Реферат
на тему: "Гамогенез растений. Основы генетики и селекции"
Содержание
Гаметогенез и развитие растений
Основы генетики и селекции. Закономерности наследственности. Основные понятия генетики
Хромосомная теория наследственности
Сцепленное наследование признаков
Наследование признаков, сцепленных с полом
Гаметогенез и развитие растений
У растений гаметогенез протекает значительно сложнее. При этом процесс мейоза имеет место не на стадии образования гамет, а на стадии образования спор. Кроме того, у растений наблюдается чередование поколений с диплоидным и гаплоидным набором хромосом. Поколение с гаплоидным набором хромосом называется гаметофитом и образует гаметы в процессе митоза. Поколение с диплоидным набором хромосом называется спорофитом и образует споры в процессе мейоза. Гаметофит развивается из гаплоидных спор, а спорофит - из диплоидной зиготы, образующейся в результате оплодотворения.
В цикле развития мейоз всегда имеет место один раз. В зависимости от периода жизни спорофита и гаметофита, взрослое растение может быть гаплоидным или диплоидным.
Размножение и развитие водорослей. У низших растений преобладающим поколением является гаметофит. Он размножается бесполым путем, образуя клетки, из которых развиваются взрослые особи. В определенный период гаметофит дает гаметы, разные или одинаковые по величине. После оплодотворения образуется зигота, которая сразу же делится мейозом и образует споры, дающие начало новым гаметофитам.
Размножение и развитие высших споровых растений. У мхов, папоротников, плаунов и хвощей размножение происходит спорами. Половое поколение развивается при прорастании споры (п). Из споры образуется заросток (п), в котором развиваются органы полового размножения антеридии и архегонии. В антеридиях в процессе митоза образуются сперматозоиды, а в архегониях - яйцеклетка (как правило, одна). При наличии воды сперматозоиды проникают в архегонии и оплодотворяют яйцеклетку, при этом образуется зигота (2п). Из зиготы развивается зародыш, а далее молодое растение спорофит. У взрослого растения в специальных органах спорангиях (2л) в результате мейоза образуются споры (л), которые дают начало новому поколению.
У мхов взрослым растением является гаметофит (л), развивающийся из спор, а спорофит образуется на гаметофите в виде коробочки на ножке.
У папоротников, плаунов и хвощей преобладающим поколением во взрослом состоянии является спорофит, на котором образуются споры. Гаметофит представлен в виде небольшого заростка и существует очень недолго.
Размножение и развитие семенных растений. У семенных растений размножение происходит семенами, преобладающим поколением является спорофит, а гаметофит сильно редуцирован, развивается в спорофите и представлен лишь несколькими клетками. Процесс развития семенных растений рассмотрим на примере цветковых растений.
Взрослое растение имеет диплоидный набор хромосом и является спорофитом. Оно развивается из семени. Репродуктивным органом служит цветок, в котором образуются женский орган - пестик и мужской - тычинки. В завязи пестика в семязачатках из клеток спорангия мейозом образуются 4 крупные споры (л), одна из которых развивается в женский заросток гаметофит, а три отмирают. Спора трижды делится митозом, и образуется 8-ядерный зародышевый мешок. Затем ближайшее к пыльцевходу крупное ядро образует яйцеклетку, 2 соседних ядра - 2 сопутствующие клетки - синергиды. На противоположном полюсе мешка располагаются 3 клетки-антиподы, а в центре образуется центральная двухъядерная клетка. Все ядра гаплоидные.
В пыльцевых мешках тычинок из клеток микроспорангия мейозом возникает много мелких спор (л). Все они развиваются и дают начало мужскому заростку - гаметофиту. Спора делится митозом и образует вегетативную и генеративную клетки. Ядро генеративной клетки делится еще раз и образуются 2 спермия. Вегетативная и генеративная клетки покрываются оболочкой и образуется пыльцевое зерно. При попадании пыльцы на рыльце пестика вегетативная клетка прорастает и образует пыльцевую трубку, которая продвигает генеративную клетку к пыльцевходу. Два спермия через пыльцевход попадают в зародышевый мешок. Один спермий сливается с яйцеклеткой и образуется зигота (2л), из которой развивается зародыш семени. Другой спермий сливается с 2 ядрами центральной клетки, в результате образуется эндосперм (Зл) семени, в котором запасаются питательные вещества. Этот процесс, называемый двойным оплодотворением, был открыт русским ученым СП. Навашиным. В результате двойного оплодотворения в семязачатке образуется семя, а из покрова семязачатка - семенная кожура. Вокруг семени из завязи и других частей цветка формируется плод.
Таким образом, у растений при переходе от низших к высшим наблюдается изменение преобладающего поколения от гаметофита к спорофиту.
Основы генетики и селекции. Закономерности наследственности. Основные понятия генетики
Генетика - наука о закономерностях наследственности и изменчивости организмов.
Наследственность - способность организма передавать свои признаки и особенности развития потомству.
Изменчивость - способность организма изменяться в процессе индивидуального развития под воздействием факторов среды. Изменчивость - явление нестабильности наследственных свойств.
Материальной основой наследственности являются половые клетки - гаметы. При бесполом размножении таковыми являются соматические клетки. Но клетки не содержат готовые "зародыши признаков", а несут только структурные задатки возможных признаков - гены.
Ген - участок молекулы ДНК, ответственный за проявление какого-либо признака. Ген является единицей наследственности, определяющей признак, единицей измерения биологического явления.
Реализация признака у организма идет по схеме:
ген-" белок - "признак.
Генотип - совокупность всех наследственных признаков - генов организма, полученных от родителей.
Фенотип - совокупность внутренних и внешних признаков, которые проявляются у организма при взаимодействии генотипа со средой.
Гены располагаются в хромосомах в определенных участках - локусах. В диплоидных клетках содержатся две гомологичные хромосомы, в которых располагаются парные гены.
Аллельные гены (аллели) - парные гены, расположенные в гомологичных хромосомах, в одних и тех же локусах и ответственные за проявление какого-либо признака (например, цвет волос, глаз, форма уха и т.д.). Аллельные гены могут нести одинаковые качества одного признака или противоположные - альтернативные. Например, темные и светлые аллели окраски волос, серые и карие аллели цвета глаз. Аллельные гены обозначаются буквами латинского алфавита (А и а, В и Ь, С и с и т.д.).
Гомозигота - организм (зигота), имеющий одинаковые аллели одного гена в гомологичных хромосомах (АА, аа).
Гетерозигота - организм (зигота), имеющий разные аллели одного гена в гомологичных хромосомах (Аа), т.е. несущие альтернативные признаки.
Признаки-гены могут быть доминантными и рецессивными.
Доминантный признак (ген) - господствующий, преобладающий, проявляется всегда как в гомозиготном, так и в гетерозиготном состоянии. Доминантный признак обозначается заглавной буквой (А, В, С).
Рецессивный признак (ген) - подавляемый, проявляющийся только в гомозиготном состоянии. В гетерозиготном состоянии рецессивный признак подавляется доминантным. Он обозначается соответствующей строчной буквой (а, Ь, с).
Хромосомная теория наследственности
Основные положения хромосомной теории наследственности сформулированы Т. Морганом. В основе хромосомной теории лежит поведение хромосом в мейозе, от которого зависит качество образующихся гамет.
1. Единицей наследственной информации является ген, локализованный в хромосоме.
2. Гены в хромосомах располагаются линейно, образуя группу сцепления. Гены, расположенные в одной хромосоме, наследуются совместно, сцеплено.
3. Сцепление генов может нарушаться в процессе мейоза в результате кроссинговера.
4. В процессе мейоза гомологичные хромосомы, а следовательно, и аллельные гены попадают в разные гаметы. Гаметы всегда гаплоидны.
5. Негомологичные хромосомы, а следовательно, и неаллельные гены расходятся произвольно, независимо друг от друга и образуют различные комбинации в гаметах, число которых определяется по формуле 2", где п - количество пар гомологичных хромосом.
В результате кроссинговера число комбинаций генов в гаметах увеличивается.
Моногибридное скрещивание
Основные закономерности наследственности были открыты Г. Менделем (1865). Метод, который использовал Мендель при выведении законов, называется гибридологическим. Гибриды - потомки, полученные от скрещивания двух организмов, несущих альтернативные признаки. Для опытов Мендель выбрал растение горох по следующим причинам. Горох - самоопыляемое растение и поэтому легко получить чистую линию, т.е. гомозиготные особи по определенным признакам. У гороха имеются ярко выраженные альтернативные признаки по цвету семян, форме горошин, окраске цветков, величине растений и т.д. И наконец, большое число потомков дает возможность получить статистически достоверные результаты.
Исходные родительские особи в опытах были гомозиготными, а полученные потомки - гетерозиготными. Для исследования выбирали только один или два признака, а не их совокупность.
Закон единообразия первого поколения (1-й закон Менделя). При скрещивании двух гомозиготных особей с альтернативными признаками в первом поколении все гибриды одинаковы по фенотипу и похожи на одного из родителей. У гибридов I поколения проявляется только доминантный признак.
Закон расщепления признаков (2-й закон Менделя). При скрещивании двух гибридов во втором поколении наблюдается расщепление признаков по фенотипу в соотношении 3:
1. У одной части потомков проявляется рецессивный признак исходной родительской особи.
В основе законов наследования лежит поведение хромосом в мейозе. Исходные родительские особи гомозиготны, т.е. аллельные гены в гомологичных хромосомах несут одинаковые признаки. Поэтому чистые родительские линии дают только один тип гамет. При слиянии гамет в зиготу попадают гомологичные хромосомы с альтернативными признаками, но проявляется в фенотипе только доминантный признак.
Гибриды I поколения гетерозиготны и дают два типа гамет А и а по формуле 21 = 2 (1 - одна пара хромосом).
При различных вариантах слияния гамет образуются три типа зигот: АА, 2Ла, аа. Но в фенотипе проявляются только два признака, причем зигот с проявлением доминантного признака в 3 раза больше, чем с рецессивным признаком.
Неполное доминирование. Доминантный признак не всегда полностью подавляет рецессивный, поэтому возможно появление промежуточных признаков.
При неполном доминировании расщепление по фенотипу и генотипу одинаково.
Дигибридное скрещивание
Дигибридное скрещивание - скрещивание по двум парам признаков. Оно позволяет установить, как наследование одного признака влияет на характер наследования другого. В опыте Мендель изучал характер наследования окраски и формы семян гороха. Исходные родительские особи были гомозиготными по двум парам признаков.
Закон независимого наследования признаков (3-й закон Менделя). При скрещивании гибридов I поколения по двум парам признаков во II поколении наследование по каждой паре идет независимо друг от друга. В результате образуются 4 фенотипические группы в соотношении 9: 3: 3: 1, причем появляются группы с новыми сочетаниями признаков.
Закон независимого наследования признаков объясняется независимым поведением негомологичных хромосом в мейозе. У каждой особи учитываются только две пары хромосом. Признаки окраски и формы семян находятся в негомологичных хромосомах. У гомозиготных особей образуется только один тип гамет, содержащих по две негомологичные хромосомы (АВ или аЬ). Диплоидный набор восстанавливается у гибридной особи - АаВЬ.
Гибридные особи дают четыре типа гамет по формуле 22 = 4 (где степень 2 означает 2 пары признаков - 2 пары хромосом). Образуются следующие гаметы: АВ, АЬ, аВ, аЬ. Слияние попарно 4 типов гамет каждой особи дает 16 вариантов, представленных в таблице. По фенотипу выделяются 4 группы, причем две из них (3: 3) имеют новую комбинацию признаков.
Анализирующее скрещивание
Особи с доминантными признаками при одинаковом фенотипе могут иметь различные варианты генотипов: АА (гомозиготы) или Аа (гетерозиготы). Особи с рецессивным признаком имеют только один вариант генотипа - аа и одно фено-типическое проявление. Для определения генотипа особей с доминантным признаком проводится анализирующее скрещивание.
Анализирующее скрещивание - скрещивание особи с доминантным признаком, но неизвестным генотипом, с рецессивной гомозиготой, генотип которой всегда аа. По результату скрещивания определяется генотип особи с доминантным признаком.
1-й вариант. Если при скрещивании особи с доминантным признаком с рецессивной гомозиготной особью полученное потомство единообразно, то анализируемая особь с доминантным признаком гомозиготна.
При единообразии поколения каждая родительская особь дает только один тип гамет. Следовательно, особь с доминантным признаком гомозиготна по генотипу.
2-й вариант. Если при скрещивании особи с доминантным признаком с рецессивной гомозиготой полученное потомство дает расщепление 1: 1, то исследуемая особь с доминантным признаком гетерозиготна.
В случае расщепления особь с доминантным признаком должна образовывать 2 типа гамет А, а. Следовательно, она гетерозиготна по генотипу.
Сцепленное наследование признаков
Т. Морган изучал наследование различных признаков, находящихся в одной хромосоме. В качестве объекта для генетических исследований была выбрана плодовая мушка дрозофила. Этот объект оказался более удобным по следующим причинам: возобновление потомства идет через 15 дней; прост в разведении в лабораторных условиях; хромосомный набор составляет 4 пары - 8 хромосом; имеются ярко выраженные альтернативные признаки.
Сцепленное наследование - наследование признаков, расположенных в одной хромосоме. В организме великое множество признаков, тогда как число хромосом ограниченно и невелико. Следовательно, одна хромосома несет гены многих признаков. Гены в хромосоме располагаются линейно. При делении хромосомы переходят целиком, не дробясь, в гаметы, поэтому признаки, гены которых располагаются в одной хромосоме, будут наследоваться совместно, сцеплено.
Закон сцепления (Т. Морган). Гены, находящиеся в одной хромосоме, наследуются совместно, сцеплено, и образуют группу сцепления.
Признаки формы крыльев и окраски тела наследуются совместно, так как они располагаются в одной паре гомологичных хромосом. Расщепление признаков на 4 группы, как при дигибридном скрещивании, не наблюдается. При сцепленном наследовании проявление признаков идет по типу моногибридного скрещивания, количество пар хромосом - одна. В некоторых случаях сцепление может нарушаться, так как в мейозе между гомологичными хромосомами может происходить кроссинговер.
Кроссинговер происходит не всегда, поэтому количество кроссоверных особей значительно меньше, чем количество основных особей. На основании анализа частоты кроссинговера определяется расстояние между генами на хромосоме и составляются хромосомные карты. Чем дальше друг от друга располагаются гены на хромосоме, тем слабее сцепление между ними и тем выше вероятность кроссинговера.
Генетика пола
Пол особей определяется наличием половой пары хромосом. В соматических клетках самца и самки все пары хромосом, кроме одной, похожи и несут одинаковые типы генов. Хромосомы, одинаковые у самца и самки, называются ауто-сомами. Пара хромосом, отличающаяся у самца и самки, называется половой. У дрозофилы 4 пары хромосом - 3 пары аутосом и 1 пара половых хромосом, у человека 23 пары - 22 пары аутосом и 1 пара половых хромосом.
Половые хромосомы бывают двух типов: X и У. Пол определяется их сочетанием: XX или ХУ. Пол, определяющийся содержанием ХХ-хромо-сом, называется гомогаметным. Гомогаметные особи дают один тип гамет по половым хромосомам. Пол, определяющийся содержанием ХУ-хромосом, называется гетерогаметным. Гетеро-гаметные особи дают два типа гамет по половым хромосомам.
Гомогаметные особи: XX - "Х-гаметы.
Гетерогаметные особи: ХУ-"Х-, У-гаметы.
У большинства организмов (человека, других млекопитающих, рептилий, амфибий, мух и др.) женский пол гомогаметный - XX, мужской - гетерогаметный - ХУ. У птиц, некоторых рыб, бабочек гомогаметны самцы - XX, а гетерогаметны самки - ХУ.
В некоторых случаях пол определяется просто отсутствием одной хромосомы (У) в паре. У прямокрылых, пауков, жуков самки имеют набор XX, а самцы - ХО.
Во всех случаях соотношение полов составляет 1: 1, т.е. расщепление по признаку пола в популяциях любого вида равное.
Наследование признаков, сцепленных с полом
Х-хромосома присутствует у обоих полов. В ней располагаются жизненно важные гены. Потеря Х-хромосомы приводит к гибели зиготы. У-хромосома встречается у особей только одного пола и несет ограниченное число генов, характерных для соответствующего пола. Наличие или отсутствие ее может привести лишь к изменению развития половых признаков. Поэтому основные признаки, сосредоточенные в половой паре, организм наследует по Х-хромосоме. У го-могаметных особей ХХ-хромосомы парные, они могут нести доминантные и рецессивные признаки. Но у гетерогаметных особей ХУ-хромосомы непарные и признаки несет только Х-хромосома. Поэтому признаки, расположенные в половых хромосомах, сцеплены с полом особи и проявляются по-разному у различных полов.
Например, у человека ген дальтонизма находится в Х-хромосоме и является рецессивным. Носителем его может быть женщина, а проявление признака наблюдается у мужчин.
Рецессивный признак от матери передается сыновьям и проявляется у них, а от отцов - дочерям. Но признак чаще не проявляется, так как встреча двух Х-хромосом с рецессивными признаками маловероятна. Женщина в этом случае должна быть носителем рецессивного гена, а мужчина - иметь данный рецессивный признак.