8.1: Експерименти Менделя

Last updated
Save as PDF

Page ID: 438

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Йоганн Грегор Мендель (1822—1884) (рисунок \(\PageIndex{1}\)) був учнем протягом усього життя, вчителем, вченим і людиною віри. Будучи молодим дорослим, він приєднався до августинського абатства Святого Томаса в Брно, що зараз є Чеською Республікою. За підтримки монастиря викладав курси фізики, ботаніки та природознавства на середньому та університетському рівнях. У 1856 році він розпочав десятирічну дослідницьку діяльність за участю моделей успадкування медоносних бджіл та рослин, в кінцевому рахунку оселившись на рослині гороху як на своїй основній модельній системі (системі зі зручними характеристиками, яка використовується для вивчення конкретного біологічного явища для отримання розуміння, яке застосовується до інших систем). У 1865 році Мендель представив місцевим природознавчому суспільству результати своїх експериментів з майже 30 000 рослин гороху. Він продемонстрував, що риси передаються вірою і правдою від батьків до потомства за певними зразками. У 1866 році він опублікував свою роботу « Експерименти в гібридизації рослин,^¹» у працях Товариства природознавства Брюнна.

Зображення - ескіз Йоганна Грегора Менделя. — **Ілюстрація \(\PageIndex{1}\):** Йоганн Грегор Мендель встановив рамки для вивчення генетики.

Робота Менделя залишилася практично непоміченою науковою спільнотою, яка неправильно вважала, що процес успадкування передбачає змішування батьківських рис, що спричинило проміжний фізичний вигляд у потомства. Цей гіпотетичний процес виявився правильним через те, що ми знаємо зараз як безперервну варіацію. Безперервна варіація - це діапазон невеликих відмінностей, які ми бачимо серед людей у такій характеристиці, як людський зріст. Здається, що потомство - це «суміш» рис їхніх батьків, коли ми дивимось на характеристики, які демонструють постійні зміни. Мендель працював замість цього з рисами, які показують переривчасті варіації. Переривчаста варіація - це варіація, що спостерігається серед людей, коли кожна людина демонструє одну з двох - або дуже мало - легко помітні риси, такі як фіолетові або білі квіти. Вибір Менделя таких рис дозволив йому експериментально побачити, що риси не змішувалися в потомстві, як очікувалося в той час, але що вони були успадковані як різні риси. У 1868 році Мендель став настоятелем монастиря і обміняв свої наукові заняття на пастирські обов'язки. Він не був визнаний за надзвичайний науковий внесок протягом життя; насправді лише в 1900 році його робота була заново відкрита, відтворена та оживлена вченими на межі виявлення хромосомної основи спадковості.

Хрести Менделя

Насіннєва робота Менделя була виконана з використанням гороху садового, Pisum sativum, для вивчення успадкування. Цей вид природно самозапліднюється, а це означає, що пилок стикається з яйцеклітиною в межах однієї квітки. Пелюстки квітів залишаються щільно закритими до завершення запилення, щоб запобігти запиленню інших рослин. Результат - високоінбредні, або «справжні» рослини гороху. Це рослини, які завжди дають потомство, схоже на батька. Експериментуючи з справжніми рослинами гороху, Мендель уникнув появи несподіваних ознак у потомства, які могли б виникнути, якби рослини не були справжніми розмноженнями. Садовий горох також зростає до зрілості протягом одного сезону, а це означає, що кілька поколінь можна було оцінити за відносно короткий час. Нарешті, великі кількості садового гороху можна було культивувати одночасно, дозволяючи Менделю зробити висновок, що його результати виникли не просто випадково.

Мендель проводив гібридизації, які передбачають спарювання двох істинно племінних особин, що володіють різними ознаками. У горосі, який природно самозапилюватися, це робиться шляхом ручного перенесення пилку з пильовика зрілого горохового рослини одного сорту на рильце окремого зрілого горохового рослини другого сорту.

Рослини, що використовуються в схрещуваннях першого покоління, називалися П, або батьківським поколінням, рослинами (рис. \(\PageIndex{2}\)). Мендель зібрав насіння, вироблене рослинами P, що виникли в результаті кожного хреста, і вирощував їх у наступному сезоні. Ці потомства називалися F₁, або першим синівським (filial = дочка чи син), покоління. Після того, як Мендель вивчив характеристики в поколінні F₁ рослин, він дозволив їм самозапліднити природним шляхом. Потім він зібрав і вирощував насіння з рослин F₁ , щоб отримати F₂ , або друге синівське покоління. Експерименти Менделя поширювалися за межі покоління F₂ на покоління F₃ , F₄ і так далі, але саме співвідношення характеристик в поколіннях P, F₁ і F₂ було найбільш інтригуючим і стало основою Менделя постулати.

На схемі показано помісь між рослинами гороху, які є справжнім розмноженням для фіолетового кольору квітів, та рослинами, які справді розмножуються для білого кольору квітки. Це перехресне запліднення покоління P призвело до покоління F_ {1} з усіма фіолетовими квітками. Самозапліднення покоління F_ {1} призвело до покоління F_ {2}, яке складалося з 705 рослин з фіолетовими квітками та 224 рослин з білими квітками. — **Малюнок \(\PageIndex{2}\):** Процес Менделя для виконання хрестів включав вивчення кольору квітки.

Характеристика гороху садового розкрила основи спадковості

У своїй публікації 1865 року Мендель повідомив про результати своїх хрестів за участю семи різних характеристик, кожна з двома контрастними рисами. Риса визначається як зміна фізичного вигляду спадкової характеристики. Характеристики включали висоту рослини, текстуру насіння, колір насіння, колір квітки, розмір стручка гороху, колір стручка гороху та положення квітки. Наприклад, для характерного кольору квітки дві контрастні риси були білими проти фіолетового. Щоб повністю вивчити кожну характеристику, Мендель генерував велику кількість рослин F₁ і F₂ і повідомив про результати з тисяч рослин F₂ .

Які результати знайшов Мендель у своїх хрестах за кольором квітки? По-перше, Мендель підтвердив, що він використовує рослини, які розводили справжній для білого або фіолетового кольору квітки. Незалежно від кількості поколінь, які досліджував Мендель, все самосхрещувані потомство батьків з білими квітками мали білі квіти, а все самосхрещувані потомство батьків з фіолетовими квітками мали фіолетові квітки. Крім того, Мендель підтвердив, що, крім кольору квітів, рослини гороху були фізично однаковими. Це була важлива перевірка, щоб переконатися, що два сорти гороху рослини відрізнялися лише по відношенню до однієї риси, кольором квітки.

Після завершення цих перевірок Мендель застосував пилок з рослини з фіолетовими квітками на рильце рослини з білими квітами. Після збору та посіву насіння, що виникли в результаті цього схрещування, Мендель виявив, що 100 відсотків гібридного покоління F₁ мали фіолетові квіти. Загальноприйнята в той час мудрість передбачала б, що гібридні квіти будуть блідо-фіолетовими або гібридні рослини мають рівну кількість білих і фіолетових квітів. Іншими словами, очікувалося, що контрастні батьківські риси будуть поєднуватися з потомством. Натомість результати Менделя продемонстрували, що риса білої квітки повністю зникла в поколінні F₁ .

Важливо відзначити, що Мендель не припиняв там свої експерименти. Він дозволив рослинам F₁ самозапліднити і виявив, що 705 рослин у поколінні F₂ мали фіолетові квіти, а 224 - білі. Це було співвідношення 3,15 фіолетових квіток до однієї білої квітки, або приблизно 3:1. Коли Мендель переніс пилок з рослини з фіолетовими квітками на рильце рослини з білими квітками і навпаки, він отримував приблизно однакове співвідношення, незалежно від того, який батько - чоловік чи жінка - сприяв якій рисі. Це називається взаємним хрестом - парним хрестом, в якому відповідні риси чоловічої та жіночої статі в одному хресті стають відповідними рисами жіночої та чоловічої статі в іншому хресті. Для інших шести характеристик, які досліджував Мендель, покоління F₁ і F₂ поводилися так само, як вони поводилися за колір квітки. Одна з двох рис повністю зникне з покоління F₁ , тільки щоб знову з'явитися в поколінні F₂ при співвідношенні приблизно 3:1 (рис \(\PageIndex{3}\)).

Проілюстровано сім характеристик рослин гороху Менделя. Квітки можуть бути фіолетовими або білими. Горошок може бути жовтим або зеленим, або гладким або зморшкуватим. Стручки гороху можуть бути роздутими або звуженими, або жовтими або зеленими. Положення квітки може бути осьовим або кінцевим. Довжина стебла може бути високим або карликовим. — **Ілюстрація \(\PageIndex{3}\):** Мендель визначив сім горохових характеристик рослин.

Складаючи свої результати для багатьох тисяч рослин, Мендель прийшов до висновку, що характеристики можна розділити на виражені і приховані ознаки. Він назвав ці домінуючими і рецесивними рисами відповідно. Домінантнимиознаками є ті, які успадковуються в незмінному вигляді при гібридизації. Рецесивні ознаки стають латентними, або зникають у потомства гібридизації. Однак рецесивна риса знову з'являється у потомстві гібридного потомства. Прикладом домінуючої риси є риса квітки фіолетового кольору. Для цієї ж характеристики (забарвлення квітки) білі квіти є рецесивною рисою. Той факт, що рецесивний ознака знову з'явився в поколінні F₂ , означало, що ознаки залишалися окремими (і не змішувалися) у рослин покоління F₁ . Мендель запропонував, що це пов'язано з тим, що рослини мали дві копії ознаки квітково-кольорової характеристики, і що кожен батько передав одну з двох своїх копій своєму потомству, де вони зібралися разом. Більш того, фізичне спостереження за домінантною ознакою може означати, що генетичний склад організму включав дві домінантні версії характеристики, або що він включав одну домінантну і одну рецесивну версію. І навпаки, спостереження за рецесивною ознакою означало, що організму не вистачало будь-яких домінуючих версій цієї характеристики.

Підсумок розділу

Працюючи з рослинами садового гороху, Мендель виявив, що схрещування між батьками, які відрізнялися за однією ознакою, породжують F₁ потомство, яке виражало риси одного з батьків. Риси, які були видимі в поколінні F₁ , відносять до домінантних, а риси, які зникають в поколінні F₁ , описуються як рецесивні. Коли рослини F₁ в експерименті Менделя були самосхрещені, потомство F₂ демонструвало домінуючу ознаку або рецесивну ознаку в співвідношенні 3:1, підтверджуючи, що рецесивна риса була вірно передана від вихідного P батька. Взаємні хрести породжували однакові коефіцієнти нащадків F₁ і F₂ . Досліджуючи розміри вибірки, Мендель показав, що риси успадковуються як самостійні події.

Виноски

1 Йоганн Грегор Мендель, «Переконаний з Pflanzenhybriden». Оновлення природних об'єктів Vereines в Брюнн, Bd. IV для дас-Яр, 1865 р. Ознавець (1866) :3—47. [для перекладу англійською, див. www.mendelweb.org/mendel.plain.html]

Глосарій

безперервна варіація: варіації в характеристиці, в якій осіб показати цілий ряд ознак з невеликими відмінностями між ними

переривчаста варіація: варіації в характеристиці, в якій осіб показати два, або кілька, риси з великими відмінностями між ними

домінуючим: описує ознаку, яка маскує експресію іншої ознаки, коли обидві версії гена присутні в індивідуумі

F₁: перше синівське покоління в хресті; потомство батьківського покоління

Ф₂: друге синівське покоління, вироблене, коли F₁ особини самосхрещуються або запліднюються один з одним

гібридизації: процес спарювання двох особин, які відрізняються, з метою досягнення певної характеристики у свого потомства

модель система: видів або біологічної системи використовується для вивчення конкретних біологічних явище, щоб отримати розуміння, які будуть застосовані до інших видів

Р: батьківське покоління в хресті

рецесивних: описує рису, вираз якого маскується іншою рисою, коли алелі для обох рис присутні в індивідуумі

взаємний хрест: парні хрест, в якому відповідні риси чоловічого і жіночого в одному хресті стати відповідні риси жінок і чоловіків в інших хрест

риса: зміна успадкованої характеристики

Дописувачі та атрибуції

Template:ContribOpenStaxConcepts