Законите на Мендел
🫛 През февруари 1865 г. в град Бърно монахът Грегор Мендел разказва пред местното природонаучно дружество за осемгодишните си опити с грах. Той е кръстосвал и преброявал десетки хиляди растения и е открил, че признаците се предават по прости числови правила. Слушателите го изслушват учтиво, статията му излиза през 1866 г.… и почти никой не я разбира. Мендел умира през 1884 г. като игумен на манастира, без да разбере, че е създал нова наука. Чак през 1900 г. трима ботаници независимо един от друг стигат до същите правила – и откриват, че монахът от Бърно ги е изпреварил с 34 години.
1. Опитите на Мендел
Хората отдавна знаели, че децата приличат на родителите си. Преобладавала идеята за „смесване“: признаците на родителите се смесват като бои и вече не могат да се разделят. Мендел подхожда по нов начин – като физик. Избира граха, защото:
- расте бързо и дава много ;
- обикновено се , но лесно може да се опраши ръчно с от друго растение;
- има сортове с ясно различими признаци – жълто или зелено семе, гладко или набръчкано, бял или пурпурен цвят.
Мендел започва с чисти линии – сортове, които при самоопрашване години наред дават само един вариант на признака. Следи по един признак наведнъж и най-важното – брои потомците. Родителите означава с P, първото поколение – с F₁, второто (от самоопрашването на F₁) – с F₂.
Пример
Мендел кръстосва чиста линия с жълти семена с чиста линия със зелени. Всички семена в F₁ са жълти. От тях израстват растения, които се самоопрашват, и в F₂ има 6022 жълти и 2001 зелени семена. Какво показват тези числа?
- В F₁ зеленият признак изчезва, но в F₂ се появява отново – значи не се е „смесил“, а е бил скрит.
- – отношението е почти точно .
- Същото отношение Мендел получава и при другите шест признака – това е закономерност, а не случайност.
2. Гени и алели
Мендел обяснява резултатите с „наследствени фактори“. Днес ги наричаме – участъци от ДНК, които определят даден белег (виж урока ДНК, гени и синтез на белтък). Всеки ген има място в определена , а телесните клетки са – имат по две копия на всеки ген, по едно от всеки родител.
Алел, генотип, фенотип
Доминантен и рецесивен алел, хомозигота и хетерозигота
Затова жълтото семе може да е или – по фенотипа двата генотипа не се различават. Зеленото семе винаги е .
3. Монохибридно кръстосване: I и II закон
I закон на Мендел – еднообразие на F₁
II закон на Мендел – разпадане
Мендел не знае нищо за хромозомите. Днес знаем, че разделянето на алелите става при : отиват в различни (виж Клетъчно делене). При гаметите се срещат случайно. Всички възможни срещи се подреждат удобно в таблица – решетка на Пънет (на генетика Реджиналд Пънет): гаметите на единия родител са по редовете, на другия – по колоните.
♀ майка
♂ баща
генотипове – 1 : 2 : 1
фенотипове – 3 : 1
F₂ от два хетерозиготи: алелите се разделят в гаметите (II закон) – генотипове 1 : 2 : 1, фенотипове 3 : 1.
💡 Всяка клетка на решетката е еднакво вероятна. Ако родителят е хомозиготен, той дава само един вид гамети – затова решетката е по-малка, но отношенията са същите.
Пример
Хетерозиготно растение (жълто) се самоопрашва. Каква част от жълтите потомци са хетерозиготни?
- Решетката на Пънет: , , , .
- Жълтите са , , – три от четирите клетки.
- Хетерозиготни сред тях: 2 от 3, т.е. (а не ).
4. Анализиращо кръстосване
Как да разберем дали жълто растение е или ? Мендел го кръстосва с рецесивен хомозигот . Той дава само гамети a, затова фенотипът на всеки потомък показва направо коя гамета е дал изследваният родител.
Анализиращо кръстосване
Животновъдите ползват същия принцип: ако бик с черна козина даде с червени крави дори едно червено теле, той със сигурност носи рецесивния алел. Обратното е по-трудно – много черни телета само правят хомозиготността вероятна.
5. Дихибридно кръстосване: III закон
Мендел следи и два признака едновременно – цвят (A жълто, a зелено) и форма на семето (B кръгло, b набръчкано). Кръстосва чисти линии ; F₁ е изцяло – жълто и кръгло. В F₂ се появяват и две нови съчетания – жълто набръчкано и зелено кръгло.
III закон на Мендел – независимо комбиниране
Причината отново е в мейозата: ако двата гена са в различни хромозоми, всяка двойка хомоложни хромозоми се подрежда независимо от другите (). Отношението 9 : 3 : 3 : 1 се получава и без решетка с 16 клетки – по на вероятностите на (виж Вероятности и статистика): .
Пример
Мендел получава в F₂ 315 жълти кръгли, 101 жълти набръчкани, 108 зелени кръгли и 32 зелени набръчкани семена. Отговаря ли това на 9 : 3 : 3 : 1?
- Общо: семена.
- Очаквани: ; (два пъти); .
- Разликите са малки – но колко малки е „достатъчно“? Отговорът дава χ² тестът в раздел 8: , далеч под критичната стойност .
Изобщо, при n хетерозиготни гена в различни хромозоми организмът дава вида гамети, а в F₂ има генотипа и фенотипа (при пълно доминиране).
6. Когато отношенията са други
Мендел е имал късмет – и седемте признака, които избира, се унаследяват по най-простия начин. Много гени се държат иначе, но правилата за гаметите остават същите. Променя се само как генотипът става фенотип.
Непълно доминиране и кодоминиране
са пример и за множествени алели: генът има три алела в (A, B и 0), макар всеки човек да носи само два от тях. Подробно ги разглеждаме в урока Наследяване при човека.
Летален алел
Епистаза
| тип | пример | F₂, един ген | F₂, два гена |
|---|---|---|---|
| пълно доминиране | жълт × зелен грах | 3 : 1 | 9 : 3 : 3 : 1 |
| непълно доминиране | нощна красавица: червен × бял | 1 : 2 : 1 | – |
| кодоминиране | чалести говеда, кръвна група AB | 1 : 2 : 1 | – |
| летален алел | жълти мишки | 2 : 1 | – |
| рецесивна епистаза | окраска на лабрадори | – | 9 : 3 : 4 |
| комплементарни гени | цвят на цвета на ароматния грах | – | 9 : 7 |
Сборът на отношенията издава колко гена участват: 9 + 3 + 4 = 16 и 9 + 7 = 16 – значи два гена и стандартните 16 , само някои класове са слети. А 2 : 1 вместо 3 : 1 издава, че една четвърт от липсва.
7. Скачени гени и генетични карти
Хромозомите са малко, а гените – хиляди. Гените в една хромозома не се разпределят независимо – те се унаследяват заедно и образуват група на скачване. Томас Морган открива това около 1910 г. при плодовата мушица. Но скачването не е пълно: при в мейоза I хомоложните хромозоми си разменят участъци и се появяват рекомбинантни гамети.
Честота на рекомбинация
Пример
Хетерозиготна мушица (A и B на една хромозома, a и b – на другата) се кръстосва с . Потомците са: 420 , 430 , 72 и 78 . На какво разстояние са гените?
- Родителските класове са най-многобройни: и .
- Рекомбинанти: от .
- – гените са на 15 cM.
През 1913 г. Алфред Стъртевант, студент в лабораторията на Морган, разбира, че разстоянията се събират – и за една нощ съставя първата генетична карта. С три гена наведнъж картата се прави от едно-единствено кръстосване. Опитай.
родителски
кросинговър A–B
кросинговър B–C
двоен кросинговър
A и C изглеждат по-близо (22,0% вместо 25,0%): при двойния кросинговър краищата остават родителски и тези 15 потомци не се броят като рекомбинанти за A и C.
💡 Плъзгачите задават честотата на рекомбинация във всеки участък; моделът приема, че двата кросинговъра стават независимо (без интерференция). Най-редките класове са двойните кросинговъри – по тях се познава кой ген е в средата. Колкото по-далеч са гените, толкова повече двойни кросинговъри „крият“ – затова картите се строят от близки гени, а измерената честота никога не надхвърля 50%.
Двойните кросинговъри в съседни участъци понякога се срещат по-рядко, отколкото предсказва умножението на вероятностите – единият кросинговър пречи на другия (интерференция). Мярка за това е коефициентът на съвпадение: наблюдавани двойни кросинговъри, разделени на очакваните.
8. Хи-квадрат тест
Броевете никога не съвпадат точно с очакваните – потомците са случайна извадка. Кога отклонението е „нормално“ и кога казва, че е грешна? Генетиците ползват теста хи-квадрат на Карл Пиърсън (1900).
Тест χ²
„Отхвърляме“ значи: ако хипотезата беше вярна, толкова голямо отклонение би се случило по-рядко от 1 път на 20. Затова и при вярна хипотеза около 5% от опитите я отхвърлят – провери с бутона „Повтори 200 пъти“. А „приемаме“ значи само, че данните не ѝ противоречат, не че е доказана.
| клас | O | E | (O − E)²/E |
|---|---|---|---|
| жълти кръгли | 315 | 312,8 | 0,016 |
| жълти набръчкани | 101 | 104,3 | 0,101 |
| зелени кръгли | 108 | 104,3 | 0,135 |
| зелени набръчкани | 32 | 34,8 | 0,218 |
χ² = 0,47 < 7,81: отклонението може да е случайно – нямаме основание да отхвърлим хипотезата 9 : 3 : 3 : 1.
💡 Отначало са истинските числа на Мендел от дихибридното кръстосване (556 семена). Двата гена са на различни хромозоми и се разпределят независимо – 9 : 3 : 3 : 1 е вярната хипотеза.
9. Тренажор
Вероятности от кръстосвания, видове гамети, очаквани бройки, генетични разстояния и χ².
Колко различни вида гамети образува организъм с този генотип (гените са в различни хромозоми)?
10. Наследственост в числа
🫛 Жълто и зелено
В F₂ Мендел преброява 6022 жълти и 2001 зелени семена. Какво е отношението жълти : зелени (с точност до 0,01)?
🐄 Чалести телета
При едно говедо червената (RR) и бялата (WW) окраска са кодоминантни: хетерозиготата RW е „чалеста“ – с червени и бели косми. Фермер кръстосва чалести крави с чалест бик. Колко от 12 телета се очаква да са червени, чалести и бели?
🐕 Жълто кученце от черни родители
При лабрадорите алелът B дава черен пигмент, а b – кафяв. Но пигментът се отлага в козината само ако има поне един алел E; кучетата ee са жълти. Каква е вероятността (в %) кученце на два черни родителя BbEe да е жълто?
🌽 Кочанът на масата
На кочан царевица от F₂ има 312 лилави и 88 жълти зърна. Пресметнете χ² за хипотезата 3 : 1. Може ли тя да се приеме (критична стойност 3,84)?
🪰 Колко рекомбинанта
Два гена при плодовата мушица са на 12 cM един от друг. Колко рекомбинантни мушици се очакват сред 500 потомци при анализиращо кръстосване?
Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.
11. ⚠️ Чести грешки
Доминантен = по-чест
✗ Доминантният алел е по-разпространен в популацията.
✓ Доминирането казва само кой алел се проявява в хетерозиготата. Например полидактилията (шест пръста) е доминантна, но е рядка.
Доминантен = по-добър
✗ Доминантният алел е „силен“ и полезен, рецесивният – „слаб“.
✓ Някои тежки болести са доминантни (Хънтингтън), а някои полезни признаци – рецесивни.
3 : 1 е сигурно
✗ Ако двойка хетерозиготи има 4 деца, точно едно ще е с рецесивния признак.
✓ Всяко дете има шанс 1/4 независимо от другите. Отношението 3 : 1 се вижда само при голям брой потомци.
Гаметите на хомозиготата
✗ Генотипът дава гамети .
✓ Гаметите са хаплоидни – получават по един алел от всеки ген: дава само гамети A.
Част от жълтите
✗ Сред жълтите потомци на хетерозиготите са 1/2.
✓ Те са 1/2 от всички потомци, но 2/3 от жълтите – трябва да делим на 3, а не на 4.
Скачените гени
✗ Гените в една хромозома винаги се унаследяват заедно.
✓ Кросинговърът ги разделя толкова по-често, колкото по-далеч са. Много отдалечени гени дават почти 50% рекомбинанти – като несвързани.
12. 🎯 Бърз тест
Как се нарича външният израз на признака – например зелен цвят на семето?
13. 📝 Задачи за упражнение
Ниво А· Областен кръг
Ниво В· Национален кръг
Ниво С· Международна олимпиада
14. Обобщение
- ✓ Ген – алели (доминантен A, рецесивен a); генотип (, , ) и фенотип; хомозигота и хетерозигота
- ✓ I закон: F₁ от чисти линии е еднообразно; II закон: алелите се разделят в гаметите – F₂ по генотип, по фенотип
- ✓ Анализиращо кръстосване с разкрива генотипа: означава хетерозигота
- ✓ III закон: гени в различни хромозоми се комбинират независимо – , вероятностите се умножават
- ✓ Други отношения: непълно доминиране и кодоминиране , летален алел , епистаза и
- ✓ Скачените гени се разделят чрез кросинговър; в % = разстояние в cM, най-много 50%
- ✓ Тест χ²: , степени на свобода = класове − 1; над критичната стойност хипотезата се отхвърля
💡 Интересен факт
Повече от век след Мендел (през 1990 г.) учени откриват какво точно прави набръчканото семе набръчкано. Алелът r е повреден ген за , който разклонява нишестето – в него се е вмъкнало парче „чужда“ ДНК. Без този ензим семето натрупва повече захар, поема повече вода, докато узрява, и после при изсъхването се сбръчква. А статистикът Роналд Фишър през 1936 г. изчислява, че числата на Мендел са подозрително близки до очакваните. Дали Мендел (или помощник) е „подредил“ данните, или има невинно обяснение – историците спорят и до днес.