздействия.
Понимание зависимости частоты и спектра рекомбипационпой (и том
числе кроссоверной) изменчивости в мейозе гибридных растений
от действия абиотических и биотических фактором внешней среды
меняет традиционные представления о якобы нейтральной роли
экологического фона и гибридных питомниках. Зависимость
частоты и спектра мейотического кроссипговера, а также иостмейо-
тической элиминации рскомбипаптои от условий внешней среды,
раскрывает механизм эффективности использования в
селекционной практике эколого-географи ческой селекционной сети,
сезонного отбора, гаметной и зиготной селекции.
В современных условиях возможности селекции в увеличении
доступной отбору хозяйственно-ценной и адаптивно значимой
генотипической изменчивости значительно возросли: разработаны
новые методы индуцирования мутаций и рекомбинаций,
хромосомной и генной инженерии, культуры клеток и тканей, включая
слияние протопластов и др. Однако с учетом блочной и коадап-
тивной природы генетических детерминантов, контролирующих
основные количественные признаки растений, в том числе опре-
425.

деляющих их потенциальную продуктивность и экологическую
устойчивость, а также необходимости сочетания в одном сорте
или гибриде значительно большего числа ценных признаков,
именно управлению мейотической рекомбинацией в селекции
культурных растений в обозримом будущем будет принадлежать
ведущая роль.
12.2. МЕХАНИЗМЫ И ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ
РЕКОМБИНАЦИИ
12.2.1. МЕЙОТИЧЕСКАЯ И МИТОТИЧЕСКАЯ РЕКОМБИНАЦИЯ
Высказано несколько гипотез, объясняющих генетическую
природу рекомбинации и образования хиазм (\Уш1епоше, 1963; 1982;
НоШау, 1964; Ме8е1зоп, КааЧ1т§, 1975 и др.). Доказана
относительная независимость генной регуляции разных ключевых этапов
мейоза (в том числе рекомбинации), а также существование
соответствующих блоков (серий) генов. При этом каждая из фаз
мейоза проходит в строгой последовательности и характеризуется
специфичной метаболической активностью. В рекомбинации
принимают участие разнообразные ферменты, осуществляющие
разрывы, деградацию, объединение и репаративный синтез ДНК.
Поэтому рекомбинация в целом может рассматриваться как
биохимический процесс, в котором реакции превращения гетеро-
дуплексной ДНК в рекомбинантную обеспечиваются
ферментными системами.
Наличие синаптонемного комплекса (СК) характерно для
мейотической профазы всех эукариот. СК обнаруживается
практически у всех видов, где нормально осуществляется кроссинговер, и
обязателен для правильного прохождения мейоза. Однако, хотя
наличие СК и является предпосылкой для кроссинговера, его
образование еще не предопределяет неизбежность последнего.
Выделяют три группы событий рекомбинационного процесса: пред-
мейотический синтез и морфологическая реорганизация
хроматина, сближение и специфическая конъюгация гомологов,
молекулярное спаривание и обмен генетическим материалом в
центральной зоне СК. Однако объяснение многих этапов
мейотической рекомбинации все еще находится на уровне
умозрительных моделей.
Для ряда эукариот получены доказательства, что рекомбинаци-
онные события распределены вдоль хромосомы неслучайно,
причем любой транскрибируемый участок может инициировать
рекомбинацию. Очевидно, что неслучайное распределение
кроссоверов вдоль хромосомы предполагает существование зональных
ограничений на обмен и должно учитываться в селекции. Тем
более что система генетического контроля таких ограничений обла-
426
I
дает двумя классами генетических компонентов: управляющим и
реагирующим. В процессе мейоза хиазмы образуются обычно
между гомологичными хромосомами после их конъюгации и являются
следствием физического обмена (кроссинговера) между
гомологами. Имеются также данные о соответствии между распределением
рекомбинационных узелков и генетических обменов в процессе
мейотической рекомбинации.
Общая интенсивность рекомбинационных процессов
находится под генетическим контролем. Так, у разных видов выявлены
десятки генов, оказывающих значительное влияние на процесс
рекомбинации в определенных сегментах хромосом. Гены одной
хромосомы влияют на частоту рекомбинаций в сегментах других
хромосом. Обнаружено явление интерференции, т. е. ингибирова-
ние первым кроссоверным обменом других кроссоверов. В то же
время снижение частоты рекомбинаций в одной зоне хромосомы
может компенсироваться повышением ее в соседних
(примыкающих) зонах этой же хромосомы. Различают два типа
интерференции: положительную (С< 1), при которой обмен в одном участке
хромосомы уменьшает вероятность его в соседнем участке, и
отрицательную (С > 1), когда такая вероятность увеличивается.
Частота кроссинговера существенно уменьшается в зонах, близких к
точкам разрыва хромосом. При нереципрокных рекомбинациях
эффекты интерференции не обнаруживаются.
Важным источником генотипической изменчивости растений,
особенно при использовании в селекционном процессе культуры
т уЛго, может быть митотическая рекомбинация. Конъюгация
гомологичных хромосом в митозе обнаружена у Р'мит заПтт, Огую
зайуа, Теп тауз, ТпИсит аезпуит, Ае§Иорз здиаггоза, ВеШ уи/^апз и
др. Обычно соматическую конъюгацию хромосом наблюдают в
метафазе, но отмечают также и в профазе, анафазе, телофазе и
даже интерфазе. Считается, что митотический кроссинговер
происходит в тысячи раз реже, чем мейотический, и в нем участвуют
всего лишь одна-две пары хромосом генома. При этом частота
кроссинговера находится иод генетическим контролем и может
быть неодинаковой у различных видок, сортов и линий.
Отмечается сходство механизмов митотической и
мейотической рекомбинаций. В обоих случаях необходим тесный контакт
гомологичных участков структур, вступающих в обмен,
кроссинговер происходит в гомологичных сайтах гомологичных хромосом
и на реципрокной основе, осуществляется на стадии четырех
нитей, включает только две из четырех хроматид и проявляет
межхромосомный эффект гетерозиготных инверсий. Наблюдается
также сходство в структуре центромеры, механизме центромерной
ориентации хромосом и т. д. В то же время выявлены и
значительные различия между мейозом и митозом в относительной частоте
кроссинговера в различных зонах хромосом, особенно вблизи
центромер. Предполагается, что главная причина различия часто-
427

ты этих двух типов рекомбинации — наличие СК в мейозе и
отсутствие его в митозе. Однако последнее не исключает соматической
конъюгации хромосом, хотя и заметно снижает частоту кроссинго-
вера. Несмотря на меньшую (на 2—3 порядка) частоту митотичес-
кого кроссинговера, он может оказаться важным источником ге-
нотипической изменчивости в селекции растений, особенно при
использовании культуры т У1п.о. Кроме того, митотический крос-
синговер, который происходит в соматических и половых клетках
чаще сопровождается ошибками, чем мейотический, что и
определяет его вклад в изменчивость генома.
12.2.2. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ЧАСТОТЫ
И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КРОССОВЕРНЫХ ОБМЕНОВ
При переходе от низших организмов к высшим наблюдается
значительное (примерно в 104 раз) уменьшение частоты
кроссинговера на единицу физической длины ДНК. Однако, поскольку
частоту рекомбинаций следует рассматривать с учетом количества
нуклеотидных пар, суммарное число рекомбинаций в геноме
эукариот оказывается намного большим, чем у прокариот.
Мейотическая рекомбинация слагается из нескольких
событий, которыми управляют серии различных генов,
контролирующих мейоз. Наряду с общей регуляцией кроссинговера в ядре
существуют специфические регуляторы для каждой хромосомы и
даже каждого сегмента. Обычно выделяют семь ключевых цито-
генетических этапов мейоза, в отношении которых установлен
специальный генный контроль: вступление в мейоз, конъюгация
гомологичных хромосом, мейотическая рекомбинация, хиазмо-
образование, расхождение гомологов, цитокинез, второе деление
мейоза. Причем система контроля мейоза — это одновременно и
объект регуляции, а геном и хромосома оказываются как
регулирующей, так и реагируемой единицей. Примером изменения в
контролирующей системе служат мутации генов, влияющие на
межхромосомный эффект гетерозиготных инверсий (гетерозигот-
ность по инверсии в одной части генома вызывает увеличение
числа рекомбинаций в других частях). Генетические системы,
контролирующие уровень и спектр рекомбинационной
изменчивости, могут быть отобраны, например, по разной величине
контролируемых ими значений частоты (г/), а также распределению
кроссоверных обменов.
Степень влияния генетических факторов на частоту
рекомбинаций варьирует в довольно широком диапазоне. Например, де-
синаптические мутации у ячменя приводят к полному
подавлению процесса рекомбинации. Частичное подавление
рекомбинации за счет генетических факторов описано у лимской фасоли,
томата и других культур. Различные частота и типы распределения
428
хиазм, наблюдающиеся в популяциях, расах или видах,
непосредственно связаны с межгенной рекомбинацией и, следовательно,
могут иметь адаптивное значение. Во всяком случае различия по
частоте хиазм вполне можно ожидать для любых двух популяций,
которые занимают разные экологические ниши. Существенное
влияние на характер распределения и частоту хиазм оказывают
также структурные изменения хромосом.
Наряду с гипотезой об общем генетическом контроле
кроссинговера высказываются предположения о двухуровневом контроле
образования и распределения хиазм. Показано, что процесс мей-
отической рекомбинации может находиться как под моногенным,
так и полигенным контролем. Полигенный контроль мейотичес-
кой рекомбинации обнаружен, например, у томата. И все же
большинство исследователей считают, что частота рекомбинаций
регулируется сбалансированной генетической системой, а
значительная часть изменчивости по частоте кроссинговера является
аддитивной.
Установлено влияние цитоплазмы на частоту кроссинговера, в
том числе и при межвидовой гибридизации. Отбор на
количественные признаки приводит к изменению частоты кроссинговера,
которое, в свою очередь, обусловлено взаимодействием ядерных и
цитоплазматических детерминантов. Получены доказательства
генетической обусловленности неслучайного распределения
обменов и выявлены соответствующие факторы (рис. 12.2). Причем
частота кроссинговера в разных зонах одной и той же хромосомы
изменяется под действием экзогенных и эндогенных факторов
неодинаково. В то же время отмечаются изменения частоты
кроссинговера в разных направлениях (плюс и минус) в
проксимальной и дистальной зонах хромосомы.
Особом нос III пгршгпюй орган и им мм
поелсдопателы ним с И осиоиипнм ДНК
Факторы, деистмующме до коныощпии (.У-период), —
пресслекция -м счет шдержкн репликации
Конъюгация (пыбор'зон, моплскасмых пС'К;
различия и структуре СК)
Образование первичных повреждений, молекулярный обмен
(распределение рскомбишштол)
Дифференциальный отбор после мейоза
(гаметы, зиготы и т. д.)
Рис. 12.2. Факторы, детерминирующие неслучайное распределение кроссоверных
обменов
429

Метафаза II
Профаза II
Рис. 12.3. Стадии I и II делений
Анафаза II
пример с одной хромосомой)
Регуляция конъюгации хромосом. Выяснение механизма
посредством которого две гомологичные хромосомы конъюгируют в
мяИ° ~.ОДИН из наиболее важных этапов в понимании мехаТиз
ма рекомбинационного процесса в целом, поскольку конъюгация
430
между гомологами должна предшествовать обмену генетической
информацией (кроссинговеру и конверсии). Считается, что си-
напсис начинается в мейотической профазе. Однако процессы
конъюгации могут происходить и неодновременно во всех частях
генома (рис. 12.3).
Большинство мейотических мутантных генов подавляют
конъюгацию гомологичных хромосом и (или) образование хиазм, т. е.
изменяют уровень и, вероятно, спектр рекомбинационной
изменчивости. Наиболее полно изучены мутантные гены, влияющие на,
мейоз и вызывающие мужскую стерильность (ям-гены), а также ■»,'.
ингибирующие синапсис и образование хиазм (синаптические
гены) и приводящие к гаметной стерильности.
Показано, что генетическая система 5В и локализованные в
ней мейотические гены обусловливают мейотическую изоляцию
гомеологичных хромосом у обычной пшеницы {ТгШсит аезйуит), а
также у ее гибридов с различными видами эгилопса и ржи.
Аналогичные факты отмечены и у гибридов пшеницы с другими видами.
Расшифровка механизмов олигогенной регуляции конъюгации
хромосом пшеницы практически открыла путь к индуцированной
конъюгации гомеологичных хромосом разных геномов и обмену
генетическим материалом между ними. Установлено, например,
что блокирование гомсологичпой конъюгации обусловлено геном
РН, расположенным па длинном плече хромосомы 5В. Достаточно
было удалить хромосому 5Н или подавить ее действие, как
появлялась возможность конъюгации не только с гомологами, но и с
хромосомами родственных видов и родов. Получена серия мутантных
те/-генов, в том числе и рецессивный ген рк-1, эффективно
снимающий запрет на конъюгацию пшеничных хромосом с гомеолога-
ми и способствующий рекомбнпогепечу. Предлагают вводить ген»
рк-1 в неполные пшемичпо-нырейные амфидиплоиды (11ПГ1ЛД),
у которых к 42 хромосомам мягкой пшеницы добавлено 14
хромосом пырея.
Межхромосомное влияние перестроек. Наличие гетерозиготной
инверсии в одном плече или водной паре хромосом вызывает
увеличение частоты кроссипговсра в некоторых участках другого пле- *
ча и в других хромосомах. При пом различные сегменты ведут,,
себя неодинаково и наибольшее повышение уровня кроссингове- {.
ра наблюдается обычно в центромер!юй зоне хромосомы, тогда
как в дистальной зоне оно слабее. Реакция на инверсию в
значительной мере зависит от генотипической среды, а эффект
интерференции особенно заметен при множественных обменах.
Транслокации, локализованные дисталыю в плече хромосомы,
являются более эффективными ингибиторами кроссоверов, чем
локализованные проксимально. Под влиянием инверсии частота
кроссинговера возрастает в других хромосомах генома, тогда как в
пределах самой инверсии отмечают снижение частоты кроссинговера

и повышение ее за пределами инверсии в той же хромосоме.
Транслокации обычно уменьшают не только одиночные, но и
множественные обмены в геноме.
Существует несколько гипотез относительно механизмов
межхромосомных влияний на кроссинговер. Считается, например, что
межхромосомное влияние связано с факторами,
обусловливающими скорее предпосылки возникновения кроссинговера, чем сам
кроссинговер. К их числу относятся инверсии и транслокации в
гомо- и гетерозиготах, анеуплоидные изменения, мутации
нескольких основных генов и т. д. Влиянию этих же факторов
подвержены и внутрихромосомные эффекты. Для объяснения
межхромосомного влияния перестроек используют гипотезы
«эффекта положения», селективной элиминации рекомбинантных гамет
и зигот, подавления «центромерного эффекта» (преждевременное
отталкивание центромер), конкуренции бивалентов (конкуренция
за хиазмы между бивалентами в пределах ядра), задержанной
конъюгации.
Влияние добавочных хромосом (5-хромосом), размера генома,
полиплоидии, анеуплоидии и мобильных элементов. Добавочные
хромосомы обнаружены у нескольких сотен видов растений и у
многих животных. Большее число 5-хромосом в диплоидном гибриде
обычно увеличивает общую частоту хиазм и, что особенно важно,
в эухроматиновых зонах хромосом. Модификации конъюгации
хромосом, обусловленные добавочными хромосомами, описаны
для пшеницы, кукурузы и других культур. Так, у ржи с
увеличением числа дополнительных хромосом повышается изменчивость
частоты хиазм.
Однако наряду с индуцирующим мейотическую
рекомбинацию действием В-хромосом у некоторых культур (райграса,
пшеницы и др.) был выявлен и противоположный эффект в
образовании хиазм. Увеличение содержания гетерохроматина за счет
добавочных хромосом влияет не только на вегетативное развитие
организмов, но и на характер конъюгации хромосом, частоту и
распределение хиазм в мейозе, фертильность пыльцы, завязыва-
емость семян и т. д. Следовательно, добавочные хромосомы,
имеющие, как правило, незначительное фенотипическое
влияние, могут быть использованы для стабилизации мейоза,
например, в межвидовых гибридах.
Выявлена зависимость уровня кроссинговера от плоидности: в
одних сегментах у триплоидов частота кроссинговера вдвое выше,
а в других — вдвое ниже, чем у диплоидов. У трисомных растений
кукурузы наблюдается повышенная частота одиночных и двойных
обменов. Возможно также увеличение частоты кроссоверов в тет-
раплоидных организмах. Показано, что компенсирующие трисо-
мики томата можно успешно использовать для переноса
отдельных хромосом из диких видов растений в культурные. У растений
432
кукурузы, трисомных по короткому плечу 5-й хромосомы,
обнаружено повышение частоты хиазм, а моносомия по разным
хромосомам приводит к изменению уровня рекомбинаций в локусе ч/аху
гетерозиготы м>х- С/м>х-90.
Имеются данные, свидетельствующие о влиянии на частоту
кроссинговера мобильных элементов генома. Так, у кукурузы ин-
серция модулятора Мр приводит почти к двукратному увеличению
г/в соседнем маркированном сегменте у гетерозигот по реципрок-
ной транслокации Т\_2- В то же время влияние мобильных
элементов на г/характеризуется высокой вариабельностью вплоть до
полного отсутствия эффекта.
Различия по частоте кроссинговера в зависимости от пола и
возраста. Частота кроссинговера зависит от пола и возраста (рис. 12.4).
Показаны существенные сегментоспецифичные количественные
различия по частоте кроссинговера при формировании мужских и
женских гамет у гороха, кукурузы, ячменя, томата, лука и других
культур. Отмечается и реципрокный эффект по рекомбинации,
когда частота и распределение кроссоверных обменов у гибрида
зависят от выбора направления скрещивания исходных форм.
Если у гороха более высокая частота обменов по изученным
сегментам оказалась в микроспорогенезе, то у ячменя величина г/
40-1
38-
36-
34-
32-
30-
28-
26-
24-
22-
20-
18-
16
14
12
10
0 12 3 4 5 6/
Номер соцветия
Рис. 12.4. Возрастная зависимость частоты кроссинговера в маркерных сегментах
хромосом 2 (Ц^о-й, \Уо-а», ак-Л), 3 (Ьк-$/, яу-Ыз), 6 (с-ш-2) и 11 (Ы-а) томата
433

выше в макроспорогенезе. Существенное изменение уровня крое-
синговера у разных по возрасту початков, кистей и других
репродуктивных органов указывает на целесообразность раздельного
использования в селекции соответствующих семян.
I
12.2.3. РЕКОМБИНАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ
МЕЙОТИЧЕСКИХ МУТАЦИЙ
Нормальное прохождение мейоза зависит от совместного
действия сотен генов, причем многие из них могут быть
гомологичными у разных видов. При этом мейотические мутантные гены,
особенно сильно влияющие на частоту кроссинговера, в основном
являются главными генами с определенным цитогенетическим
эффектом. Большинство из них рецессивны (хотя обнаружено и
несколько доминантных генов) и проявляют специфичность
действия на определенных стадиях мейоза. Так, если асинаптические
гены ингибируют синапсис хромосом во время ранней профазы,
то десинаптические гены подавляют образование хиазм на стадиях
пахитены — диплотены. В зависимости от стадии мейоза, во время
которой проявляется действие мутантных генов, их
классифицируют как:
• предмейотические гены, контролирующие инициацию
мейоза;
• мейотические гены, контролирующие прохождение мейоза;
• постмейотические гены, контролирующие постмейотичес-
кие события и гаметогенез.
Нарушения рекомбинационного процесса вызывают в
основном два типа мутантных генов:
• гены, уменьшающие частоту хиазм на клетку, но не
влияющие на их распределение;
• гены, влияющие на распределение хиазм независимо от
уменьшения их частоты.
При оценке рекомбинационных эффектов мейотических
мутаций следует учитывать одно важное отличие системы регуляции
поведения хромосом, в том числе рекомбинационного, от других
типов генетической регуляции. Оно состоит в том, что система
контроля мейоза — одновременно и объект регуляции.
Наблюдаемые изменения поведения всех хромосом, несомненно, являются
следствием аномалий регулирующей системы. В то же время
зонально-специфичные изменения могут быть вызваны как
взаимодействием регулирующей и реагирующей систем, так и
изменениями собственно реагирующей системы, т. е. отдельной хромосомы
или ее сегмента.
Цитологически идентифицируемые мутации, влияющие на
мейоз, обычно разделяют на четыре класса:
434
I
I — типа ат+, блокирующие процесс мейоза у 2. тауз, хотя
предмейотические деления проходят нормально;
II — асинаптического типа (азупарИс — аз), ингибирующие
конъюгацию на стадии зиготены, обусловливающие отсутствие
хиазм и нарушающие процесс расхождения хромосом;
III — десинаптического типа (с1езупарНс — из), известные для
многих видов растений, обычно не нарушающие мейотической
конъюгации, однако под их влиянием частота хиазм резко
снижается вплоть до полного отсутствия;
IV — типа рс (ргесосшиз сеп(ттеге а"Мзюп), обусловливающие
преждевременное расхождение центромер. Такие мутанты имеют
абсолютно стерильную пыльцу и почти полностью стерильные
яйцеклетки.
Характер функционирования мейотических мутаций зависит от
генотипа и условий внешней среды, а также их взаимодействия.
12.3. ЭКОЛОГО-ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РЕКОМБИНАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
12.3.1. КОНЦЕПЦИЯ ДВОЙСТВЕННОГО («ГРУБОГО» И «ТОНКОГО»)
ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ РЕКОМБИНАЦИИ
Система генов, обусловливающая возможность рекомбинации
и контролирующая прохождение ее последовательных стадий в
целом по геному (а не в специфичных зонах хромосом), получила
название системы «грубого», или общего, контроля. Мутации
таких генов (обычно рецессивные) могут приводить к
блокированию мейоза, снижению конъюгации хромосом и частоты хиазм, а
также к пониженной фертилмюсти пыльцы. Система «грубого»
контроля представлена значительным числом генов, каждый из
которых может (но не обязательно) проявлять соответствующие
эффекты. Так, эта система включает кот роль движения
хромосом, а также синапсиса на молекулярном уровне, влияющего на
частоту и терминализацию хиазм.
Гены системы «тонкого» контроля характеризуются большим
разнообразием по величине эффектов (от очень слабых до
значительных) и по степени специфичности действия. Хотя такие гены
весьма характерны для каждой зоны хромосомы, они могут
одновременно контролировать рекомбинации в нескольких
хромосомных сегментах. Система «тонкого» контроля имеет высокую
адаптивную ценность и большое эволюционное значение,
обусловливая, как и система «грубого» контроля, возможность достижения
оптимального соотношения между наследственной
константностью и генетической гибкостью популяции. Важная особенность
системы «тонкого» контроля — отсутствие прямой связи между
контролирующими и контролируемыми элементами: один гес-ло-
435

кус может влиять на частоту кроссинговера в разных зонах генома,
а один и тот же сегмент может находиться под контролем разных
л?олокусов, причем контролируемый и контролирующий участки
не обязательно должны быть сцеплены. При этом системы гес-те-
нов являются эпистатическими относительно других
генетических элементов, обусловливающих общий контроль в
специфической зоне.
Одно из основных предполагаемых различий между
системами «грубого» и «тонкого» генетического контроля рекомбинации
состоит в том, что доминантные гены системы «грубого»
контроля обычно увеличивают частоту рекомбинации, а рецессивные —
ограничивают ее, тогда как в системе «тонкого» контроля,
наоборот, доминантные гены ограничивают частоту рекомбинации, а
рецессивные — увеличивают ее. Хотя большинство данных и
указывает на доминирование генов, контролирующих пониженную
частоту рекомбинаций, имеются сведения о частичном
доминировании генов, контролирующих высокую частоту хиазм,
например у ржи.
Концепция двойственного контроля процесса рекомбинации у
высших организмов, обладающая значительной эвристической
ценностью, позволила систематизировать многочисленные
фактические данные. Однако противоречивость результатов
относительно влияния доминантных и рецессивных аллелей гес-генов на
частоту рекомбинаций позволяет усомниться в реалистичности
соответствующей модели.
12.3.2. ЗАВИСИМОСТЬ ХАРАКТЕРА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
РЕКОМБИНАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ОТ ФАКТОРОВ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ
Важную роль в реализации функций рекомбинационной
системы играет зависимость частоты и спектра рекомбинаций от
прямого и косвенного действия факторов внешней среды. Так,
изменение частоты хиазм и кроссоверов в зависимости от температуры
(причем при отклонении ее от оптимума частота хиазм и
величина г/обычно повышалась) отмечали на многих организмах.
Изменение величины г/ при стрессовых воздействиях — факт,
доказанный для многих объектов, как бы не интерпретировать его
механизмы. При этом среда выступает не только в роли фактора
отбора, «сортирующего» изменчивость на основе
приспособленности генотипов, но и в качестве фактора, прямо или косвенно
индуцирующего частоту и спектр генетической изменчивости
(мутаций, рекомбинаций, смену систем размножения и пр.). Более
того, наличие связи между приспособленностью (устойчивостью) 1
и рекомбинацией можно рассматривать как реализацию принципа
отрицательной обратной связи. При этом генетическая система
популяционной адаптации (Л-система) и ее важнейшая подсисте-
436
ма — гес-гены, являются не только регулирующими, но и
регулируемыми системами, поскольку их генетическая перестройка
может осуществляться только благодаря отбору по адаптивно
значимым признакам.
12.3.3. ВЛИЯНИЕ ОНТОГЕНЕТИЧЕСКОЙ ПРИСПОСОБЛЕННОСТИ
ГЕТЕРОЗИГОТ И ГЕТЕРОГЕННЫХ ПОПУЛЯЦИЙ НА ЧАСТОТУ
И СПЕКТР РЕКОМБИНАЦИЙ
Влияние факторов внешней среды на частоту и спектр
рекомбинаций происходит в результате изменения метаболизма в
растении в целом. В качестве возможных механизмов проявления «бу-
ферирующих» свойств гстсрозигот может выступать гомеостаз
метаболических процессов у устойчивых к экологическим стрессам
форм, предотвращающий прямое и косвенное действие
стрессоров на индуцирование рекомбинаций и способствующий
процессам репарации. М. Е. Лобашев (1947) в рамках концепции
системного контроля генетических процессов высказал гипотезу о
взаимосвязи между уровнем приспособленности и мутабильностью: чем
меньше организм адаптирован к определенному фактору среды,
тем эффективнее этот фактор индуцирует мутационные изменения.
Рассмотренная выше зависимость частоты и спектра
рекомбинаций, как и частоты случайного скрещивания, от условий
внешней среды — не только широко распространенное явление у
цветковых растений, но и, возможно, один из наиболее важных
факторов, обусловливающих взаимосвязь генетических систем
онтогенетической и филогенетической адаптации, в том числе «буфери-
рующую» роль высокой приспособленности гетерозигот. *
С учетом индуцирующего действия стрессовых факторов «бу-
ферирующая» роль генетической программы онтогенетической
адаптации приобретает особое значение в реализации обратных
(положительных и отрицательных) связей и системе «генотип —
среда». Причем влияние условий ипепшей среды па отношение
рецессивности — доминантности /гс-локусов можно
рассматривать в качестве одного из механизмов функционирования
указанной связи. К числу последних следует отнести и зависимость
рекомбинационной изменчивости от пола и системы скрещивания.
Условия внешней среды оказывают также большое влияние на
формирование онтогенетической «памяти» гетерозигот, включая
мейоз и постмейотические этапы (сипгамию, эмбриогенез, обра-,
зование и прорастание семян), а следовательно, и на переход
потенциальной генотипической изменчивости в свободную и
доступную отбору.
В целом между экологической приспособленностью
гетерозигот, в том числе их устойчивостью к экстремальным
воздействиям, а также частотой и спектром рекомбинантов в потомстве име-
437

(, %
'ор,
Рис. 12.5. Температурные кривые г/= гД/)
у генотипов д, #2. а с одинаковым
оптимумом, но с различной устойчивостью
к отклонениям температуры от оптимума
(гипотетический пример)
ется существенная зависимость
(рис. 12.5). Многие механизмы
этой связи остаются
неизученными. И все же очевидно, что
^ она играет важную роль в регу-
{>'С лировании соотношения
между потенциальной, свободной
и доступной отбору генотипической изменчивостью, между
генетической гибкостью популяции (т. е. способностью
адаптироваться к варьирующим условиям внешней среды в будущих
поколениях) и непосредственной приспособленностью составляющих ее
особей, между гомеостазом развития и популяционным гомеоста-
зом. Особенности указанных связей могут в значительной степени
определять характер реакции частоты и спектра
рекомбинационных обменов на изменение условий внешней среды, обеспечивая
таким образом адаптивность генофонда популяции.
12.3.4. ЭКОЛОГО-ГЕНЕТИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ
РЕКОМБИНАЦИОННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ
Логично предположить, что характер рекомбинационного
действия (усиливающий или ингибирующий) /тес-аллелей зависит от
степени приспособленности гетерозигот к условиям окружающей
среды, т. е. уровень и спектр кроссоверной изменчивости
находится под эколого-генетическим контролем. Именно зависимость
частоты и спектра рекомбинации от условий внешней среды
позволяет обеспечить сбалансированное высвобождение потенциала
генотипической изменчивости. Значительное число
экспериментальных данных об (/-образной экологической зависимости
частоты (а иногда и спектра) рекомбинации свидетельствует в пользу
именно такого утверждения. Причем указанную зависимость
следует рассматривать как важное эволюционное приспособление,
обеспечивающее оптимизацию стратегии запасания и
высвобождения генетической изменчивости у высших растений.
Эколого-генетическую модель функционирования л?с-генов и
рекомбинационной системы подтверждают также
многочисленные данные об особенностях проявления взаимосвязи системы
размножения растений и рекомбинационной системы в
варьирующих условиях внешней среды. Показано, что в экстремальных
условиях у организмов с бесполым размножением нередко наблю-
438
дается переход к половому размножению, различные формы
инбридинга сменяются перекрестным опылением и наоборот.
Одновременно изменяется и частота кроссинговера: от сравнительно
высокой при ограниченном перекрестном опылении (в случае
самоопыления) до относительно низкой, но регулярно
высвобождаемой генотипической изменчивости (аутбридинг).
Взаимосвязанное функционирование двух основных
компонентов генетической программы филогенетической адаптации,
определяющих тип размножения, а также частоту и спектр
рекомбинации, обеспечивает минимум рассеивания генетической
изменчивости в оптимальной среде и ее увеличение в неблагоприятных
условиях. Однако для каждого из этих компонентов известны
примеры и обратной зависимости. Различные элементы общей системы
регуляции филогенетической адаптации цветковых растений
могут действовать в противоположных направлениях, обусловливая
для одних видов эволюционный компромисс на уровне более
открытой рекомбинационной системы, а для других — на уровне
более закрытой. И все же реакции самих Р- и Л-систем, а также их
связей на изменения условий внешней среды в действительности
оказываются значительно более сложными. Причем частоту и
спектр рекомбинационной изменчивости в целом (изменение
баланса) можно оценить лишь на основе анализа всей системы.
Обобщенная модель эколого-генетического контроля
рекомбинации, основанная на представлениях о зависимости частоты и
спектра рекомбинационных обменов от действия абиотических и
биотических факторов внешней среды, а также о «буферирующей»
роли высокой онтогенетической приспособленности гетерозигот
и гетерогенных популяций, по шоляст описывать рекомбинацион-
ные события более реалистично по сравнению с ранее
рассмотренной схемой двойственного («грубого» и «тонкого») контроля
рекомбинационной генетической изменчивости. Сохраняя
достоинства последней, экологическая модель в то же время позволяет
выявить качественно новую информацию о генетической
регуляции рекомбинационной изменчивости.
12.3.5. ЭКОЛОГО-ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКИЙ АДАПТАЦИОГЕНЕЗ
РЕКОМБИНАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
О принципиальной возможности генетической изменчивости
генетических систем филогенетической адаптации
свидетельствуют весьма многочисленные данные об изменении частоты
мутаций за счет отбора. Показано также, что искусственный отбор на
изменение онтогенетической приспособленности может не только
приводить к изменению частоты кроссинговера, но и ускорять
перестройку генетической системы регуляции рекомбинаций. В
конечном счете именно благодаря эколого-филогенетическому адап-
■ 439

тациогенезу генетических систем преобразования генотипической
информации в ряду поколений (эволюции факторов эволюции)
живые организмы обладают свойствами непрерывно
эволюционирующих систем. Понимание указанных особенностей раскрывает
механизмы переменной (эколого-филогенетической по своей
природе) стратегии функционирования рекомбинационной системы,
корреляции специфики систем рекомбинации с положением вида
в экологической нише, эволюционной инерции у одних видов и,
наоборот, эволюционного «взрыва» у других и т. д.
Эффективность искусственного отбора геосистемы. Очевидно,
что наиболее полно регулируемые функции рекомбинационной
системы могут быть продемонстрированы в случае получения
прямых доказательств возможности генетической изменчивости ее
параметров. Правомерность такой постановки вопроса вытекает
уже из наличия многочисленных данных о наследственных
различиях по частоте кроссинговера. Так, генетически обусловленная
изменчивость частоты рекомбинаций для сцепленных локусов
обнаружена у растений душистого горошка, пшеницы, перца, томата
и других культур. На основе диаллельного анализа показано, что
различие между линиями и их гибридами по частоте хиазм
связано с неаддитивным действием генов и, в первую очередь, неал-
лельными взаимодействиями генов разных локусов. Эти и
аналогичные результаты можно рассматривать как примеры
генетической детерминированности различий по уровню рекомбинаций
между особями (рис. 12.6).
Многочисленные данные свидетельствуют о значительной
внутривидовой и межвидовой генотипической изменчивости по
частоте и распределению кроссоверных обменов. Отсюда логично
предположить, что существует генетическая изменчивость по гес-локу-
сам, что этот признак может быть изменен с помощью
искусственного отбора и что, наконец, имеются факторы, способствующие
\
Я\
Рис. 12.6. Изменение рангов г/у генотипов, различающихся по «приспособленности»
в случаях нарушения экологических условий:
а — случай одинаковых оптимумов; б— случай разных оптимумов; ет>„ и етах — I
ЛОГИЧеСК-ПЙ нмтттт»
440
логической ниши
- границы эко-
поддержанию генетической гетерогенности популяций по
гее-системе. Из этих же данных следует и важный методический вывод —
возможность грубых ошибок при оценках г/без учета
биологической неоднородности исследуемого материала по гес-локусам.
Очевидно также, что эффективность отбора на генетическую
изменчивость гес-локусов зависит от исследуемого сегмента хромосомы,
размера, структуры и происхождения исходной популяции,
системы скрещивания, схемы оценки, интенсивности и
продолжительности отбора.
Хотя имеющиеся данные и подтверждают принципиальную
возможность искусственного отбора на изменение частоты
кроссинговера, они не раскрывают главного вопроса, суть которого
состоит в том, каким образом селективно-нейтральные гес-гены
могут подхватываться искусственным или естественным отбором,
т. е. каковы же механизмы микроэволюции гес-системы? В этой
связи важно подчерк!|уп>, что отмечаемая многими
исследователями экологическая зависимость функционирования
рекомбинационной, мутационной, репарационной систем, мобильных
последовательностей ДНК, системы размножения может оказаться
адаптивной не только относи телI.по их регулирующих, но и
регулируемых свойств. В частности, показано, что переменные //-стратегии
обусловливают большую приспособленность популяции, чем
постоянный уровень г/. Причем сени одно из состояний среды
(назовем его типичным) встречается чаще, чем другое (нетипичное), то
средняя приспособленность популяции (\У) возрастает, когда г/
в типичной среде ниже, чем в нетипичной. Кроме того, отбор
благоприятствует аллелям модификатора, обеспечивающим
реакцию //на изменение среды и увеличение частоты обменов в
нетипичной среде по сравнению с уровнем, характерным для обычных
условий. При этом закрепление т1 аллеля переменной
//стратегии (а значит, вытеснение аллеля постоянной стратегии) может
происходить даже в том случае, когда чпачепие //и в нетипичной,
и в типичной средах выше, чем при постоянном их уровне. Как и
в случае с рекомбинацией, зависимость случайного скрещивания
(/) от факторов среды может повышать среднюю
приспособленность популяции в стационарном периоде. 1$ частности,
переменная /-стратегия, при которой некоторый уровень инбридинга в
одной среде чередуется с панмиксией в другой, обладает
преимуществом по сравнению с любой постоянной /-стратегией. Более того,
совместное действие смешанных стратегий по //и /обеспечивает
дальнейшее увеличение приспособленности организмов.
Использование феноменологии рекомбинационной
изменчивости, специфичной для каждого вида растений, а также
направленного отбора на изменение рекомбинационных свойств генома
могут оказаться эффективными методами селекции уже в
настоящее время. Такие подходы не представляют особых трудностей
для реализации в селекционных программах за счет соответствую-
■ ;■..*•... 441

щего подбора пар для скрещивания, выбора направлений
скрещивания, эндогенного и экзогенного индуцирования рекомбина-
ционной изменчивости (в мейозе и митозе), учета зависимости
частоты и спектра кроссинговера от пола и возраста,
предотвращения элиминации рекомбинантных гамет, зигот, проростков и
т. д. Второе направление, связанное с целенаправленным отбором
генотипов с наследственно обусловленным высоким уровнем и
спектром рекомбинационной изменчивости уже нашло достаточно
широкое применение в селекции. И, наконец, весьма
перспективно создание новых норм гее на основе методов генной инженерии..
В частности, речь идет о возможности использования трансгеноза в
качестве индуктора мейотической и митотической рекомбинации.
Таким образом, важнейшей особенностью рекомбинационной
системы является зависимость ее регулирующих и регулируемых
свойств от условий внешней среды. При этом генетическая
перестройка селективно-нейтральных га>локусов может
осуществляться благодаря отбору по селективно значимым и фенотипически
экспрессируемым признакам. В целом имеющиеся данные
позволяют считать, что условия внешней среды выступают в качестве не
только факторов отбора, «сортирующих» генотипическую
изменчивость организмов по признакам онтогенетической адаптации
(системам Р), но и индуктора, определяющего зколого-филогене-
тический адаптациогенез рекомбинационной системы (как,
вероятно, и других компонентов генетической системы
филогенетической адаптации высших эукариот). Такой системный подход,
интегрирующий регуляторную роль организации генома с
влиянием экологических факторов, приводит, по словам Дубинина
(1986), к новому пониманию рекомбинационной системы вида, в
котором воплощена идея о значимости ее эколого-филогенети-
ческого адаптациогенеза.
Механизмы эколого-филогенегического адаптациогенеза тг-систем.
Постоянное рассеивание запасаемой изменчивости обедняет
генофонд и уменьшает эволюционные гарантии выживания. В то же
время механизмы, предотвращающие рекомбинационное разрушение
коадаптированных генов выживших особей, поддерживаются
отбором. Поэтому естественно предположить существование факторов,
ограничивающих это рассеивание в оптимальных для вида (или
популяции) условиях и, наоборот, увеличивающих изменчивость при
их нарушении. Основным таким механизмом является
функциональная взаимосвязь генетических систем онтогенетической и
филогенетической адаптации, обусловливающая сбалансированную
реализацию потенциала генотипической изменчивости вида. Именно за
счет указанного механизма усиливается зависимость частоты и
спектра мейотической рекомбинации от действия факторов внешней
среды. Вопрос о том, будет ли отбор по тому или иному адаптивному
признаку приводить к увеличению или уменьшению величины г/, не
столь существен.
442
В этом же плане необходимо подчеркнуть компенсаторную
роль взаимосвязи преобразовательной и воспроизводительной
функций мейоза у высших растений. Экстремальные условия
внешней среды, индуцируя более высокий уровень и более
широкий спектр рекомбинационной изменчивости (деканализация ре-
комбинационных процессов), одновременно снижают
жизнеспособность гамет и зигот (аномалии в мейозе). А это, в свою очередь,
уменьшает конкуренцию между сохранившимися индивидами и
способствует выживанию рекомбинантов.
«Буферирующая» роль системы высокой онтогенетической
адаптации гетерозигот может проявляться не только относительно ре-
комбинационных событий в мейозе («законные» гомологичные
обмены в сортах, как правило, не могут привести к генетической
изменчивости), но и в плане обеспечения нормального прохождения
мейоза и реализации воспроизводительных функций как гибридов,
так и сортов. Кроме -того, при оценке данных о частоте хиазм следует
учитывать, что их общая частота может слабо коррелировать даже с
уровнем кроссоверных обменов, поскольку одна из функций
терминальных хиазм — обеспечение нормальной сегрегации.
Эволюционная и онтогенетическая «память» в системе регуляции
рекомбинационной изменчивости. Представления об эволюционной
«памяти» организмов начали формироваться еще в XIX в. и
наиболее полно отражены в эволюционной морфологии, изучающей
проблемы взаимоотношения индивидуального и исторического
развития организмов. Эволюционной и онтогенетической «памятью»,
на наш взгляд, обладают компоненты генетических систем как
онтогенетической, так и филогенетической адаптации.
Важнейшим фактором, обеспечившим широкое и быстрое
распространение цветковых растений, является совершенствование
механизмов, регулирующих преобразование генетической
информации, и сбалансированное высвобождение потенциала
генетической изменчивости. Главную роль при лом играют механизмы,
обеспечивающие зависимость частоты и спектра рекомбинаций от
условий внешней среды. Причем увеличение частоты и
расширение спектра рекомбинационпой изменчивости под влиянием
стрессовых факторов и минимизация их » оптимальных условиях,
а также сопряженный отбор гес-систем, в том числе «попутный
транспорт» гес-аллелей, следует рассматривать в качестве
механизмов реализации прямой и обратной связи в системе Л-про-
грамма <-> /"-программа <-> среда. Благодаря функционированию
последней увеличивается вероятность выживания популяции в
будущем, поскольку при этом не только оцениваются (сортируются)
генотипы по их приспособленности (дарвиновский отбор), но и в
значительной мере определяется, что будет «предъявлено» отбору
для оценки в следующих поколениях. Кроме того, в процессе
сопряженного отбора происходит изменение самих генетических
систем преобразования наследственной информации.
443

' Рекомбинационные события в мейозе, так же как и постмейо-
тические этапы формирования свободной и доступной отбору ге-
нотипической изменчивости, не только находятся под прямым и
(или) косвенным влиянием факторов внешней среды, но и
корректируются всем ходом предшествующего вегетативного роста и
развития гетерозигот. В этом, собственно, и проявляется действие
онтогенетической «памяти». Следовательно, онтогенетическая и
эволюционная «память» гее-системы, как и других компонентов
генетической программы филогенетической адаптации, выступает
в качестве важнейшего фактора, обусловливающего
неслучайность перехода потенциальной генотипической изменчивости в
свободную и доступную отбору. Заметим, что эволюционная
«память» генетических систем онтогенетической и филогенетической
адаптации растений, закрепившаяся в процессе эволюции,
включает информацию как об абиотических компонентах внешней
среды, так и об особенностях биоценотических связей. При этом
биоценоз рассматривается в качестве надорганизменной системы
со специфическими и сложными механизмами интеграции и
саморегуляции. Формирование и реализация эволюционной и
онтогенетической «памяти» растений на уровне индивида, популяции
и биоценоза имеют свои особенности.
Одним из важных факторов формирования онтогенетической
«памяти» является экологическая зависимость функционирования
репродуктивных систем. Большинство исследователей
рассматривают системы размножения растений в качестве своеобразных
рецепторов действия факторов среды, онтогенетическая «память»
которых проявляется в усилении или ослаблении инбридинга и
ауткроссинга, смене полового размножения вегетативным и т.д.,
что в конечном счете влияет на формирование потенциальной и
доступной отбору генотипической изменчивости. Проявления
онтогенетической «памяти» имеет место и при вегетативном
размножении растений. Широко известно, например, явление
разнокачественности черенков, взятых в ювенильной, переходной
и «взрослой» частях одного и того же растения. При этом черенки
или почки ювенильного участка не могут в дальнейшем перейти к
цветению и плодоношению.
Важное теоретическое и практическое значение имеют данные
об онтогенетической «памяти», обусловливающей разнокачест-
венность (полиморфность) семенного потомства растений.
Последняя не только обусловлена особенностями формирования
семян на материнском растении (матрикальная разнокачественность),
а также условиями внешней среды в период их формирования
(экологическая разнокачественность), но и связана с
особенностями оплодотворения, анатомическим строением проводящей
системы и т. д. Полиморфизм посевных свойств семян значительно
увеличивает приспособленность популяций к варьирующим
условиям внешней среды.
444
• Роль эволюции генетических систем преобразования генетической
информации. Полученные в последний период сведения о
существенной нестабильности генома у высших эукариот указывают на
то, что его изменения играют гораздо большую адаптивную роль в
эволюционном процессе, чем это предполагалось ранее. Наиболее
убедительным подтверждением тому служат данные о
зависимости мутационной и рекомбинационной изменчивости от действия
экологических стрессоров. Можно предположить, что именно в
периоды геологических и климатических флуктуации, когда
потребность в адаптивных изменениях биоты особенно велика,
начинают функционировать генетические механизмы, которые
увеличивают вероятность появления новых норм реакции. Усиление
интегрированности генома и всего идиотипа у высших организмов
не только обеспечивает более сбалансированную и адаптивно
значимую реализацию потенциала генотипической изменчивости, но
и расширяет возможности их онтогенетической адаптации. При
этом не просто суммируются низшие уровни адаптации, а
происходит и их интеграция, к том числе коадаптация, т. е.
формирование качественно новых иптегративно-адаптивных эффектов:
компенсаторных, синергических, иреадаптивных и др. Большинство
исследователей отмечают снижение в процессе эволюции
зависимости высших эукариот от абиотических факторов среды.
Тенденцию к уменьшению случайности и частоты
рекомбинаций у цветковых растений можно объяснить резко возросшим
потенциалом их онтогепетичаской адаптации, обусловленным ин-
тегрированностью комплекса приспособительных систем
(физиологической, биохимической, морфолпатомичеекой, генетической).,
При этом конститутивные особенности экологической
специализации, достигнутой видами растений па определенном этапе их
эволюции, оказываются защищенными от рекомбииационпого
разрушения за счет ограничения частоты и спектра рекомбинаций
преимущественно в зонах хромосом, которые контролируют эту
специализацию. Можно предположить, что именно возросшие
интегрированность адаптивного потенциала и неслучайность
рекомбинационной изменчивости обеспечили беспрецедентно
быстрое распространение цветковых растений в современную
геологическую эпоху.
Представленные ранее данные позволяют утверждать, что у
высших организмов, а у цветковых растений особенно, наиболее
велика ретроспективная, или эволюционная, «память» генома и
всего идиотипа. И именно высшие растения оказываются в
наименьшей степени приспособленными и уязвимыми при
катастрофических изменениях условий внешней среды. Говоря о
катастрофических ситуациях, мы имеем в виду не только и даже не столько
глобальные изменения климата и лика Земли (смена жаркого
климата холодным, оледенение, горообразование, трансгрессии моря
и др.). Как известно, биота успешно выдержала подобные флукту-
445

ации планетарного масштаба, многие из которых отражены в
генетической «памяти» организмов. Однако совершенно
непредсказуемые последствия в эволюции организмов связаны с
антропогенным загрязнением нашей планеты. Ведь генетические системы
именно высших эукариот наименее устойчивы, например к
радиационному излучению. Более того, если индуцированные средой
мутации оказываются в общем-то традиционным источником ге-
нотипической изменчивости для прокариот, то для высших
эукариот массовое индуцирование мутаций, скорее всего, станет
причиной их гибели. Вот почему ядерные катастрофы детальны
прежде всего для высших организмов. Не менее опасно и медленное,
но необратимое антропогенное изменение условий внешней
среды Земли вследствие загрязнения и разрушения биосферы.
12.3.6. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ
РЕКОМБИНАЦИИ У РАСТЕНИЙ
■ Сравнительная оценка роли мутаций и рекомбинаций в адаптации
' растений. Роль мутаций и рекомбинаций в эволюции и особенно в
селекции низших и высших организмов существенно различается.
Если у первых мутации играют решающую роль, то у вторых они
служат лишь «неорганизованным» исходным материалом, за счет
которого в результате рекомбинации создаются наиболее важные
для адаптации комбинации генов и блоки коадаптированных
генов. Более того, именно благодаря рекомбинации обеспечивается
репарация многочисленных постмутационных изменений.
Совершенствование адаптации высших организмов, в том
числе и растений, обеспечивается в филогенезе главным образом за
счет рекомбиногенеза. Большой геном не может возникнуть без
рекомбинаций и правки ошибок, а последние, в свою очередь,
невозможны без большого генома. Рекомбинации способствуют
закреплению в популяции новых выгодных аллелей (эффект
«попутного транспорта») и элиминации вредных мутаций или
замедлению процесса их накопления, преобразовывают мутационную
изменчивость в адаптивно значимые комплексы генов, т. е.
сохраняемые в процессе отбора признаки.
Спор о том, что важнее для естественного и искусственного
отбора высших организмов, в том числе растений, — мутации или
рекомбинации, относится к «битвам прошлых поколений».
Именно обмен генами является главным источником наследственной
изменчивости в естественных популяциях. Возникновение гено-
типической изменчивости путем рекомбинаций происходит почти
вдвое быстрее, чем за счет только мутационного процесса. На
большом экспериментальном материале показано, что если у
микроорганизмов процесс адаптации основан на появлении мутантов,
способных в короткие сроки заменить менее адаптированные фор-
446
мы, то у высших организмов (растений, животных),
отличающихся гораздо большей пластичностью, рекомбинация генов
становится более важной и эффективной, чем мутации. Рекомбинаци-
онные обмены у высших эукариот обеспечивают значительно
большую долю адаптивных вариантов в реализованной
потенциальной генотипической изменчивости (т. е. в структуре свободной
и доступной отбору изменчивости), включая трансгрессии по
количественным признакам и по их сочетанию, аномальную
изменчивость, интрогрессивные типы и т. д.
Признание первостепенной роли рекомбинаций в естественной
эволюции и селекции растений, особенно с точки зрения создания
адаптивных форм, нисколько не умаляет тот факт, что рекомбина-
ционная генетическая изменчивость всецело ограничена
изменчивостью аллелей, т. е. мутациями, являющимися изначальным
источником всей генетической изменчивости. Эволюция вида должна
постоянно «подпиты ваться» новыми генами, обусловленными
мутациями; иначе она прекратится. 81еЬЫпз (1959) образно сравнивает
мутации с бензином, рекомбинации — с мотором, необходимыми
для движения автомобиля, а отбор — с водителем.
Считается, что рекомбинация ускоряет эволюцию, поскольку
позволяет мутациям, первоначально возникающим у разных
особей, комбинироваться в потомстве. Именно благодаря
рекомбинациям появляются новые нормы реакции, в которых свойства
отдельных мутаций коренным образом преобразовываются. В
отсутствие рекомбинации в популяции происходит быстрое
накопление числа вредных мутаций (мутационный груз) — механизм «хра- •
повика». При этом зоны генома, где рекомбинация но каким-либо
причинам блокирована у всех особей популяции, могут стать
генетически инертными за счет накопления вредных мутаций.
В целом рекомбинация у высших организмом, по сравнению с му- \
тационным процессом, создаст большое: число и с большей
скоростью новые адаптивные формы, т. с. является основным
источником доступной отбору адаптивно значимой генотипической,
изменчивости.
Взаимодействие мутаций как источника первичных
генетических изменений, преобразуемых в адаптивно значимые комплексы
генов, с рекомбинациями, обеспечивающими :>ти преобразования
(функция 1) и формирование дупликаций (функция 2), составляет
основное содержание процесса генерации генетической
изменчивости. Обе отмеченные выше функции рекомбинации одинаково
важны, но в разной степени изучены. Хотя исследование
преобразований исходных сочетаний генов в новые в процессе комбинативной
изменчивости (т. е. функция 1) — одна из основных задач генетики,
большинство деталей этих преобразований все еще не ясны.
Отличить истинные генные мутации от кроссоверов
достаточно трудно. Множество предполагаемых мутаций (как впрочем, и
так называемых мутантных сортов) на самом деле могут быть ре-
447

11
зультатом рекомбиногенеза. Чем меньше филогенетическое
родство скрещиваемых форм, тем вероятнее, что новые
морфологические отклонения являются результатом кроссинговера, а не
мутации. При отдаленных скрещиваниях кроссинговер может быть
источником «мутационной» изменчивости за счет неравных
обменов, приводящих к дупликациям, делециям и т. д.
В целом в синтетической теории эволюции рекомбинации и
мутации рассматриваются как единый поток генотипической
изменчивости. Однако очевидно, что в решении практических задач
селекции культурных растений рекомбинационной изменчивости
принадлежит ведущая роль.
Изменчивость частоты и распределения кроссоверных обменов.
Частота кроссинговера относится к числу наиболее изменчивых
биологических показателей. Так, коэффициент вариации (СУ) для
одиночных обменов изменяется в диапазоне от 18 до 50 %, а для
двойных — от 67 до 110%, причем относительная изменчивость г/
увеличивается с уменьшением вероятности обменов (как
одиночных, так и двойных). Существенная вариабельность отмечается
также по частоте и (или) распределению хиазм. Так,
высокозначимые различия по частоте хиазм были обнаружены между инбред-
ными линиями ржи, а для кукурузы и ржи установлено
уменьшение частоты хиазм при инбридинге. И все же оценки частоты
кроссоверов между маркерными локусами, а также частоты и
распределения хиазм остаются наиболее широко используемыми и
доступными цитогенетическими характеристиками наследуемых и
экологически зависимых различий по частоте и распределению
кроссоверных обменов в хромосомах.
Сцепление и коадаптация генетического материала. Естественный
отбор благоприятствует модификаторам, уменьшающим частоту
рекомбинации между коадаптированными генами. Интеграция
целых генных систем в процессе эволюции и их роль в адаптации
организмов впервые экспериментально была показана Дубининым
(1948). Объединение функционально связанных генов адап- тации
в коадаптированные блоки, в том числе супергены или кластеры, а
также особенности взаимосвязи генетических программ
онтогенетической и филогенетической адаптации и, прежде всего, «буферирую-
щая» роль онтогенетической адаптации гетерозигот позволяют виду
неопределенно долго сохранять в целости особо ценные блоки генов.
Сцепление между генами, расположенными в одной хромосоме
(внутрихромосомное сцепление), в значительной степени
уменьшает, а иногда полностью исключает возможность рекомбинаций.
Многочисленными исследованиями выявлено, что хромосомы и
плечи хромосом являются гораздо более постоянными
структурами, чем это представлялось ранее. В результате некоторые
хромосомы или их сегменты проходят через стадию мейоза из
поколения в поколение практически без изменений.
448
-*" Различные гены, контролирующие одни и те же или
аналогичные признаки, могут быть сгруппированы вместе, что показано на
томате, кукурузе и других объектах. Гены, контролирующие
устойчивость диких видов растений к болезням и представляющие
особенно большую ценность в селекции, также имеют тенденцию
концентрироваться в определенных зонах хромосом, образуя
блоки тесно сцепленных генов-изофенов с одинаковыми фенотипи-
ческими проявлениями. Считается, что в такие блоки могут
объединяться гены либо контролирующие комплексную устойчивость
к разным заболеваниям, либо, наоборот, обусловливающие
отрицательную генотипическую корреляцию между ними. Причем
гены, детерминирующие большую приспособленность растений к
неблагоприятным абиотическим факторам внешней среды, неред-,
ко тесно сцеплены с генами, контролирующими устойчивость
растений к действию биотических стрессоров. И все же сцепление
между различными адаптивно значимыми и
хозяйственно-ценными признаками, хотя и оказывается довольно сильным, не
является абсолютным.
Одной из форм коадантации генов являются супергены, т. е.
группы сцепленных генок. К признакам, контролируемым
супергенами, относится, например, гетеростилия, обнаруженная у видов,
принадлежащих к более чем 50 родам 18 семейств цветковых
растений. Система регуляции рекомбинации канализирует
распределение обменов таким образом, что кроссинговер в пределах
указанного блока генов наблюдается очень редко.
Группы тесно сцепленных функционально родственных генов
(кластеров) известны практически для каждого генетически
изученного вида высших растений. Так, у диплоидного хлопчатника
это два локуса окраски основания лепестков (6'-#, Л'-.у); сцепление
между ними столь тесное, что дшетерозиготы С/Л'Д'Л' обычно дают
при самоопылении соотношение 3 : I. У кукурузы локус Ти (1иш-
са1е) состоит из двух субъединиц, (т. с. является компаундом),
которые можно разъединить и впонь соединить. ,.
Хотя в большинстве случаен гены рашых хромосом
подчиняются закону независимого наследования, имеются данные,
указывающие на возможность нарушения независимости сегрегации
маркеров негомологичных хромосом, т. с. квазисцепления.
Подобные сведения получены для хлопчатника, томата и других
объектов. Результаты специально провиденных опытов
подтвердили не только само явление квазисцепления, но и возможность его
индуцированной модификации.
Мейотический драйв — один из важных и довольно
распространенных типов ограничения рекомбинации. Этим термином
обозначают ситуации, когда соотношение гамет, продуцируемых
гетерозиготой, отклоняется от 1 : 1 в результате специфического
прохождения мейоза. Основное отличие мейотического драйва от
449

отбора гамет состоит в том, что при мейотическом драйве
изменение соотношения функциональных гамет предположительно
связано не с генетическим содержанием самих гамет, а с генотипом
гетерозиготы. Это явление обнаружено у кукурузы, пшеницы,
табака, риса, хлопчатника, томата, арабидопсиса и др.
Таким образом, организация генетического материала в
хромосомах и в геноме служит мощным механизмом сохранения
определенных комбинаций генов, а интегрированные (коадаптирован-
ные) генные комплексы представляют собой пример интеграции
как на хромосомном, так и на субхромосомном уровнях. Причем
тесное сцепление часто является предпосылкой для улучшения
приспособленности популяций, а сам факт существования
генетического гомеостаза указывает на организацию генов в виде ко-
адаптированных систем.
Большинство жизненно важных адаптивных реакций высших
растений (потенциальная продуктивность, экологическая
устойчивость, способ размножения и др.) контролируется именно ко-
адаптированными блоками генов, обусловливающих в конечном
счете высокий уровень онтогенетической и филогенетической
адаптивности. При этом характерны кумулятивный и бикомпенсатор-
ный эффекты интегрированности генома, что позволяет многим
видам без резкого увеличения сложности адаптивных реакций
достигать максимальной приспособленности в онтогенезе и
сохранять генетическую гибкость в ряду поколений при наиболее
рациональном использовании видового потенциала генотипической
изменчивости.
Переход от низших организмов к высшим сопряжен со
значительным уменьшением частоты кроссинговера на единицу длины
ДНК, а наибольшая приспособленность популяции в
сравнительно постоянных условиях среды достигается при невысоком уровне
рекомбинации генов в наиболее адаптивно важных зонах генома.
Такое направление эволюции функций рекомбинационных
систем позволяет не только сохранить соответствующие блоки ко-
адаптированных генов, но и значительно снизить гибель особей,
биологическая ценность каждой из которых у высших организмов
по сравнению с простейшими значительно выше, а улучшение
адаптации к среде существенно зависит от индивидуальной
приспособленности и большей фенотипической пластичности. С
усложнением организации организмов увеличивается роль
канализирующего влияния их внутренней «конструкции» в реализации
потенциальной генотипической изменчивости, все сильнее
проявляются ее неслучайность, детерминируемая сложными
системами прямых и обратных связей. В итоге обеспечивается снижение
общих потерь биологического материала в процессе эволюции.
Разумеется, «канализированность» генотипической
изменчивости и «консерватизм» генетической системы вида весьма
относительны в естественной эволюции, но они оказываются существен-
450
ными в селекции. Причем сцепление между локусами, как и
другие системы коадаптации, могут быть полезными или вредными в
решении селекционных задач. И все же, как правило, они
затрудняют получение нужных рекомбинантов, особенно при
межвидовой гибридизации.
Характер распределения кроссоверных обменов по длине
хромосомы и геному. Неслучайность распределения кроссинговера по
длине хромосом обнаружена у многих организмов. Сложилось
даже мнение о том, что хромосома представляет собой
интегрированное целое, в котором генетические единицы с
взаимосвязанными функциями в общей клеточной активности
определенным образом сгруппированы. Частота кроссинговера в каждой
конкретной зоне хромосомы определяется ее структурой и
является функцией физического расстояния между генами. При этом
инверсии снижают или даже подавляют рекомбинацию на
участках, которые гетерозиготны по этим структурным изменениям; в
зонах хромосом, близких к точке разрыва, заметно снижается
частота кроссоверов.
Интерференция (положительная и отрицательная) является
одним из существенных факторов, обусловливающих неслучайное
распределение рекомбинационных событий в геноме. И хотя ее
механизм окончательно не ныяснен, наиболее вероятным
считается ограничение участия II конъюгации. Обнаружена также
зависимость частоты рекомбинации от расположения центромерного и
интеркалярного гетерохроматипа. О неслучайном характере
участия хромосом в образовании бивалентов и распределении хиазм
по длине бивалента свидетельствует большое число
цитологических наблюдений.
Среди механизмов, которые могут быть причиной
неслучайного распределения кроссоверных обменов, отмстим следующие:
• специфическое расположение в хромосоме чоп
замедленного синтеза ДНК, определяющих участки, вовлекаемые в
центральную зону СК; <|,
» распределение потенциальных сайтов пикообразования;
• особенности организации хромосомы в отношении
генетической активности, определяющей эффективность гамет при
оплодотворении;
• дифференциальная жизнеспособность гамет и зигот.
И хотя данные, полученные в области молекулярной биологии
относительно семейств повторяющихся последовательностей ДНК
и перемещающихся генетических элементов, создают в
совокупности образ динамического генома, это не противоречит
представлениям о неслучайном характере распределения
кроссоверных обменов по длине хромосом и геному в целом.
Обычно компенсаторное изменение частоты кроссинговера
происходит и в плюс- и в минус-направлениях в проксимальной и
дистальной зонах хромосомы. Частоты кроссинговера в разных хро-
451

мосомах генома могут находиться в коррелятивных связях
(положительных или отрицательных) или быть независимыми. Однако
механизмы межхромосомного влияния (инверсий, транслокаций,
транспозиций и др.) на рекомбинацию и конверсию остаются
пока неизвестными. И все же, какими бы ни были механизмы
концентрации генов в определенных зонах хромосом, их
неслучайное распределение следует учитывать при формировании
селекционно-генетических программ.
12.4. РОЛЬ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ И ДОСТУПНОЙ ОТБОРУ
РЕКОМБИНАЦИОННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ В ЭВОЛЮЦИИ
И СЕЛЕКЦИИ
12.4.1. ПРОБЛЕМА ДОСТУПНОЙ ОТБОРУ АДАПТИВНО ЗНАЧИМОЙ
ГЕНОТИПИЧЕСКОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ
Поток генетической информации представлен как
неслучайной, так и случайной генотипической изменчивостью. Однако
при этом доля случайной изменчивости (свободной и особенно
доступной отбору) у высших организмов по сравнению с низшими
резко уменьшается. Более того, случайная изменчивость у высших
организмов обычно затрагивает лишь приспособительные, а не
конститутивные признаки. Однако это положение справедливо
для этапов микроэволюции, тогда как в процессе
видообразования случайной генетической изменчивости, затрагивающей в этом
случае и конститутивные признаки, принадлежит значительно
большая, а порой и решающая роль.
Имеющиеся данные позволяют утверждать, что у высших
растений обусловленная кроссинговером генотипическая
изменчивость, доступная естественному и искусственному отбору, в
значительной степени неслучайна. При этом мощными «фильтрами»
случайного перехода потенциальной генетической изменчивости
в свободную и доступную отбору выступают компоненты систем
онтогенетической адаптации («внутренний» отбор), а также
биотические и абиотические факторы внешней среды,
обеспечивающие первоочередную элиминацию неадаптивных рекомбинан-
тов и мутантов на стадиях гаметогенеза, сингамии, эмбриогенеза,
прорастания семян и появления всходов.
На путях формирования потенциальной, свободной и
доступной искусственному отбору генотипической изменчивости у
высших растений имеются многочисленные барьеры:
• несовместимость, т. е. репродуктивная изоляция при
отдаленной гибридизации;
• низкая гомологичность геномов в инконгруентных
скрещиваниях;
• снижение частоты кроссинговера в сегментах хромосом,
перенесенных культурному реципиенту от диких видов;
452 . .
• возможные нежизнеспособность и стерильность гибридов Р\,
• организация адаптивно значимых генов в коадаптированные
блоки (супергены, кластеры), т.е.наиболее постоянные в реком-
бинационном отношении генетические структуры;
• ограничение множественных обменов в геноме из-за
положительной интерференции;
• рецессивность гес-аллелей, увеличивающих частоту
кроссинговера и, следовательно, снижающих общий уровень
рекомбинации в гетерозиготах;
• неслучайное распределение рекомбинационных и особенно
кроссоверных событий в геноме и хромосомах;
• существование «запретных» в рекомбинационном
отношении зон;
• селективная элиминация «нетрадиционных» рекомбинантов
на разных этапах жизненного цикла (включая гаметы, зиготы,
эмбрионы, семена, проростки и т.д.);
• «буферирующая» роль высокой онтогенетической
приспособленности гетерозигот и гетерогенных по гетерозиготам попу*.
ляций;
• экологическая зависимость функционирования рекомби-
национной систем и вида и сбалансированный переход
потенциальной генетической изменчивости в свободную и доступную
отбору;
• отсутствие однозначной связи между фенотипом и
генотипом, а следовательно, и возможности безошибочно распознавать
искомые генотипы за «фасадом» их фенотипа и т.д.
Указанные и другие ограничения доступной отбору гепотипи-
ческой изменчивости выдвинули проблему ее эндогенного и
экзогенного индуцирования н число первоочередных в генетике и
селекции. Проблема индуцированного рскомбиногепеза стоит
особенно остро в связи с необходимостью мобилизации мировых
генетических ресурсов растений, улучшения уже используемых и
вовлечения в культуру новых видов.
12.4.2. ФАКТОРЫ, ОГРАНИЧИВАЮЩИЕ УРОВЕНЬ И СПЕКТР
ДОСТУПНОЙ ОТБОРУ ГЕНОТИПИЧЕСКОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ
Уровень адаптивности генотипа в гораздо большей степени
определяется действием комплекса генов как единого целого, чем
какими-либо функциональными свойствами отдельных генов, а
типы мутаций и рекомбинаций, возможные для данного
организма, ограничены. При этом свободная вариабельность
обнаруживается лишь в определенных частях генома, тогда как большинство
генов связаны в сбалансированные комплексы, которые с трудом
поддаются рекомбинационному изменению. Целостность
сбалансированных адаптивных систем поддерживает естественный от-
453

бор, который, действуя на структуру популяции через тесно
взаимодействующие коадаптированные генные комплексы,
благоприятствует модификаторам, уменьшающим рекомбинацию между
генами коадаптированных блоков и обеспечивает более частое,
чем можно было бы, появление генотипов с высокой
приспособленностью.
В общей структуре генетических механизмов ограничения
уровня и спектра доступной отбору генотипической изменчивости
у высших растений можно выделить следующие факторы:
• неслучайное распределение кроссоверных обменов в
пределах хромосомы; существование «запретных» (или «молчащих») в
рекомбинационном отношении зон;
• совпадение рецессивности гес-аллелей, увеличивающих
рекомбинацию (по крайней мере, для части гес-локусов), а также
рецессивности генов стерильности;
• снижение частоты кроссинговера в сегментах хромосом,
перенесенных из диких видов в процессе последовательных
скрещиваний с рекуррентным родителем;
• аномальное расщепление генов и блоков генов при мейоти-
ческом драйве;
• нарушение независимости при расщеплении
негомологичных пар хромосом — хромосомное сродство (квазисцепление).
Механизмы сбалансированной реализации потенциала
генотипической изменчивости. Частота рекомбинации у растений
зависит от основного числа хромосом, плоидности, системы
размножения, характера несовместимости, генетического
контроля частоты хиазм и т. д. При этом рекомбинационные системы у
разных видов высших растений варьируют от систем,
стимулирующих максимальное генотипическое постоянство, до систем,
обеспечивающих максимальную генотипическую
вариабельность. Различия между открытым, закрытым и ограниченным
типами рекомбинационных систем проявляются как в общем
числе возможных рекомбинаций, так и в динамике самого
«потока» генотипической вариабельности. Если для ограниченного
типа рекомбинационной системы характерны единичные
случаи рекомбинации в немногих поколениях, то для открытого
типа — равномерный «поток» рекомбинаций на протяжении
всех поколений. Между этими основными типами
рекомбинационных систем возможны разнообразные комбинации и
переходы. К тому же закрытый и открытый типы
рекомбинационных подсистем могут быть элементами одной генетической
системы.
С учетом особенностей влияния на характер
функционирования рекомбинационной системы выделяют следующие факторы,
каждый из которых проявляется по-разному в зависимости от
типа рекомбинационной системы:
454
• регулирующие число рекомбинаций на одно поколение во
время мейоза: число хромосом, частота кроссинговера,
стерильность гибридов;
• регулирующие число рекомбинаций на одно поколение во
время оплодотворения: система скрещивания, система опыления,
потенциал расселения, число семян и характер их прорастания,
величина популяции, барьеры при скрещивании и внешние
изолирующие механизмы;
• регулирующие число рекомбинаций за единицу времени:
продолжительность генерации, т. е. время жизни одного поколения.
Общая частота рекомбинаций на один бивалент находится под
генетическим контролем, а уменьшение ее в одной зоне частично
компенсируется увеличением в другой. Причем внутрихромосом-
ная компенсация ограничивает структурные аберрации. Такую же
роль может выполнять и межхромосомная компенсация. Разрывы,
локализованные дистально в хромосомном плече, являются более
эффективными кроссовсрными ингибиторами, чем
локализованные проксимально. Основными причинами снижения г/в зонах
генома, вовлеченных к перестройки (и в соседних с ними зонах),
обычно считаются ограничение конъюгации хромосом и
уменьшение жизнеспособности рекомбинантных гамет и зигот в силу их
несбалансированности.
Системы, контролирующие частоту рекомбинаций и тип
системы размножения, комплементарны и независимы: обе действуют
вместе, чтобы сохранить и высвободить вариабельность, и каждая
регулирует и регулируется другой. Обнаружены связи эпистаза и
доминантности регулирующих рекомбинацию генетических
элементов, а также их взаимодействие с системой размножения. У
перекрестноопыляющихся видов отбор благоприятствует высокой
степени сцепления, которое позволяет определенным ценным
комбинациям генов сохраняться неизменными в точение многих
поколений и приводит к медленному высвобождению
потенциальной генотипической вариабельности. Факторы,
способствующие увеличению частоты рекомбинаций ш счет особенностей
системы размножения, связаны с системами генетического контроля,
ограничивающими частоту хиазм и рекомбинаций.
Несовместимость, стерильность и снижение жизнеспособности
рекомбинантов. К числу факторов, ограничивающих уровень и
спектр доступной отбору генотипической изменчивости, следует,
в первую очередь, отнести барьеры репродуктивной
совместимости (самонесовместимость и межвидовая несовместимость),
стерильность и пониженную жизнеспособность гамет и зигот.
Механизмы и системы контроля несовместимости у высших растений
подробно рассмотрены во многих публикациях.
Ограничения в переходе потенциальной генотипической
изменчивости в доступную отбору контролируются многими
компонентами генетической программы, в том числе системами контро-
455

1
ля этапов эмбриогенеза и прорастания семян. Причем аномалии
развития, проявляющиеся на стадиях до и после прорастания
семян, обычны для межвидовых гибридов растений. Формирование
нежизнеспособных зародышей и эндосперма, как правило,
связано с различными нарушениями в мейозе. Нередко абортирование
происходит и во время эмбриогенеза. Так, у межвидовых гибридов
хлопчатника абортирование зародыша чаще всего обусловлено
генетическими факторами и физиолого-биохимическими
взаимодействиями материнской и зародышевой ткани. Нормальный
эмбриогенез и прорастание семян могут быть обеспечены, если
изъять зародыши межвидового гибрида из семяпочек до начала
дегенерации и выращивать их на культуральной среде.
Важным фактором ограничения доступной отбору
изменчивости оказывается также стерильность гамет и зигот. Основной
причиной стерильности пыльцы считается нарушение нормального
течения мейоза при микроспорогенезе. Однако частичная или полная
стерильность нередко обусловлена нарушением нормального хода
деления генератиного ядра, разрушением содержимого клеток и
ядер, а также другими причинами. Аномалии в развитии и
строении возможны и в женском гаметофите. Нарушение мейоза при
макроспорогенезе из-за действия неблагоприятных факторов
внешней среды (особенно температуры и влажности, недостатка
питания и т. д.) вызывает появление стерильных зародышевых мешков.
Причем материнские клетки макроспор могут иногда
дегенерировать и до мейоза. Показано, что женский гаметофит оказывается
стерильным реже и в меньшей степени, чем мужской, поскольку он
лучше защищен от непосредственного воздействия неблагоприятных
факторов внешней среды, располагаясь внутри семяпочки и завязи.
Различают гаметическую (образование дегенерированных
гамет) и зиготическую (формирование нежизнеспособных зигот)
стерильность. Получено доказательство существования «рекомби-
национных деталей», а также введены термины «генная» и
«хромосомная» стерильность, что усиливает канализированность
доступного отбору спектра рекомбинаций при внутривидовых и
межвидовых скрещиваниях. «Хромосомная» стерильность
обусловлена различиями в числе и структуре хромосом у разных видов,
приводит к аномалиям в мейозе и зависит от эпистатических
взаимодействий генов. Генная стерильность проявляется в том, что
растения межвидовых гибридов Ру вообще не образуют цветков, а в
пыльнике и (или) семяпочке мейоз не происходит или
оказывается нарушенным вследствие асинапсиса или десинапсиса. Если
генная стерильность обычно преобладает у животных, то
хромосомная — у растений. Стерильность некоторых гибридов связана с
комбинацией генной и хромосомной стерильности. Но даже у
видов одного и того же рода типы стерильности могут быть
хромосомными, генными, цитоплазматическими или обусловленными
несколькими причинами одновременно.
456
Элиминация рекомбинантных гамет и зигот. Уровень и спектр
доступной отбору генотипической изменчивости существенно
зависят от селективных особенностей рекомбинантных гамет и
зигот и связаны с действием «внутреннего» и внешнего отбора.
Поэтому предотвращение или уменьшение степени элиминации ре-
комбинантов на стадиях гаметогенеза, сингамии, эмбриогенеза,
формирования и прорастания семян имеет решающее значение в
селекции. Кроме того, без учета элиминации гамет и зигот
невозможны объективная оценка результатов гибридологического
анализа, последствий рекомбиногенной или мутагенной обработки
гетерозигот, построение генетических карт и др. Каковы же
причины дифференциальной жизнеспособности гамет, зигот, семян,
проростков? Есть все основания считать, что в основе
селекционных различий рекомбинантных и нерекомбинантных продуктов
мейоза лежит функциональная несбалансированность гамет и
зигот, в том числе их «генетической архитектуры». Многочисленные
данные свидетельствуют о том, что элиминация
«нетрадиционных» генотипов (мутаптои и рекомбинантов) находится под
контролем генетических систем.
Система генетического контроля мейоза не только выполняет
функции преобразовании генетической информации, но и влияет на
воспроизводительные, а также продукционные особенности
культурных растений. При этом отмечается видовая и даже сортовая
специфика частоты хиазм и кроссоверов. Некоторые исследователи
рассматривают частоту хиазм и качестве показателя,
непосредственно связанного и иногда отражающего степень приспособленности
генотипов к специфическим условиям окружающей среды.
12.5. УПРАВЛЕНИЕ РЕКОМБИНАЦИОННЫМ ПРОЦЕССОМ
12.5.1. ОБЩАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Несмотря на известные трудности межвидовой и межродовой
гибридизации, масштабы вовлечения зародышевой плазмы диких
и полукультурных видов растений в селекционный процесс будут
постоянно увеличиваться, а внимание к проблеме управления
рекомбинационным процессом — возрастать. Индуцирование
рекомбинаций за счет перераспределения кроссоверных обменов в
зоны хромосом, где они в норме ингибированы, позволило бы
вовлечь в процесс селекции качественно новые и не
использованные до сих пор резервы генотипической изменчивости. Поэтому
одним из главных направлений в экологической генетике и
селекции является управление рекомбинационным процессом как
основным поставщиком адаптивно значимой и доступной отбору
генотипической изменчивости.
' '■■■■ ■ 457

В последние десятилетия среди генетиков и селекционеров все
более утверждается мнение, что следующий этап в
комбинационной селекции может быть обеспечен не с помощью манипуляции
отдельными генами, а прежде всего, за счет комбинаторики
количественных признаков, вовлечения в обмен (кроссинговер) новых,
традиционно «молчащих» участков хромосом компонентов скре-
; щивания (при межсортовой и особенно при межвидовой
гибридизации), т. е. преодоления канализированное™ процесса
рекомбинации. Важность такого подхода диктуется рядом причин, к
основным из которых относятся следующие:
• необходимость разрыва тесно сцепленных локусов или
блоков генов в случаях нежелательности объединения
контролируемых ими признаков в одном генотипе, а также с целью получения
новых сочетаний генов. Особого внимания заслуживает вопрос
разрыва блоков коадаптированных генов и (или) коадаптирован-
ных блоков генов;
• индуцирование процесса интрогрессивной рекомбинации в
межвидовых и межродовых гибридах (как уже отмечалось, эти
события происходят особенно редко);
• индуцирование множественных обменов для сочетания
большего числа разных, в том числе количественных признаков,
поскольку множественные обмены в одной хромосоме и геноме в
целом обычно оказываются весьма редкими событиями. При этом
необходимо учитывать возможность не только внутрихромосом-
ного, но и межхромосомного (геномного) ограничения
множественных обменов.
Считается, что геном высшего растения включает до 10 тыс.
генов, перенос многих из которых при внутривидовой
гибридизации не представляет особых трудностей. В то же время
манипуляция полигенными системами и коадаптированными генными
комплексами при межвидовой и межродовой гибридизации
весьма затруднена, а нередко и вообще невозможна. Тот факт, что
наиболее адаптивно значимые зоны генома, характеризующие
специфику экологической приспособленности вида, лучше
защищены от рекомбинационного разрушения, и является главной
причиной скептического, а порой и отрицательного отношения
многих исследователей к использованию методов отдаленной
гибридизации. Между тем повышение устойчивости, например,
пшеницы к болезням и вредителям было обеспечено за счет генов
семи разных видов.
Правомерность и реалистичность использования методов
эндогенного и экзогенного индуцирования мейотической
рекомбинации продемонстрированы на многочисленных примерах.
Так, за счет индуцирования транслокации небольших участков
хромосом дикого вида впервые был успешно осуществлен
перенос устойчивости к бурой ржавчине от Ае%Норз итЬеПиШа в
ТгШсит аезНуит (8еагк, 1956). Подобным же способом устой-
458
чивость к стеблевой ржавчине была передана от А%горугоп
еЪщагит в мягкую пшеницу.
В управлении формообразовательным процессом в селекции
растений можно выделить следующие направления:
• геномная инженерия (получение гибридов Рь а также
полиплоидов, в том числе триплоидов, тетраплоидов и т. д.);
• хромосомная инженерия (замена, а также добавление или
удаление целых хромосом — анеуплоиды, в том числе трисо-
мики, моносомики, нуллисомики, тетрасомики, двойные три-
сомики и т. д.; хромосомные аберрации, т. е. транслокации,
инверсии, дупликации и т. д.; вся группа нехваток хромосом — те-
лосомия);
• генная инженерия (путем индуцирования кроссинговера и
генных конверсии, выделения и переноса генов из одного
организма в другой, синтеза генов и т. д.).
Выход рекомбинантных гамет оказывается лишь завершающим
этапом большого числа взаимосвязанных процессов (начиная с
предмейотического ^-периода), каждый из которых не только
находится под специфичным генетическим контролем, но и зависит
от условий внутренней (специфики метаболизма в мейоцитах и
растении в целом) и внешней среды. Поэтому, разрабатывая
методы эндогенного и экзогенного управления частотой и спектром
рекомбинационной изменчивости, необходимо учитывать как ци-
тогенетическую, так и экологическую специфику прохождения
мейотических стадий, а также их влияние на преобразование
потенциальной генотипической изменчивости в свободную и
доступную отбору.
В селекции растений разработано несколько методов
целенаправленной интрогрессии чужеродного генетического
материала на основе использования генетической системы
регуляции мейоза. При этом для адаптивной системы селекции
характерен переход от разработки отдельных приемов к
селекционным технологиям, включающим наряду с подбором пар
для скрещивания комплексное применение методов
эндогенного и экзогенного индуцирования рекомбиногенеза,
предотвращение элиминации рекомбинантных гамет и зигот,
использование эколого-географической сети для отбора искомых
генотипов, в также их репрезентативной оценки (во времени и в
пространстве). Важнейшей составляющей адаптивной
селекционной технологии является признание формирующего влияния
внешней среды в плане как индуцирующего действия
абиотических и биотических стрессоров на частоту и спектр
рекомбинационной изменчивости в гетерозиготах, так и увеличения
суммарной генотипической изменчивости в потомстве гетеро-
зигот, выращиваемых в разных условиях внешней среды
(естественный «внутренний» и внешний отбор рекомбинантных
гамет и зигот).
459

12.5.2. РОЛЬ ГЕНЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ РЕКОМБИНАЦИИ
И РАЗМНОЖЕНИЯ В УПРАВЛЕНИИ ГЕНОТИПИЧЕСКОЙ
ИЗМЕНЧИВОСТЬЮ РАСТЕНИЙ
Различные виды растений обладают разным потенциалом
рекомбинации при межвидовой и межродовой гибридизации. В то
же время именно интрогрессия, т. е. передача генетического
материала от одного рода или вида другому, лежит в основе
образования многих культурных видов растений, а также повышения
эффективности адаптивной селекции. В результате взаимной инт-
рогрессии (переопыление культурных и диких сорных форм)
возникает и «мимикрия культур», т. е. большое фенотипическое
сходство между ними. Результативность интрогрессивной селекции,
как, впрочем, и трансгрессивной, определяется возможностями
множественных обменов и характером их распределения по
геному, вовлечением в кроссинговер «молчащих» (в рекомбинацион-
ном отношении) зон хромосом, степенью проявления
квазисцепления, соотношением преобразовательных и
воспроизводительных функций мейоза, постмейотической элиминацией рекомби-
нантных гамет и зигот и т. д.
При определении реальности селекционных задач, а также их
приоритетов необходима оценка рекомбинационного потенциала
вида в плане возможностей генетической изменчивости
важнейших хозяйственно-ценных и адаптивно значимых признаков.
Известно, например, что неудачи в селекции на высокую солеустой-
чивость сельскохозяйственных культур связаны, в первую
очередь, с недостаточной генетической вариабельностью
соответствующего признака у большинства высокопродуктивных видов
растений. Из более полного понимания роли рекомбинационной
системы в эволюции и окультуривании видов растений вытекают и
новые подходы к сбору и хранению их генофонда,
рассматриваемого в качестве постоянно эволюционирующей, т. е. динамичной
системы. Это, в свою очередь, предполагает создание
идентифицированных генетических коллекций не только по хозяйственно-
ценным признакам, но и по функциональным компонентам
рекомбинационной системы, контролирующим процессы
формирования потенциальной, свободной и доступной отбору генотипи-
ческой изменчивости.
12.5.3. ФЕНОМЕНОЛОГИЯ ИНДУЦИРОВАННОЙ РЕКОМБИНАЦИИ
К настоящему времени получены многочисленные данные,
свидетельствующие о принципиальной возможности изменения
рекомбинаций у разных видов растений под влиянием пола и
возраста организмов, мутаций, структуры генома, абиотических и
биотических факторов внешней среды. При этом показаны ста-
460
I
дио- и сегментоспецифичность изменений частоты кроссингове-
ра, возможность индуцированного изменения не только частоты,
но и спектра кроссоверов, в том числе и по количественным
признакам. В пределах мейотической системы частота
рекомбинации зависит от числа хромосом, гетерозиготности по структурным
перестройкам и т. д.
Индуцирование хромосомных аберраций. Хромосомные
аберрации могут быть внутри- и межхромосомными. К внутрихромосом-
ным перестройкам относятся нехватки, инверсии, дупликации,
транслокации. Хромосомы с нехватками (терминальными и ин-
терстициальными) обычно элиминируют в результате
нежизнеспособности пыльцы или ее медленного роста, но могут и
передаваться потомству (как правило, через яйцеклетку). Разрывы
хромосом, наблюдаемые в естественных популяциях, обычно
называют спонтанными. Такие аберрации, как транслокации, чаще всего
происходят под воздействием физических или химических
мутагенов в соматических (в митозе) или генеративных (в мейозе)
тканях, причем в любой точке хромосомы.
Многие исследователи указывают на эффективность
совместного использования физических и химических мутагенов.
Считается, что хромосомные перестройки, включая транслокации,
нехватки, инверсии, индуцируются с максимальной частотой при
обработке материала, клеточные ядра которого находятся в пред-
мейотической стадии или к стадии мейоза. Обобщение
результатов многих исследований но шолиет сделать следующие выводы:
• в пределах каждой хромосомы можно иыделить
определенные зоны, особенно восприимчивые к разрывам;
• механизм действия различных мутагенных факторов,
приводящий к разрыву хромосом и рекомбинациям, может быть
одинаковым;
• гетеро- и эухроматиновые зоны хромосом одинаково
реагируют на воздействие мутагенными факторами.
Индуцирование мейотического и ми то тического кроссинговера.
На частоту кроссинговера влияют температура, возраст, пол,
генотип (определенные гены или структурные изменения хромосом
уменьшают частоту кроссинговера или совершенно подавляют его),
состояние цитоплазмы, структура генома, положение
центромеры, мутации, расположение генов в хромосоме, предшествующие
хромосомные изменения, концентрация в субстрате и в самом
организме соединений азота, кальция, фосфора, калия, магния и т.д.
При этом частота индуцированной межгенной и внутригенной
рекомбинации зависит от дозы и продолжительности облучения, а
также особенностей самой хромосомы или ее сегмента.
Большое число данных указывает на эффективность
использования химических мутагенов с целью индуцирования мейотического
кроссинговера. Установлена рекомбиногенная активность митоми-
цина С, актиномицина ^ и других антибиотиков, рибонуклеазы,
; - 461

некоторых химических супермутагенов. Для большинства
организмов температура является наиболее эффективным фактором
экспериментального изменения мейотической конъюгации гомологичных
хромосом, а также кроссинговера. Однако механизмы влияния
температуры на рекомбинационные процессы до конца не выяснены.
Высказывается, в частности, предположение о стимулирующем или
ингибирующем действии температуры на генные продукты локусов,
влияющих на рекомбинацию. Такой подход соответствует эколого-
генетической модели функционирования гес-системы и позволяет
понять механизмы «буферирующей» роли высокой
онтогенетической приспособленности гетерозигот. Выращивание гибридных
растений Р\ в условиях различной обеспеченности азотом, фосфором,
калием и другими элементами питания, т. е. на разном эдафическом
фоне, также может привести к значимому изменению частоты
кроссинговера. Выявлена сезонная вариабельность частоты хиазм и
кроссинговера у растений как следствие их зависимости от естественных
условий среды. Отмечается не только высокая экологическая
зависимость механизма кроссинговера, но и неодинаковая
чувствительность разных частей генома к воздействию внешних факторов.
В целом многочисленные данные свидетельствуют о влиянии
условий выращивания гибридов Р\ на уровень и спектр
рекомбинаций. И хотя природа этого влияния (как, впрочем, и многих других
феноменов рекомбиногенеза) пока не выяснена, целесообразность
выращивания гибридов Р{ в варьирующих условиях внешней среды
не вызывает сомнений. Сильная зависимость рекомбинационных
процессов от условий внешней среды должна учитываться и в
методическом аспекте, поскольку результаты оценки частоты
рекомбинации подвержены значительной статистической ошибке.
Считается, что облучение эффективно только в течение
относительно коротких периодов предмейотического и мейотического
циклов, т. е. стадиоспецифично. Так, самый высокий выход рекомбинан-
тов у томата (в 2 раза вьппе, чем в контроле) отмечался при облучении
бутонов у-лучами в период раннего предмейоза, тогда как облучение
на последних стадиях 1-го деления мейоза приводило к снижению
числа рекомбинаций. Присутствие 5-хромосом в диплоидном гибриде
изменяет частоту хиазм и число бивалентов в мейозе. Модификации
конъюгации хромосом, вызванные добавочными хромосомами,
описаны для пшеницы, овсяницы, кукурузы и других культур.
За счет индуцирования кроссинговера удается повысить
величину //на 20—50 % и более по сравнению с контролем. Реальные
пределы увеличения г/ связаны с пропорциональным
возрастанием частоты кроссинговера примерно по всему геному или в
отдельных сегментах либо с перераспределением обменов в
определенные зоны без существенного изменения их общего уровня.
Если возможности общего по геному индуцированного
увеличения частоты обменов для высших организмов, видимо,
довольно жестко ограничены, то для отдельных сегментов они могут
462
быть весьма значительными. При этом с помощью экзогенных
воздействий на гетерозиготы Ру удается изменить частоту кроссин->
говера, увеличить частоту рекомбинаций маркеров негомологич- {
ных хромосом, нарушить либо нормализовать сегрегацию марке- .
ров в Р2 и т. д. Наиболее эффективным в этом плане является
сочетание действия экзогенных и эндогенных факторов. »
Хотя митотический кроссинговер и происходит в 100—1000 раз
реже, чем мейотический, уже накоплено большое число фактов,
указывающих на принципиальную возможность индуцирования
митотического кроссинговера у многих организмов, в том числе и
у растений. Причем митотический кроссинговер может влиять на|
мейотическую рекомбинацию, в результате чего повышается
частота рекомбинаций в зонах, проксимальных к точке
соматического кроссинговера.
Индуцированное увеличение изменчивости количественных
признаков. Особый интерес в селекции растений представляет
возможность индуцированного увеличения генотипической изменчивости
количественных (в том числе адаптивно значимых и хозяйственно-
ценных) признаков. Так, при воздействии на гибридные растения
томата на стадии мейоза химическими и физическими факторами
(в том числе мутагенными) удается значительно (в несколько раз)
увеличить по сравнению с контролем выход форм, отличающихся
комплексами хозяйственно-ценных признаков (рис. 12.7).
Частота, %
36 п
32-
28-
0,4 1,2 2,0 2,8 3,6 4,4 5,2 6,0 0,4 1,2 2,0 2,8 3,6 4,4 5,2 6,0 6,8
Длина, см
а 6
Рис. 12.7. Влияние у-облучения семян Р\ на распределение в /? по длине проростков
на фоне нормальной и пониженной температур при оценке на 15-й (а) и 25-й (б) день:
1 — контроль, нормальный фон; 2 — у-облучение, нормальный фон; 3 — контроль, фон
пониженной температуры (12 "С); 4 — у-облучение, фон пониженной температуры (12 °С)
463,

Под действием экзогенных индукторов рекомбинации или их
сочетаний в гетерозиготах (в том числе межвидовых гибридах)
нарушаются традиционные схемы обмена на уровне целых хромосом
и их сегментов, что может способствовать существенному
изменению спектра доступной отбору генотипической вариабельности
количественных признаков. При этом для разных видов
организмов в одних и тех же условиях среды возможны [/-образные и
обратные зависимости частоты и спектра рекомбинаций.
Следовательно, генетическая адаптация популяции может быть
достигнута за счет как повышения, так и понижения частоты и спектра
рекомбинантов в расщепляющихся поколениях. Индуцированная
генотипическая вариабельность влияет на структуру
расщепляющихся поколений, характер межгенотипической конкуренции, а
значит и на генетический гомеостаз популяций. Наряду с
дополнительными рекомбинационными обменами экзогенные факторы
индуцируют и мутации, большая часть которых отрицательно
сказывается на приспособленности. Поэтому изменения среднего
значения признака и дисперсии могут не совпадать по направлению.
12.5.4. ЗНАЧЕНИЕ ИНДУЦИРОВАННОГО РЕКОМБИНОГЕНЕЗА
В СЕЛЕКЦИИ РАСТЕНИЙ
Селекция — двухэтапный процесс, включающий
формирование генотипической изменчивости и отбор хозяйственно-ценных
генотипов. Попытки придать первостепенную значимость
первому или, наоборот, второму этапу несостоятельны. Действительно,
чтобы создать сорт, надо его уже иметь в расщепляющейся
популяции. Не оправданны и утверждения о том, что якобы доступной
отбору и одновременно хозяйственно значимой генотипической
изменчивости достаточно. Поэтому к проблеме индуцированного
рекомбиногенеза следует подходить с учетом того, что в
обозримом будущем метод комбинационной селекции, базирующийся на
гибридизации и мейотической рекомбинации, будет
определяющим в управлении наследственной изменчивостью культурных
растений и домашних животных. Все возрастающий потенциал
генетической инженерии, реальные возможности которой пока
сводятся к манипуляции отдельными генами, может в обозримом
будущем сыграть вспомогательную, но не решающую роль в
реализации уже известных задач селекции. Поэтому методам
комбинационной селекции, связанным с преодолением межвидовой
несовместимости (в широком смысле слова), эндогенным и
экзогенным индуцированием частоты и, главное, спектра мейотического
кроссинговера, предотвращением элиминации рекомбинантных
гамет и зигот, должно быть уделено первостепенное внимание.
Очевидно, что без понимания важнейших механизмов
формирования потенциальной генотипической изменчивости в процессе
464
I
рекомбинаций и перехода ее в свободную и доступную отбору не
может быть эффективной теории и практики селекции. Причем
направление эндогенного и экзогенного индуцирования
рекомбинаций не следует отделять от феноменологического подхода,
поскольку зависимость уровня и спектра рекомбинационной
изменчивости от пола, возраста, условий внешней среды и других
факторов, по существу, также находится в сфере проблематики
«индуцированного рекомбиногенеза».
Важность разработки методов управления рекомбинационным
процессом с целью повышения доступной отбору хозяйственно и
адаптивно значимой генотипической изменчивости обусловлена
следующими причинами.
• Возможность повышения уже достигнутого однажды
предельного порога потенциальной продуктивности и толерантности
к действию экологических стрессоров (интенсивности истинного
фотосинтеза, эффективности использования минеральных веществ
и воды, зимостойкости, засухоустойчивости, устойчивости к
заморозкам, жаре и т. д.) базируется на получении в расщепляющихся
поколениях интрогрессивных и трансгрессивных рекомбинантов.
В основе создания указанных генотипов лежат принципиально
новые (нетрадиционные) комбинации генов и (или) блоков ко-
адаптированных генов, т. е. новый спектр генетической
рекомбинации. А это, в свою очередь, предполагает перемещение кроссо-
верных обменов в «запретные» зоны хромосом и получение
«нетрадиционных» рекомбинантов.
• Качественно новый этап в селекции растений может быть
обеспечен как за счет улучшения использования зародышевой
плазмы громадного разнообразия диких видов растений (причем в
качестве доноров не только хозяйственно-ценных признаков, но и
новых объектов культивирования, средств фитомелиорации и т. д.),
так и на основе эндогенного и экзогенного индуцирования мейо-т
тической (а возможно, и митотической) рекомбинации. :
• Индуцированное изменение частоты и спектра рекомбина-'
ции с помощью экзогенных факторов меняет традиционные
представления о якобы нейтральной роли агроэкологичсского фона в
гибридных питомниках. Эти же обстоятельства свидетельствуют о
большем давлении естественного отбора и «формирующего»
влияния факторов внешней среды. Показано, например, что
выращивание гибридов растений ^ в необычных условиях среды
[действие температурного и (или) водного стрессора, высокий уровень
минерального питания и др.] приводит к существенному
изменению генотипической структуры расщепляющейся популяции.
К настоящему времени представления о мейотических и пост-
мейотических процессах сложились лишь в общих чертах.
Поэтому многие вопросы, связанные с реальными возможностями
использования в селекции индуцированного рекомбиногенеза
требуют дополнительных исследований. Более того, частные генети-
.; . • 465

I1.-..' ■ ■
ка и селекция растений должны разрабатываться с учетом
специфики функционирования соответствующей рекомбинацион-
ной системы каждого вида и системы размножения, плоидности,
основного числа хромосом, уровня и спектра рекомбинаций в
макро- и микроспорогенезе, особенностей элиминации реком-
бинантных гамет и зигот и т. д. Следует также учитывать, что
феноменологический уровень знаний в области мейотической
рекомбинации уже достаточно высок, что и определяет
необходимость их использования в теории и практике селекции растений.
Так, понимание зависимости рекомбинационной изменчивости
у гибридных растений от условий внешней среды, а также
особенностей перехода потенциальной генотипической
изменчивости в свободную и доступную отбору позволяет раскрыть
причины эффективности эколого-географической селекционной сети
и сезонного отбора, оценить влияние фона выращивания
гибридов Р\ не только на мейоз, но и на постмейотические этапы,
связанные с элиминацией рекомбинантных гамет и зигот и т. д. И
наконец условия абиотической и биотической среды
селекционного поля не только «сортируют» генотипы в расщепляющихся
поколениях, определяя интенсивность и направление
естественного отбора гамет, зигот и проростков, но и обусловливают
возможность распознавания искомого генотипа за «фасадом»
фенотипа.
Повышение эффективности селекционного процесса
предполагает использование целого комплекса методов, подходов и
сведений, позволяющих прямо или косвенно влиять на
рекомбинационную изменчивость. К числу важнейших из них
следует отнести:
• подбор пар для скрещивания с учетом их рекомбинацион-
ного потенциала. Особого внимания при этом заслуживает
использование промежуточных сортов и линий-реципиентов с
высоким общим уровнем обменов в Р\ и (или) их необычным
распределением;
в выбор направления скрещивания и условий получения
гибридов Р\ с учетом разной способности макро- и микроспор к
переносу хромосомных аберраций, а также элиминации
рекомбинантных гамет в процессе селективного оплодотворения;
• выбор фона для выращивания гибридов с учетом
влияния факторов внешней среды на уровень и спектр
рекомбинационной изменчивости на этапах предмейоза, мейоза и пост-
мейоза;
• снижение канализирующей роли высокой онтогенетической
приспособленности гетерозигот и гетерогенности популяции на
процесс рекомбинационной изменчивости;
• экзогенное и эндогенное индуцирование рекомбинаций,
обеспечивающих манипулирование системой контроля обмена
генами и хромосомами;
466 '
• использование селективных сред для отбора
рекомбинантных генотипов на клеточном уровне (т уМго), переноса
экзогенной ДНК путем трансгеноза, снижения селективной элиминации
рекомбинантных гамет и зигот.
Таким образом, попыткам селекционера вовлечь в обмен
новые участки хромосом противостоит каскад эволюционно
сложившихся механизмов, защищающих 81а1ш ^ио генофонда вида
от разрушения. К их числу относится, прежде всего,
структурная и функциональная интегрированность высших растений, в
основе которой лежит каиализированность процесса
рекомбинаций, обусловленная имгибированием обменов в блоках ко-
адаптированных генов, внутри- и межхромосомными
взаимодействиями, гаметической и зиготической стерильностью,
совпадением рецессивности генов стерильности и генов высокой
частоты кроссинговера, слабой жизнеспособностью рекомби-
нантов и т. д. И все же многочисленные данные
свидетельствуют о принципиальной возможности эндогенного и экзогенного
индуцирования уровня и спектра рекомбинационной
изменчивости. Причем за счет использования индуцирующих
факторов становятся возможными нарушение обычного характера
расщепления по мопогеппым признакам, повышение частоты
кроссинговера между тесно сцепленными признаками,
изменение средних значений количественных признаков, увеличение
или уменьшение их дисперсии, получение новых, в том числе
трансгрессивных, значений хозяйственно-ценных признаков и
их сочетаний.
Представленный выше материал дает основание считать, что в
ближайшие десятилетия основное внимание исследователей в
области частной и экологической генетики, а также адаптивной
системы селекции будет сосредоточено на разработке методов
управления формообразовательным процессом у высших эукариот.
При этом проблема индуцирования генетических рекомбинаций
станет одной из главных, поскольку именно от ее решения
зависит, будет ли селекция и дальше искусством, успех в котором
определяется талантом одиночек и масштабом работы, или же
эволюцией, управляемой по воле человека.
Вопросы и задания. 1. Опишите особенности мутационной и
рекомбинационной изменчивости. 2. Какова роль мутаций и рекомбинаций в эволюции и
селекции организмов? 3. От каких факторов зависят частота и спектр кроссоверных
обменов? 4. В чем состоят основные закономерности генетической рекомбинации у
высших организмов? 5. Почему нужно знать закономерности элиминации
рекомбинантных гамет и зигот? 6. Какова роль и возможности индуцирования
мейотической рекомбинации? 7. В чем различия потенциальной, свободной и доступной
отбору генотипической изменчивости?
■■■■■■■■■ ■ . ■'■■>' • ; 467

■ Литература .;-;«л;.^;'™г,.,,
Бауэр Э. С. Теоретическая биология. — М.; Л., 1935.
Вавилов Н. И. Теоретические основы селекции растений. — М • Л ■ Гос изд-во
колх. и совхоз, лит-ры, 1935. — Т. 1. '' " 1"1-и-ад ьо
Дарвин Ч. Происхождение видов путем естественного отбора/Пер. К. А.
Тимирязева.— СПб., 1896.
ДишлерВ. Я. Индуцированный рекомбиногенез у высших растений. — Рига
оИНЗТНС, Л УоЗ.
Дубинин Н. П. Экспериментальное исследование интеграции наследственных
систем в процессах эволюции популяций//Общ. биол. — 1948. — Вып. 3. — С. 203—
Жученко А. А. Экологическая генетика культурных растений (адаптация
рекомбиногенез, агробиоценоз. — Кишинев, 1980.
Жученко А. А. Адаптивный потенциал культурных растений
(эколого-генетические основы). — Кишинев, 1988.
Жученко А. А. Адаптивная система селекции растений (эколого-генетические
«ИзмАг Т"»~20т Д"В° Российского университета дружбы народов и ООО
МайрЭ. Эволюция. — М.: Мир, 1981.
Мэйнард Смит Дж. Эволюция полового размножения. — М 1981
Синская Е. Н. Динамика вида. — М.; Л. 1948. '
и историческом
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Адаптация 424, 436
Адвентивная эмбриония 26, 343
Аденин 69—72
Акроцентрическая хромосома 7
Активатор 108
Активация свободных аминокислот 96
Аллелизм 49, 246
— множественный 49, 246, 372, 373,
412
Аллель (-ли) 35, 245, 321
— дикий тип 49, 50, 255
— доминантный 30, 244, 245
— множественные 49, 246
— рецессивный 30, 244, 245
Аллеля
— фиксация 389, 393
Аллогамная культура 317
— популяция 322
Аллополиплоидия 240, 268
Аллоциклия
— геномная 305
АминоацилированИе тРНК 96
Аминоацил-тРНК-синтетаза 96
Амитоз 14
Амплификация 121, 354
Анализ
— генетической полиморфности
популяции 410—413
— популяционно-генетический 364
Анализирующее скрещивание 36, 37,
376
Анафаза 13, 17, 19
— мейоза 17, 19
— митоза 13
Андалузские куры (наследование
окраски) 30, 31
Анеушюидия 240, 269, 343
Анеуплоиды 240, 286, 299
Анортоплоидия 268
Антиген(ы) 51
Антиподы 22
Антитела 51, 52, 351, 352
Апогамия 26, 343
Апомиксис 25, 26
Апоспория 29
Аппарат Гольджи 5
Археспориальные клетки 21
Ассортивное скрещивание 316
Аутбридинг 322, 387, 424, 439
Аутогамия 317, 319
Аутополиплоидия 240, 268
Ауторепродукция 82, 84—88
Аутосомы 8, 144, 372
Бактерии 3, 66, 75—80
— кокки 3, 66—68
— спериллы 3
Бактериофаг 73—75
Банк кДНК 135
Белки олигомерные 99
Бесполое (вегетативное)
размножение 22, 241, 343
Бивалент 17
Бисексуальность (гермафродитизм)
142, 155
Близкородственное скрещивание 314,
322-324
«Буферирующая» роль высокой
онтогенетической приспособленности
гетерозигот и гетерогенных
популяций 453, 462
Вектор инактивации 130
Векторы 111
Векторная трансформация 111
Веретено деления 13
— нити опорные 13
— нити тянущие 13
Взаимодействие неаллельных генов 53
— доминантных 54, 55
— комплементарных 56
— полимерных 61, 62
— рецессивных 60, 61
— эпистатическос 58—60, 341
Вида
— ресинтез 307
— синтез 306, 307
Вирус 73—75
— ризомании 140
— табачной мозаики 80—82
Впутрихромосомные перестройки 240,
247-251
— дупликации 240, 248, 249
— инверсии 240, 248—251
Гаметофит 20—22
— женский 21, 22
— мужской 20, 21
469

Гаметы 20—22
— женские 21, 22, 144, 145, 210
— мужские 21, 22, 144, 145, 210
Гамма-поле 263
Гаплоидия 115, 240, 290
Гаплоидный набор хромосом 20, 115,
144
Гемизиготность 135
Гемофилия 165, 257
— А 257
-В 257
Ген (-ы) 35, 116
— аллельные 35
— диссоциатор 108
— доминантный 48
— дупликатный 61
— ингибитор (супрессор) 88, 243
— кодирующие РНК 117
— модификатор 64
— перекрывающиеся 106, 107
— тРНК 118
Гена (ов)
— белки 119
— конверсия 198
— мутации 240—242, 405—408
— соконверсия 200
— сцепление 174, 319, 373—376, 381—
383
— транс-положение 108, 178
— чнс-положение 112, 178
— частота 256, 257, 367
Ген-активатор 108, 109, 252
— инсулина человека 133, 136
— структурный 101
— транспозирующий 107— 110
Гена структура 101
Генетика
— популяционная 364
Генетическая информация 66, 91
— рекомбинация 78, 131
— трансформация 66—68
Генетическая карта хромосом 78—80
Генетическая программа
индивидуального развития 346, 347
Генетическая система вида 115, 123
Генетический анализ 27
— код 27, 92—94
вырожденный 92
неперекрывающийся 92
Генетический груз 403
Генетический контроль мейоза 19, 435
Генетического кода
вырожденность 92
Генная инженерия 112, 126—141
— мужская стерильность 345
Генов получение 127
Геноинформатика 124
Геном 114—127, 350
— митохондрий 121
— хлоропласта 121
— человека 122—126
Геномика 122—124
Геномные мутации 240
Геносистематика 73
Генотип(а) 114, 317—319
— рекомбинантный 78, 421
— приспособленность 398, 402, 403
— частота 256, 257, 364, 366
Генофор 3
Гермафродитные растения 28, 155
Гетерогенота 206
Гетеродуплекс 200
Гетерозигота 35, 143, 319, 344
Гетерозиготность 35, 143, 318 337
339, 343, 344
Гетерозис(а) 324, 342
— закрепление 343
— продление 343, 344
Гетерохроматин 353
Гибрид 28, 324, 327—336
Гибридизация нуклеиновых кислот
132, 350
Гибридная кукуруза 330—336
— мощность 324
— сила 326, 327
Гибридные молекулы ДНК 132
Гибриды двойные межлинейные 334
— межлинейные 330—334
— межсортовые 330
— простые межлинейные 330—333
Гинандроморфы 150, 151
Гипотеза (ы)
— гетерозиготности 338, 339
— доминирования 340
— Мезелсона-Реддинга 201
— эволюции (классическая и
балансовая) 13, 14, 412
Гистоны 8, 87, 89, 91
Гомозигота 35, 143, 319, 320, 336, 337
Гомозиготность 35, 43, 318, 323, 336,
337
Гомологичные хромосомы 7, 341
Государственный реестр
селекционных достижений 336
Группы крови системы АВ0 31, 32, 51
— антигенные реакции 52
Гуанин 69, 71, 241
Двойное оплодотворение 24, 25
Двуцепочечный разрыв — репарации
гипотеза 201
Дезоксирибонуклеаза 69
Деление клетки 11
Делеции 102, 420, 422, 447
Диада 19
— макроспор 19
— микроспор 19
Диакинез 17
470
Дигибридное скрещивание 39
Диплотена 17
Дифференцировка 346, 347, 349, 351,
354
ДНК (дезоксирибонуклеиновая
кислота) 67—75
— митохондриальная (мт ДНК) 121
— «общая» 82—91
— хлоропластная 121, 229
— ядерная 67, 75
ДНК-зонды 128
ДНК-копии 134
ДНК-лигаза 88-133
— ауторепродукция 82, 84—88
— дисперсный способ репликации 84
— и шгоидность клетки 73
— липкие концы 127
— митохондрий 91
— плазмид 131
— полимераза 87, 88, 94, 131
— полуконсервативная репликация 84
— рентгенограммы 74, 75
— репликация 85—87
— содержание и плоидность 73
— строение 82, 83
Доместикационный синдром 425
Доминирование 28, 30
— мозаичное 51
— неполное 30
— полное 30
Дрейф генов (генетический
дрейф) 389-393
Дупликация 248, 249, 422, 447
Жизненный цикл 23
Закон(ы)
— гомологических рядов в
наследственной изменчивости Н. И.
Вавилова 237-239
— Менделя 33, 316
единообразие первого
поколения 28, 29, 33
— расщепления 33
— Харди — Вайнберга 316, 322, 367,
368
— чистоты гамет 39
Зародышевый мешок 21
— восьмиядерный 21, 22
— двуядерный 21, 22
— нормальный 21, 22
— четырехъядерный 21, 22
Зигота 20, 25, 346, 347
Зиготена 17
Идиограмма хромосом 8
Излучения ионизирующие 262—265
— неионизирующие 263
Изменчивость 419—467
Инбредная депрессия 324, 377
— линия 332, 333, 337
Инбредный минимум 315
Инбридинг 314—316, 331, 337, 376, 421
— влияние на структуру
популяции 318-323, 377-381
Инбридинга
— коэффициент 319—329, 378
Инверсия(и) 240, 248, 249-251, 422,
427
Индуктор 96—99
— считывания 96, 97
Индуцированный рекомбиногенез 458
Инициация транскрипции 94
Инсерция(и) 109, 433
Инсулин человека 133, 136
Интегрированные (коадаптированные)
генные комплексы 458
Интегументы 21
Интерфаза 11
Интерференция 184, 427, 451
Интина 21
Интрогрессия 299, 419, 459
Интрон(ы) 104-107
Инцухт-депрессия 315
— минимум 315—323
Искусственный отбор геосистемы 440
«Канализированность» генотипичес-
кой изменчивости 450
Кариолимфа 5
Кариотип 7
Каротиноиды (см.Хромопласты)
Квазисцепление 421
Кишечная палочка 3, 75—80, 98, 106,
112, 129-131
Клетка 4
— археспориальная 21
— бактерий Н& 77, 207
— вегетативная 21
— генеративная 21
— половая 20
Клеточная тетрада 21
Клеточный цикл 11—13
— митоз 11—13
— постсинтетический период 13
— пресинтетический период 13
— синтетический период 13
Клонирование генов 111, 127, 128, 136
Коадаптированные блоки генов 458
Код генетический 92—93
Кодоминирование 31
Кодон 94-99, 106
Конверсия 419, 430
Консервативный способ
репликации 84
471

Контролирующие элементы 107
— автономные 108
Концепция генетического
баланса 341, 342
— компенсаторных комплексов 342
— сверхдоминирования 338, 339
Конъюгация хромосом 17
— асинапсис 302
— асиндез 301
— автосиндез 302
— аллосиндез 302
— бивалентная 17, 302
— гиперсиндез 301
— гипосиндез 301
— десинапсис 302
— пойкилосиндез 301
— унивалентная 302
— циклосиндез 301
— эусиндез 301
Коэффициент
— инбридинга 316, 319, 322, 323
— коинциденции 186
— нуклеотидной специфичности 73
Криптомерия 60, 61
Кровосмешение 323
Кроссинговер (см. также перекрест)
17, 174, 353, 419, 421, 430, 448-452,
461
— мейотический 428
— митотический 192, 428, 461
Ксенийность 25
Лейкопласты 5
Лептотена 17
Лимфоциты 351, 352
Локус 184
Маркеры генетические 211, 410, 416
Л/е/-гены 19
Мегаспорогенез 21
Мегаспоры (макроспоры) 19
Медицинская геномика 122, 123
Мезогамия 24
Мейоз (редукционное деление) 15—17
— второе деление 15
— значение 20
— первое деление 15
— стадии 17
Мейоза
— генетический контроль 19
— преобразовательные и
воспроизводительные функции 419—435
Мейотический драйв 7
Меристемы 4, 355, 358—362
Мерозигота 78, 79, 206
Метафаза 13, 9
— второго деления 19
— митоза 13
— первого деления 17
472
Метафазная пластинка 13
Метод хи-квадрат 45
Механизмы сбалансированной
реализации потенциала генотипической
изменчивости 454
Миграция 408—410
Микропиле 21
Микроспорогенез 20, 21
Микроспоры 19
Микроэволюция гее-систем 460—464
Митоз 11—13
— значение 14
— соматических клеток 11—14
— стадии 13
Митохондрии 5, 121, 220, 222-226,
228, 234
Множественные обмены 185
Множественные факторы
(множественный аллелизм) 49, 372, 373
Мобильные диспергированные
генетические элементы (МДГ, транспазо-
ны) 234
Модель интерфазной хромосомы 90
— метафазной хромосомы 90
Молекулярная генетика 66—241
Моноцистрон 101 — 103, 220
Морфогенез 346, 347
Мутагенез 236—266
Мутагены 261—266, 461
— физические 218
— химические 218, 265, 266
Мутант(ы) 19, 216, 236, 357, 358
Мутации 236, 357—361, 434, 446
— генные 240
— геномные 240
— доминантные 244, 245
— индуцированные 258—266
— микромутации 259
— обратные 246, 406
— прямые 246, 406
— спонтанные 253, 257, 258
— рецессивные 244, 245
— типы 240
— у человека 257—258
— хромосомные 240—246
— частота 156—158, 406
Мутационная изменчивость 236—266,
419-467
— теория 236, 237
Мутон 102
Набор хромосом 7
— гаплоидный 7, 144
— диплоидный 7, 144
Наследование голандрических
признаков 167
Наследственность
— внеядерная 210
— зависимая от пола 171
I
— митохондриальная 210, 216
— нехромосомная 210
— ограниченная полом 171
— пластидная 210, 212, 213
— сцепленная с полом 161
— цитоплазматическая 210, 211
— экстрахромасомная 210
Нонсенс-кодоны 242
Норма реакции 65
Нуклеиновые кислоты (см.ДНК и
РНК) 68-73
— строение 69—73
Нуклеозид 69
Нуклеосома 11, 89, 90
Нуклеотид 69, 70
Нуцеллус 21
Облучение острое 262
— хроническое 262
Обнаружение мутаций 243—246
Обратная генетика 115
Обратная транскриптаза 100, 128
Онтогенез(а) 346
— этапы 346
Онтогенетическая «память» 437, 443
Оперон(ы) 229
Оплодотворение двойное (см. двойное
оплодотворение)
Организация ДНК в хромосомах 88—
91
Органогенез 346
Ортоплоидия 268
Отбор 447
— естественный 394, 398-405, 407
— искусственный 393—397
Отбора
— коэффициент 398—402
— эффективность 395
Панмиктическая популяция 322, 323,
365
Партеногенез 25, 343
— нередуцированный 25, 26, 148
— редуцированный 25, 148
Пахитена 17
Пенетрантность 64
Перекрест(а) (см. также
кроссинговер) 17, 174
— механизм 195
цитологический 189
молекулярный 198
— митотический 192
— частота 178
— двойной 184
— множественный 184
— неравный 186
— одинарный 178
— факторы 193
Перикарп 25
Перисперм 25
Плазмиды 111, 128, 131, 133, 137, 138
— Ш 138
— Т1-137
Плазмогены 4, 211
Плазмодесмы 4
Плазмон 211
Пластиды 5, 211, 220
Плейотропия 63
Пневмококки 66—68
Повторяющиеся последовательности
ДНК 116, 117
Показатель (и)
— генетической дивергенции форм
(популяций) 414—416
— неравновесия по сцеплению 374—
376
— ожидаемой гетерозиготности
популяции 412
— относительной приспособленности
генотипа 398
— полиморфности популяции 411
— приспособленности генотипа
(степень) 398, 402, 403
— средней гетерозиготности
популяции 411-413
— средней приспособленности
популяции 402
Пол
— гетерогаметный 143
— гомогаметный 143
Пола (ов)
— определение 142
балансовое 149
програмное 143
— переопределение 151
— сингамное 142
— хромосомное 143
— эпигамное 143
— соотношение 143
Полигибридное скрещивание 39
Полимерия 61, 385
Полимерные гены 61, 62, 385
Полиморфизм 410—414
— сбалансированный 408
Пол и пептида структура 99 ■?
вторичная 99 --.
— — первичная 99
третичная 99
Полипептидные цепи 99
Полиплоидизация(и)
— зиготическая 269
— мейотическая 269
— методы 270
генетические 271
синдиплоидия 271
физические 270
декапитация 270
473

химические 271
колхамин (колцемид) 272
колхикозид 272
колхицин 271
люмиколхицин 272
— митотическая 267
Полиплоиды
— автоаллоплоиды 268
— автоплоиды 68
— аллоплоиды 268
— аллопентаплоиды 268
— аллотриплоиды 268
— амфидишгоиды 268, 305
— анеуплоиды 269, 286
моносомик 269
нуллисомик 269
тетрасомик 269
трисомик 269, 286
вторичный 269, 286
первичный 269, 287
третичный 269, 287
трисомик-нуллисомик 269
— анортоплоиды 268
— гаплоиды 290
андрогенные 292
андроклинные 292
матроклинные 292
— гапло-тригою-дисомик 290
— ортошгоиды 268
— сегментные полиплоиды 268
— сесквиплоиды 268
— триплоиды 284
— эуплоиды 268
Полисома (полирибосома) 99
Политения 14
Половое размножение 142
Популяция (и) 318, 319, 364
— гомозиготизация 319, 377, 384—386,
389-393
— замкнутая 365
— панмиктическая 365
— подразделенность 408
— равновесие 364
генетическое 264, 367, 370, 400,
401, 408, 410
генотипическое 364, 367, 370,
372-374
— структура 364—366
генетическая 364—367
генотипическая 364—366
— эволюция 364, 402, 403, 410—416
— эффективная численность 387
«Попутный транспорт» лес-аллелей 446
Постмейотическая элиминация реком-
бинантов 419—467
Постоянство числа хромосом 7
Почковая вариация 243
Правило Чаргаффа 72, 73
Прерывистость генов 104—106
474
Пре-тРНК 105 *'"
Признак (и) 30
— альтернативные
(контрастирующие) 30
— доминантные 30, 244, 245
— рецессивные 30, 244—246
Прогамия 24
Прокариоты 3, 82, 85, 86, 91
Промоторы 94
Простой межлинейный гибрид 333
Профаза 13
— мейоза 17
— митоза 13
Процессинг 354
Пыльник 20
Пыльцевая трубка 24
Пыльцевое зерно (микроспора) 20
— вегетативная клетка 21
— генеративная клетка 21
— спермин 21
Рамка считывания 106, 240—242
Расщепление 33
— при анализирующем скрещивании
36
— при дигибридном скрещивании 40,
41
— при моногибридном скрещивании
34,35
— при неполном доминировании 45
— при тригибридном скрещивании 42,
43
— по фенотипу 33—36, 40—43, 45, 218
— трансгрессивное 421
— хроматидное 278, 279
— хромосомное 278, 279
дидуплекса 278
дуплекса 278
дуплекса-симплекса 278
квадриплекса 278
нуллиплекса 278
симплекса-триплекса 278
Редукционное деление (см. мейоз)
Редукция числа хромосом 15
Рекомбинантная ДНК 112, 131, 133
Рекомбинационная изменчивость
— доступная 452—457
— потенциальная 452—457
— свободная 452—457
Рекомбинационный потенциал вида
460
Рекомбинация(и) 373—376, 419—467
— ферменты 198, 421
Рекон 102
Репликативная вилка 85—88
Репликация 85—88, 113, 133
— ошибки 88
— РНК 99
Репликон 111
Рестриктаза 127, 132, 133
Рестрикция эндонуклеаз 115
Реструктирующие эндонуклеазы 130
Ретранспозоны 110
Ретровирусы 100
Ретрогены 111
Ретротранспозоны ПО, 111
Решетка Пеннета 35
Рибоза 69
Рибосомы 4, 96—99
РНК (рибонуклеиновая кислота) 80—
82
— мц 119
— мя 98, 109
РНК-полимераза 94, 95
Рост 346, 347
Сайт(ы) 103, 129
Сверхдоминирование 338—340
Секвинирование ДНК 131, 355
Семяпочка 21
Сибсы 319-323
Сигнал инициации трансляции 96
Синапсис 17
Синаптонемный комплекс 17, 18, 426
Синергиды 22
Система скрещивания 423
Системы «грубого» и «тонкого»
контроля 435, 454, 455
Скрещивание(я) 36
— анализирующее 36, 37
— ассортативное 383—386
— дигибридное 39
— дизассортативное 386, 387
— инконгруентные 305
— конгруентные 301
— моногибридное 39
— межвидовые 300
— межродовые 300
— насыщающее 219, 381—383
— полигибридное 39
— тригибридное 43
Соленоид 89
Спейсеры 118
Спектр рекомбинации 465
Спермий 21
Сплайсинг 105
Спутники хромосом 7
Стадия (-ии) 17
— мейоза 17
— митоза 13
Стерильность 218, 219, 431, 455, 456
— гаметическая (образование дегене-
рированных гамет) 431
— зиготическая (формирование
нежизнеспособных зигот) 431
-мужская (МС) 218, 219, 431
ядерная, генная (ГМС) 218, 219
цитоплазматическая (ЦМС) 218—
220, 232 Г
закрепители стерильности 218,
219
восстановители фертильности '
218, 219
молдавский тип (М,§) 218, 219
техасский тип (Т) 218, 219
Субметацентрические
хромосомы 7
Сцепление (я)
-генов 174, 373-376, 381-383
— группа 174
Тандемные повторы
последовательностей ДНК 120, 248
Таутомеризация 241
Телофаза 13, 19
— мейоза 19
— митоза 13
Теоретические аспекты гетерозиса
336-342
Теория нейтральной эволюции 393,
413
Терминатор 95, 96
Терминация считывания 93, 98, 242
Тетрада 23
— макроспор (мегаспор) 21
— микроспор 21
Тетрадный анализ 187
Тимин 69
Типы рекомбинаций 419—422
— внутрихромосомная, или
межгенная 419, 422
— внутригенная 419, 422
— гомологичная и гетерологичная 419,
422
— интрогрессивная 419, 422
— межхромосомная 419, 422
— мейотическая 413, 422
— митотическая 419, 422
— реципрокная и нереципрокная 419
— трансгрессивная 419
Тонкая структура гена 101
Транзиция 241
Трансверсия 241
Трансгенные ДНК 137
Трансгрессия 63
Трансдетерминация 347
Траисдукция 79, 80
Транскриптаза обратная 100
Транскрипция 94, 95
-обратная 100, 128, 354
Транслокация 251, 252, 422
Трансляция 95—99, 101, 355
Транспозирующие генетические
системы 107—110
Транспозиция 109, 251
Транспозоны 109, 252
Трансфераза 131
475

Трансформация 129, 133
— бактерий 66—68
— плазмидная (векторная) 111
Триплеты 92, 94
— инициации 93
— терминации 94
Тройная гетерозигота 42
Тычиночная нить 20
Фактор
— Р+ у бактерий 76-78, 149, 207
— р- у бактерий 76—78, 199
Фенотип 34
Фундаментальная теорема Фишера
402-403
Фуникулюс 21
Функциональная геномика 124
Халазогамия 24
Хиазмы 17, 19, 190, 427
— частота 190
Химический синтез генов 127
Хлоропласты 91, 121
Холлидея структура 195
Хроматиды 8, 90
Хромомеры 8, 11
Хромонема 8, 11
Хромопласты 5, 223, 234
Хромосома(ы) 7
— аутосомы 8, 144
— биваленты 17
— генофор 3
— головчатые (акроцентрические) 7
— гомологичные 7
— неравноплечие (субметацентричес-
кие) 7
— политенные 14, 15, 347, 354
— половые (ых) 8, 144, 151
нерасхождение 153, 169
— равноплечие (метацентрические) 7
— связанные 171
— соматические (аутосомы) 8, 144
— теломерные участки 7
— типа ламповых щеток 354
Хромосомная инженерия 459
Хромосомная теория
наследственности 91
Хромосомные перестройки
— аберрации 461
Цветки 361-363
— гермафродитные 155
— пестичные (гинецейные) 155
— тычиночные (андроцейные) 155
Центральное ядро зародышевого
мешка 21
Центровая теория гена 102
Центромера 90
Цианобактерии 3, 233
Цистрон 102
Цитогены 119
Цитозин 69—71
Цитоплазма 4, 211, 218, 221
Частота и распределение (спектр)
кроссоверных обменов 448, 465
Чистая линия 237
Эволюционная «память» 443
Эволюция 86, 364, 393, 410, 412, 413,
415, 416, 440
— генетических систем 445
Экзина 21
Экзогенота 206
Экзон 104, 105
Эколого-филогенетический адаптацио-
генез генетических систем 437
Экспрессивность 63
Экспрессия гена 35, 63
Элемент (ы) 108
— регуляторный 108
— рецепторный 108
— транспозирующийся 110
Элонгация 97
— рестрикции 115
Эмбриогенез 356, 357
Эмбриония 26
— адвентивная 26
— интегументальная 26
— нуцелярная 26
Эндомитоз 14
Эндонуклеаза 115, 127, 130
Эндосперм 25
Эписома 77
Эпистаз 58
— доминантный 59
— рецессивный 60
Эукариоты 3, 67, 82, 85, 86, 89, 91, 233
Эуплоидия 240, 268
Эухроматин 89, 353
Эффект гетерозиса 326
Ядро 4, 5
Ядрышковый организатор 7
Ядрышко 5
Яйцевой аппарат зародышевого мешка
21
Яйцеклетка 21, 210, 346—348
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 1. Цитологические основы наследственности (Пухальский В. А.) 3
1.1. Клеточное строение организмов 3
1.1.1. Строение растительной клетки 4
1.1.2. Хромосомы, их типы и строение 7
1.2. Деление растительной клетки 11
1.2.1. Отклонения от типичного протекания митоза 14
1.3. Мейоз 15
1.3.1. Генетический контроль мейоза 19
1.3.2. Генетическое значение мейоза 20
1.4. Микроспорогенез и развитие мужского гаметофита 20
1.5. Мегаспорогенез и развитие женского гаметофита 21
1.6. Типы размножения растений 22
1.6.1. Оплодотворение, развитие эндосперма и зародыша 24
1.6.2. Явление ксенийности 25
1.6.3. Апомиксис 25
Литература 26
Глава 2. Менделизм. Принципы и методы генетического анализа
(Пухальский В. А.) 27
2.1. Закономерности наследования при моногибридном скрещивании,
открытые Менделем 28
2.1.1. Доминантность и рецессивность. Единообразие первого
поколения 28
2.1.2. Правило расщепления гибридов второго поколения 33
2.1.3. Закономерности наследования при дигибридных и
полигибридных скрещиваниях 39
2.1.4. Условия осуществления менделевских законов 47
2.2. Генетические обозначения. Множественные аллели 48
2.2.1. Множественный аллелизм 49
2.3. Наследование признаков при взаимодействии генов 53
2.3.1. Наследование формы гребня у кур 53
2.3.2. Отличия во взаимодействиях между доминантными и
рецессивными генами 55
2.3.3. Комплементарное взаимодействие генов 56
2.3.4. Эпистаз (супрессия) 58
2.3.5. Доминантный эпистаз 59
2.3.6. Криптомерия 60
2.3.7. Полимерия 61
2.4. Плейотропия 63
2.5. Трансгрессия 63
2.6. Модифицирующее действие генов. Пенетрантность, экспрессивность,
норма реакции 64
Литература _,. 65
Глава 3. Молекулярные основы наследственности. Структура и функции гена
(Гужов Ю.Л.) 66
3.1. Генетическая роль нуклеиновых кислот 66
3.1.1. Трансформация бактерий 66
3.1.2. Химический состав ДНК и видовая специфичность ее нуклео-
тидного состава 68
3.1.3. Сопоставление плоидности и содержания ДНК в клетке 73
3.1.4. Передача наследственной информации через ДНК вирусов 73
3.1.5. Бактерия ЕзсИепсЫа соН как важный объект генетических
исследований 75
3.1.6. РНК как генетический материал 80
3.2. Строение и функции нуклеиновых кислот 82
3.2.1. Структура ДНК и молекулярные основы ауторепродукции 82
3.2.2. Генетический контроль синтеза ДНК 84
3.2.3. Организация ДНК в хромосомах 88
3.3. Реализация генетической информации. Генетический код 91
3.3.1. Генетический код 92
477

I
•&■ 3.3.2. Синтез белка в клетке 94
3.3.3. Специализированный перенос генетической информации.
Репликация РНК 99
,1 3.4. Структура гена 101
3.4.1. Тонкая структура гена 101
3.4.2. Прерывистые гены 104
"' 3.4.3. Перекрывающиеся гены 106
3.5. Подвижные генетические элементы 107
3.5.1. Е. сой-системы: плазмидные векторы 112
3.6. Организация генома 114
3.6.1. Молекулярная структура геномов эукариот. Элементы геномов
эукариот 116
3.6.2. Геномика и геном человека 122
3.7. Генная инженерия 126
3.7.1. Получение генов 127
3.7.2. Клонирование генов 128
3.7.3. Рекомбинантные ДНК 131
3.7.4. Генная инженерия и векторы для клонирования растений 136
Литература 141
Глава 4. Хромосомная теория наследственности (Долгодворова Л. И.,
КлицовС.В.) 142
4.1. Пол и сцепленное с полом наследование 142
4.1.1. Типы определения пола 142
4.1.2. Хромосомный механизм определения пола при сингамии 143
4.1.3. Другие типы генотипического определения пола 148
4.1.4. Балансовая теория определения пола 149
4.1.5. Определение и развитие пола у человека 151
4.1.6. Определение и развитие пола у растений 155
4.1.7. Соотношение полов 159
4.1.8. Наследование, сцепленное с полом 161
4.1.9. Нерасхождение половых хромосом 169
4.1.10. Ограниченные полом и зависимые от пола признаки 171
4.1.11. Генетические методы раннего распознавания пола 172
Литература 173
4.2. Сцепление генов. Перекрест 174
4.2.1. Открытие сцепленного наследования 174
4.2.2. Доказательства перекреста хромосом 175
4.2.3. Цис-, транс-положение сцепленных генов. Анализ их
расщепления в Р2 178
4.2.4. Генетические карты 180
4.2.5. Двойной и множественный кроссинговер. Интерференция 184
4.2.6. Тетрадный анализ 187
4.2.7. Цитологический механизм кроссинговера 189
4.2.8. Митотический кроссинговер 192
4.2.9. Факторы, влияющие на кроссинговер 193
4.2.10. Механизм кроссинговера 195
4.2.11. Ферменты рекомбинации 198
4.2.12. Высокая отрицательная интерференция. Конверсия генов.
Модели рекомбинации 198
4.2.13. Сцепление генов и карты хромосом у бактерий и вирусов 206
Литература 209
Глава 5. Нехромосомная наследственность (Иванова С. В.) 210
5.1. Нехромосомная наследственность и ее особенности 210
5.2. Пластидная наследственность 212
5.3. Митохондриальная наследственность 216
5.4. Цитоплазматическая мужская стерильность (ЦМС) 218
5.5. Механизмы редукции числа цитоплазматических органоидов 220
5.6. Молекулярные основы цитоплазматической наследственности 222
5.6.1. Особенности организации генов и геномов 229
5.6.2. Молекулярные аспекты эндосимбиотической гипотезы 232
Литература 235
Глава 6. Мутационная изменчивость (Гудков Ю. Л.) 236
6.1. Теория мутаций 236
6.2. Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости 237
6.3. Типы мутаций и их проявление 240
6.3.1. Генные мутации 241
6.3.2. Хромосомные мутации 246
478
И 6.4. Спонтанные и индуцированные мутации 253
6.4.1. Спонтанные мутации, характер их проявления 253
6.4.2. Индуцированный мутагенез 258
Литература 266
Глава 7. Гетероштоидия (Корябин И. А.) 267
7.1. Классификация полиплоидов 268
7.2. Полиплоидные ряды и распространение полиплоидов в природе 269
7.3. Экспериментальное получение полиплоидов 270
7.4. Отбор полиплоидных форм 273
7.5. Генетические особенности и расщепление полиплоидов 276
7.6. Использование экспериментально полученных полиплоидов
в селекции растений 281
7.6.1. Преодоление самонесовместимости , 283
7.6.2. Закрепление гетерозиса 283
7.6.3. Триплоиды 284
7.6.4. Анеушюиды 286
7.7. Гаплоидия 290
7.7.1. Классификация гаплоидов 292
7.7.2. Получение гаплоидов 293
Литература 297
Глава 8. Отдаленная гибридизация (Корябин Н. А.) 298
8.1. Задачи отдаленной гибридизации 299
8.2. Межвидовая и межродовая гибридизация 300
8.3. Причины нескрешиваемости и методы ее преодоления 302
8.4. Непрорастание гибридных семян 304
8.5. Бесплодие отдаленных гибридов и методы его преодоления 304
8.6. Формообразовательный процесс в потомстве отдаленных гибридов 306
8.7. Синтез и рссинтез видов 306
8.8. Соматическая гибридизация .-. 309
Литература 313
Глава 9. Инбридинги гетерозис (Гужов Ю.Л.) 314
9.1. Инбридинг 314
9.1.1. Инцухт-депрессия и инцухт-минимум 315
9.1.2. Коэффициент инбридинга 316
9.1.3. Вычисление коэффициента инбридинга 319
9.1.4. Инбридинг в популяциях человека 323
9.2. Гетерозис 324
9.2.1. История открытия и использования гетерозиса 328
9.2.2. Теоретические аспекты гетерозиса 336
9.2.3. Закрепление гетерозиса 343
9.2.4. Гетерозис как основа нового генетического метода селекции 344
Литература 345
Глава 10. Генетика онтогенеза (Соловьев А. А.) 346
10.1. Этапы онтогенеза и генетическая программа индивидуального
развития 346
10.2. Тождество геномов и дифференциальная экспрессия генов
(молекулярные исследования) 350
10.3. Регуляция развития путем изменения транскрипции 353
10.4. Контроль развития па уровне процессинга РНК 354
10.5. Трансляционная регуляция развития 355
10.6. Генетический контроль развития растений 355
10.7. Развитие апикальных меристем 358
Литература 363
Глава 11. Популяционно-генетический анализ (Смиряев А. В.) 364
11.1. Случайное скрещивание (панмиксия) 365
11.1.1. Анализ структуры панмиктической популяции 366
11.2. Инбридинг 376
11.2.1. Анализ генотипической структуры при инбридинге 377
11.2.2. Неполное самоопыление 379
11.3. Насыщающие скрещивания 381
11.4. Ассортативное скрещивание 383
11.4.1. Анализ структуры популяции при ассортативном
скрещивании. Изомерные (полимерные) локусы 384
11.4.2. Дизассортативное скрещивание (отрицательное
ассортативное скрещивание) 386
11.5. Случайные колебания частоты генов (генетический дрейф) 387
11.5.1. Количественные оценки генетического дрейфа 388
479

11.5.2. Способ скрещивания, объем популяции и фиксация аллелей 389
11.6. Отбор по качественным признакам 393
11.6.1. Массовый отбор против рецессивного аллеля а 394
11.7. Естественный отбор 398
11.7.1. Показатели приспособленности 398
11.7.2. Равновесие в популяции при естественном отборе 400
11.7.3. Пониженная приспособленность некоторых генотипов 401
11.7.4. Фундаментальная теорема Фишера и генетический груз 402
11.7.5. Влияние естественного отбора на гаплоидном уровне 403
11.8. Мутации генов 405
11.9. Подразделенность и миграция 408
11.10. Генетический полиморфизм и проблемы эволюции 410
11.10.1. Анализ генетической полиморфности 411
11.10.2. Оценки генетической дивергенции 414
Вопросы и задачи 416
Литература 418
Глава 12. Роль рекомбинации в эволюции и селекции растений
(Жученко А. А.) 419
12.1. Рекомбинация — основной источник доступной отбору генотипи-
ческой изменчивости у высших растений 419
12.2. Механизмы и генетический контроль рекомбинации 426
12.2.1. Мейотическая и митотическая рекомбинация 426
12.2.2. Генетический контроль частоты и распределения кроссоверных
обменов 428
12.2.3. Рекомбинационные эффекты мейотических мутаций 434
12.3* Эколого-филогенетическая модель функционирования рекомбина-
ционной системы 435
12.3.1. Концепция двойственного («грубого» и «тонкого»)
генетического контроля рекомбинации 435
12.3.2. Зависимость характера функционирования рекомбинационной
системы от факторов внешней среды 436
12.3.3. Влияние онтогенетической приспособленности гетерозигот
и гетерогенных популяций на частоту и спектр рекомбинаций 437
12.3.4. Эколого-генетическая регуляция рекомбинационной
изменчивости 438
12.3.5. Эколого-филогенетический адаптациогенез
рекомбинационной системы 439
12.3.6. Основные закономерности генетической рекомбинации
у растений 446
12.4. Роль потенциальной и доступной отбору рекомбинационной
изменчивости в эволюции и селекции 452
12.4.1. Проблема доступной отбору адаптивно значимой генотипи-
ческой изменчивости •. 452
12.4.2. Факторы, ограничивающие уровень и спектр доступной отбору
генотипической изменчивости 453
12.5. Управление рекомбинационным процессом 457
12.5.1. Общая постановка задачи 457
12.5.2. Роль генетических систем рекомбинации и размножения
в управлении генотипической изменчивостью растений 460
12.5.3. Феноменология индуцированной рекомбинации 460
12.5.4. Значение индуцированного рекомбиногенеза в селекции
растений 464
Вопросы и задачи 467
Литература 468
Предметный указатель 469