Zawartość
- Zrozumienie dziedziczenia w połowie XIX wieku
- Badano charakterystykę rośliny grochu
- Zapylanie grochu
- Pierwszy eksperyment Mendelsa
- Ocena generacyjna Mendelsa: P, F1, F2
- Wyniki Mendelsa (pierwszy eksperyment)
- Teoria dziedziczności Mendla
- Wyjaśnienie wyników krzyżów monohydrycznych
- Drugi eksperyment Mendelsa
- Powiązane geny na chromosomach
- Dziedzictwo mendlowskie
Grzegorz Mendel był dziewiętnastowiecznym pionierem genetyki, który dziś jest pamiętany prawie całkowicie z dwóch powodów: bycia mnichem i nieustępliwie badających różne cechy roślin grochu. Urodzony w 1822 r. W Austrii Mendel wychował się na farmie i studiował na uniwersytecie w Wiedniu w stolicy Austrii.
Tam studiował nauki ścisłe i matematykę, które okazałyby się nieocenione dla jego przyszłych wysiłków, które prowadził przez osiem lat całkowicie w klasztorze, w którym mieszkał.
Oprócz formalnego studiowania nauk przyrodniczych na studiach, Mendel w młodości pracował jako ogrodnik i opublikował prace badawcze na temat uszkodzeń upraw przez owady, zanim podjął swoją słynną obecnie pracę z Pisum sativum, pospolita grochówka. Utrzymywał klasztorne szklarnie i znał techniki sztucznego zapłodnienia wymagane do stworzenia nieograniczonej liczby potomstwa hybrydowego.
Ciekawy przypis historyczny: Podczas eksperymentów Mendelsa i wizjonerskiego biologa Karol Darwin oba w dużym stopniu zachodziły na siebie, te ostatnie nigdy nie dowiedziały się o eksperymentach Mendelsa.
Darwin sformułował swoje idee dotyczące dziedziczenia bez znajomości Mendelsa bardzo szczegółowych propozycji dotyczących zaangażowanych mechanizmów. Te propozycje nadal stanowią podstawę dziedziczenia biologicznego w XXI wieku.
Zrozumienie dziedziczenia w połowie XIX wieku
Z punktu widzenia podstawowych kwalifikacji Mendel był w doskonałej pozycji, aby dokonać znaczącego przełomu w nieistniejącej wówczas dziedzinie genetyki, i był pobłogosławiony zarówno środowiskiem, jak i cierpliwością, aby zrobić to, co musiał zrobić. Mendel wyhodowałby i studiował prawie 29 000 roślin grochu w latach 1856–1863.
Kiedy Mendel po raz pierwszy rozpoczął pracę z roślinami grochu, naukowa koncepcja dziedziczności została zakorzeniona w koncepcji mieszanego dziedziczenia, która utrzymywała, że cechy rodzicielskie zostały w jakiś sposób zmieszane z potomstwem w sposób różnokolorowych farb, dając wynik, który nie był całkiem matka, a nie ojciec za każdym razem, ale to wyraźnie przypominało jedno i drugie.
Mendel intuicyjnie zdawał sobie sprawę z nieformalnej obserwacji roślin, że jeśli istniała jakaś zasługa tego pomysłu, z pewnością nie dotyczył on świata botanicznego.
Mendel nie był zainteresowany samym wyglądem swoich roślin grochu. Zbadał je, aby zrozumieć, które cechy mogą zostać przekazane przyszłym pokoleniom i dokładnie, jak to się stało na poziomie funkcjonalnym, nawet jeśli nie miał dosłownych narzędzi, aby zobaczyć, co dzieje się na poziomie molekularnym.
Badano charakterystykę rośliny grochu
Mendel skupił się na różnych cechach lub postaciach, które zauważył, że rośliny grochu wykazują binarny sposób. Oznacza to, że pojedyncza roślina może pokazywać wersję A danej cechy lub wersję B tej cechy, ale nic pomiędzy. Na przykład niektóre rośliny miały „napompowane” strąki grochu, podczas gdy inne wyglądały na „ściśnięte”, bez dwuznaczności co do kategorii, do której należały strąki danej rośliny.
Siedem cech, które Mendel określił jako użyteczne dla jego celów i ich różnych przejawów, to:
Zapylanie grochu
Rośliny grochu mogą samozapylać bez pomocy ludzi. Mimo że jest to przydatne dla roślin, wprowadziło komplikacje w pracy Mendelsa. Musiał temu zapobiec i pozwolić tylko na zapylenie krzyżowe (zapylanie między różnymi roślinami), ponieważ samozapylenie w roślinie, która nie różni się dla danej cechy, nie dostarcza pomocnych informacji.
Innymi słowy, musiał kontrolować, jakie cechy mogą pojawić się w hodowanych przez siebie roślinach, nawet jeśli nie wiedział wcześniej, które z nich się przejawiają i w jakich proporcjach.
Pierwszy eksperyment Mendelsa
Kiedy Mendel zaczął formułować konkretne pomysły na temat tego, co chciał przetestować i zidentyfikować, zadał sobie kilka podstawowych pytań. Na przykład, co by się stało, gdyby były to rośliny prawdziwa hodowla dla różnych wersji tej samej cechy zostały zapylone krzyżowo?
„Prawdziwa hodowla” oznacza zdolność do produkowania jednego i tylko jednego rodzaju potomstwa, na przykład gdy wszystkie potomne rośliny są okrągłe lub mają kwiaty osiowe. ZA prawdziwa linia nie wykazuje zmian dla omawianej cechy w teoretycznie nieskończonej liczbie pokoleń, a także wtedy, gdy dowolne dwie wybrane rośliny w schemacie są hodowane ze sobą.
Jeśli idea mieszanego dziedziczenia byłaby aktualna, zmieszanie linii, powiedzmy, roślin o wysokich łodygach z linią roślin o krótkich łodygach powinno dać w rezultacie niektóre rośliny wysokie, niektóre rośliny krótkie i rośliny wzdłuż spektrum wysokości pomiędzy nimi, podobnie jak ludzie . Mendel dowiedział się jednak, że tak się nie stało. To było zarówno mylące, jak i ekscytujące.
Ocena generacyjna Mendelsa: P, F1, F2
Gdy Mendel miał dwa zestawy roślin, które różniły się tylko jedną cechą, przeprowadził wielopokoleniową ocenę, starając się śledzić przekazywanie cech przez wiele pokoleń. Po pierwsze, trochę terminologii:
To się nazywa krzyż monohybrydowy: „mono”, ponieważ zmieniała się tylko jedna cecha, i „hybryda”, ponieważ potomstwo stanowiło mieszaninę lub hybrydyzację roślin, ponieważ jeden rodzic ma jedną wersję cechy, a drugi drugą.
W obecnym przykładzie cechą tą będzie kształt nasion (okrągły vs. pomarszczony). Można również użyć koloru kwiatu (biały vs. purpurowy) lub koloru nasion (zielony lub żółty).
Wyniki Mendelsa (pierwszy eksperyment)
Mendel ocenił krzyżówki genetyczne z trzech pokoleń, aby ocenić odziedziczalność cech charakterystycznych dla różnych pokoleń. Kiedy spojrzał na każde pokolenie, odkrył, że dla wszystkich siedmiu jego wybranych cech pojawił się przewidywalny wzór.
Na przykład, kiedy wyhodował rośliny okrągłoziarniste o prawdziwej hodowli (P1) z roślinami marszczonymi prawdziwie hodowlanymi (P2):
Doprowadziło to do koncepcji dominujący cechy (tutaj okrągłe nasiona) i recesywny cechy (w tym przypadku pomarszczone nasiona).
Oznaczało to, że rośliny fenotyp (jak faktycznie wyglądały rośliny) nie było ich ścisłym odzwierciedleniem genotyp (informacje, które zostały w jakiś sposób zakodowane w roślinach i przekazane kolejnym pokoleniom).
Mendel przedstawił następnie kilka formalnych pomysłów na wyjaśnienie tego zjawiska, zarówno mechanizm dziedziczności, jak i matematyczny stosunek cechy dominującej do cechy recesywnej w każdych okolicznościach, w których znany jest skład par alleli.
Teoria dziedziczności Mendla
Mendel stworzył teorię dziedziczności, która składała się z czterech hipotez:
Ostatni z nich reprezentuje prawo segregacji, z zastrzeżeniem, że allele dla każdej cechy dzielą się losowo na gamety.
Dzisiaj naukowcy uznają, że rośliny P, które Mendel „wyhodował prawdziwie”, były homozygotyczny dla cechy, którą badał: mieli dwa kopie tego samego allelu w danym genie.
Ponieważ runda była wyraźnie dominująca nad pomarszczonymi, może to być reprezentowane przez RR i rr, ponieważ duże litery oznaczają dominację, a małe litery wskazują na recesywne cechy. Gdy oba allele są obecne, cecha dominującego allelu przejawia się w jego fenotypie.
Wyjaśnienie wyników krzyżów monohydrycznych
W oparciu o powyższe, roślina o genotypie RR w genie o kształcie nasion może mieć tylko okrągłe nasiona, i to samo dotyczy genotypu Rr, ponieważ allel „r” jest maskowany. Tylko rośliny z genotypem rr mogą mieć pomarszczone nasiona.
I rzeczywiście, cztery możliwe kombinacje genotypów (RR, rR, Rr i rr) dają stosunek fenotypowy 3: 1, przy około trzech roślinach z okrągłymi nasionami dla każdej rośliny z pomarszczonymi nasionami.
Ponieważ wszystkie rośliny P były homozygotyczne, RR dla roślin okrągłoziarnistych i rr dla roślin marszczonych, wszystkie rośliny F1 mogły mieć tylko genotyp Rr. Oznaczało to, że chociaż wszystkie miały okrągłe nasiona, wszystkie były nosicielami recesywnego allelu, który dzięki prawu segregacji mógł pojawiać się w kolejnych pokoleniach.
Właśnie tak się stało. Biorąc pod uwagę rośliny F1, które wszystkie miały genotyp Rr, ich potomstwo (rośliny F2) mogło mieć dowolny z czterech wymienionych wyżej genotypów. Stosunki nie były dokładnie 3: 1 ze względu na losowość par gamet w zapłodnieniu, ale im więcej wyprodukowano potomstwa, tym bliższy był stosunek dokładnie 3: 1.
Drugi eksperyment Mendelsa
Następnie utworzył Mendel krzyże dihybrydowe, w którym spojrzał na dwie cechy naraz, a nie tylko na jedną. Rodzice nadal hodowali prawdziwie obie cechy, na przykład okrągłe nasiona z zielonymi strąkami i pomarszczone nasiona z żółtymi strąkami, z zielonym dominującym nad żółtym. Odpowiednimi genotypami były zatem RRGG i rrgg.
Tak jak poprzednio, wszystkie rośliny F1 wyglądały jak rodzic o obu dominujących cechach. Stosunki czterech możliwych fenotypów w pokoleniu F2 (okrągły zielony, okrągły żółty, pomarszczony zielony, pomarszczony żółty) okazały się 9: 3: 3: 1
Wywołało to podejrzenie Mendla, że różne cechy zostały odziedziczone niezależnie od siebie, co doprowadziło go do postawienia go prawo niezależnego asortymentu. Ta zasada wyjaśnia, dlaczego możesz mieć taki sam kolor oczu jak jedno z rodzeństwa, ale inny kolor włosów; każda cecha jest wprowadzana do systemu w sposób ślepy na wszystkie pozostałe.
Powiązane geny na chromosomach
Dziś wiemy, że prawdziwy obraz jest nieco bardziej skomplikowany, ponieważ w rzeczywistości geny, które zdarzają się fizycznie blisko siebie na chromosomach, mogą być dziedziczone razem dzięki wymianie chromosomów podczas tworzenia gamet.
W prawdziwym świecie, jeśli spojrzysz na ograniczone obszary geograficzne Stanów Zjednoczonych, spodziewałbyś się znaleźć więcej fanów New York Yankees i Boston Red Sox w pobliżu niż fanów Yankees-Los Angeles Dodgers lub Red Sox-Dodgers w tym samym obszar, ponieważ Boston i Nowy Jork są blisko siebie, a oba znajdują się w odległości 3000 mil od Los Angeles.
Dziedzictwo mendlowskie
Tak się składa, że nie wszystkie cechy są zgodne z tym wzorcem dziedziczenia. Ale ci, którzy to robią, są nazywani Cechy Mendla. Wracając do wspomnianego wyżej krzyżu dihybrydowego, istnieje szesnaście możliwych genotypów:
RRGG, RRgG, RRGg, RRgg, RrGG, RrgG, RrGg, Rrgg, rRGG, rRgG, rRGg, rRgg, rrGG, rrGg, rrgG, rrgg
Gdy opracujesz fenotypy, zobaczysz, że współczynnik prawdopodobieństwa wynosi
okrągły zielony, okrągły żółty, pomarszczony zielony, pomarszczony żółty
okazuje się być 9: 3: 3: 1. Staranne liczenie różnych typów roślin przez Mendelsa ujawniło, że stosunki były wystarczająco zbliżone do tej prognozy, aby mógł dojść do wniosku, że jego hipotezy były prawidłowe.