Розщеплення (сегрегація) генів
Як зазначено вище, гібриди F2 садового гороху в експериментах Г. Менделя характеризувались різноманітністю, оскільки серед них зустрічалися особини, у яких виявлялася як домінантна, так і рецесивна ознака. Можна сказати, що гібридиF2були двох типів: одні з них були схожі на рослини однієї прабатьківської лінії, інші - на рослини іншої прабатьківської лінії. Наприклад, гібриди з тих схрещувань, у яких Г. Мендель спостерігав пару контрастуючих ознак, що стосуються форми насіння, характеризувалися тим, що одні з них давали насіння круглої форми, а інші – шорсткої. Однак, коли Г. Мендель провів підрахунок гібридних рослинF2,різного за формою насіння, то виявилося, що з 7324 гібридів 5474 гібриди (74,74%) давали кругле насіння (домінантна ознака), а 1850 гібридів ( 25,26%) - шорсткі (рецесивна ознака). Іншими словами, три чверті
всіх гібридів F2 були схожі на рослини однієї прабатьківської лінії, а одна чверть - на рослини іншої прабатьківської лінії. Отже, відношення між гібридамиF2,дають круглі насіння, і такими ж гібридами, що дають шорстке насіння, є відношення між домінантними та рецесивними ознаками гібридів. Аналогічні відносини між різними гібридами другого покоління були виявлені й у схрещуваннях, у яких спостереженню підлягали решта контрастних ознак садового гороху (табл. 9).
Таблиця 9.Розщеплення гібридів садового гороху другого покоління у дослідах Г. Менделя
Ознаки рослин вихідних ліній
Загальна кількість врахованих гібридів
Рецесивні ознаки
Забарвлення шкірки насіння
Забарвлення незрілих бобів
Як очевидно з табл. 9, у гібридів F2 виявлявся кожна ознака з будь-якої париконтрастують ознак. Інакше кажучи, у гібридівF2ознаки піддавалися розщепленню (сегрегації).
У межах цієї гіпотези Р. Мендель припустив, що контрастують ознаки детермінуються якимись чинниками (елементами, одиницями), які передаються від батьків до потомства через статеві клітини. Г. Мендель припустив також, що кожна
пара контрастують ознак детермінується парою факторів, які в гібридах не змішуються, але при утворенні гамет розходяться, проходять чистими в різні гамети і потім опиняються в потомстві гібридів. Наприклад, кругла форма насіння, яка є домінантною ознакою, детермінується домінантним фактором, тоді як шорстка форма насіння, яка є рецесивною ознакою, детермінується рецесивним фактором. Кожна рослина має пару генетичних факторів на кожну контрастну ознаку, причому обидва фактори присутні в рослині одночасно.
Після 1909 р. менделівські фактори спадковості на пропозицію У. Бетсона (1861-1926) стали називатися генами, члени генної пари - алельними генами або просто алелями. Коли обидва алелі однакові (домінантні або рецесивні), організм, який несе ці алелі, називають гомозиготним або гомозиготою по даному алелю. Організм, що несе різні алелі (домінантний та рецесивний), називають гетерозиготним або гетерозиготою.
Щоб зрозуміти, яким чином гени передаються нащадку і як вони розподіляються в потомстві між різними особами, необхідно усвідомити сутність фенотипного та генотипного відносин, отриманих Г. Менделем щодо гібридів садового гороху. Позначимо, як це робив Г. Мендель, символомР1вихідні (батьківські) рослини, символами F1 і F2-гібриди першого та другого поколінь (відповідно), а символамиRіr -аллельні гени (відповідно домінантний і рецесивний), що детермінують, наприклад, форму насіння садового гороху. Оскільки рослиниР1- чистолинійні, то ті з них, які дають кругле насіння (є гомозиготним і несуть гениRіR),можна позначитиRR ,а гамети цих рослин -R,тоді як ті рослини, які дають шорстке насіння (є теж гомозиготним, несуть гениrі r), можна позначитиrr а гамети цих рослин - r.
Інтерпретуючи результати своїх дослідів, Г. Мендель припустив, що при схрещуванні вихідних рослинР1жіночі гаметиRзапліднюються чоловічими гаметамиr,і навпаки, внаслідок чого гібридиF1будуть гетерозиготними гібридами, що мають генетичну формулуRrі дають насіння круглої форми, оскільки аллельRпригнічує аллельr.Коли гібридF1продукує гамети, алеліRrрозщеплюються, в результаті чого половина гамет нестиме алельR,половина - алель r. Якщо ж при самозапиленні гібридів F1 жіноча гаметаRзапліднюється чоловічою гаметоюR,то гібридF2
матиме генетичну формулуRR,його гамети будуть гаметамиR,а самозапилення таких гібридів F2 дає початок рослинамRR.Якщо при самозапиленні гібридівF1жіноча гаметаrбуде запліднена чоловічою гаметоюr,гібридF2буде гібридом з генетичною формулоюrr,його гамети будуть гаметамиr,а самозапилення таких гібридівF2дає рослиниrr.Якщо ж при самозапиленні гібридівF1жіноча гаметаRбуде запліднена чоловічою гаметоюr,або навпаки, то гібрид, що утворюється,F2буде рослиноюRr(подібно до гібридуF1),йогогамети будуть гаметами двох видів - чоловічіRіrта жіночіRтаr,а самозапилення таких гібридів дає рослини з генетичними формуламиRR, Rrтаrr.
Маючи на увазі вищенаведені міркування, повернемося до гібридівF1 ,які є гетерозиготамиRrі продукують гаметиRіrу різних кількостях . Припускаючи, що при заплідненні гамети об'єднуються випадково (немає переваг для об'єднання гаметRіR,абоrіr,абоRіr)і що всі гібридні рослини, що формуються, життєздатні, можна припустити, що в результаті розщеплення генів гібриди, що формуються, будуть різними як за фенотипом, так і за генотипом (див. рис. 39).
Об'єднання гамет гібридів F1 може давати чотири подвійних поєднання алелів, причому кожне з поєднань повинно давати початок не менше однієї чверті гібридівF2.Оцінюючи генотипи гібридівF2,можна бачити, що гомозиготні рослиниRRмають лише алелі, які детермінують круглу форму насіння, і тому такі рослини повинні давати насіння круглої форми. Далі, гетерозиготні рослиниRrмають алель для круглої форми і алель для шорсткої форми насіння, але через домінантність алелюRці рослини дадуть насіння також круглої форми. Нарешті, гомозиготні рослини мають алелі лише для шорсткої форми насіння, і у зв'язку з цим такі рослини дадуть шорстке насіння. Отже, якщо припущення випадкового об'єднання гамет при заплідненні і рівної у всіх випадках життєздатності гібридів справедливі, тоді серед гібридівF2три чверті особин повинні давати круглі насіння і одна чверть - шорсткі, тобто рослини, що дають різне насіння форми, серед гібридів повинні зустрічатися вспіввідношенні 3:1, яке є фенотипічним відношенням.
Повертаючись до даних табл. 9, можна бачити, що серед 7324 гібридівF2,вивчених Г. Менделем, 5474 гібриди давали круглі насіння і 1850 - шорсткі, що становить відповідно 74,74 і 25,26%
і дуже близько до 3:1. Таке фенотипове відношення серед гібридівF2Г. Мендель виявив і у разі інших альтернативних ознак. Говорячи про менделевском фенотиповому відношенні серед гібридів, слід, однак, відзначити, що воно не точно і лише вказує на те, що можна очікувати на основі ймовірності. Тому це ставлення буде тим точніше, чим більше гібридів буде досліджено.
Отже, інтерпретація Г. Менделем сутності фенотипічного відношення 3:1 полягає в тому, що рослиниF2,дають кругле насіння, генотипно неоднакові, тоді як рослини, що дають шорстке насіння, генотипно однакові (див. рис. 39) . Серед гібридів F2, що дають кругле насіння, близько 1/3 має бути гомозиготними рослинамиRR(за алелем для круглої форми насіння) і близько 2/3 - гетерозиготнимиRr,мають і домінантний, та рецесивний алелі. Всі рослини, що дають шорстке насіння, є рецесивними гомозиготами .
Щоб перевірити справедливість генної гіпотези, Р. Мендель здійснив низку подальших схрещувань. Зокрема, він схрещував гібриди другого покоління, допускаючи їх самозапилення і отримуючи таким шляхом гібриди третього покоління(F3).rr),давало шорстке насіння, виявилося рослинами, що знову дають шорстке насіння, тобто, як і слід очікувати, рослинамиrr.Що стосується гібридівF3,які походять від гібридівF2,що давало кругле насіння, то воно виявилося неоднаковим. Самозапилення 1/3 всіх цих гібридівF2(імовірноRR)дало початок гібридамF3,продукує насіння тільки круглої форми, тобто гібридамRR .Самозапилення 2/3 гібридівF2(імовірноRr)дало початок гібридамF3,серед яких 3/4 становили рослини, що продукували кругле насіння (RR і Rr), і 1/4 - продукувало шорстке насіння(rr).Як і у випадку гібридівF2,тут фенотипове відношення також становило відповідно 3:1. Таким чином, гібридні рослини другого покоління(F2),незалежно від фенотипу генотипно, виявилися рослинами трьох типів: рослиниRR,дають кругле насіння і залишаються такими в подальших схрещуваннях (подібно до рослин вихідної лінії , використаної в первісному схрещуванні), гетерозиготні рослиниRr,дають, подібно до гібридів першого покоління, круглі насіння, але що розщеплюються в подальших схрещуваннях, і гомозиготні рослиниrr,дають
шорстке насіння і залишаються такими в подальших схрещуваннях (подібно до рослин іншої вихідної лінії, використаної в початковому схрещуванні), причому щодо 1/4:1/2:1/4 або 1:2:1 відповідно. Відношення 1:2:1 є генотипічним і було виявлено Г. Менделем також при аналізі решти шести ознак (колір насіння, положення квіток тощо). Отже, різниця між видимим (фенотичним) і фактичним (генотипічним) відносинами зумовлена домінантним характером алелюRі рецесивним характером алелюr,внаслідок чого генотипиRRіRrдають однаковий фенотип.
Крім схрещувань, результати яких наведені вище, на доказ генної гіпотези Г. Мендель звернувсятакож до зворотним схрещуванням, які згодом отримали в літературі назву аналізуючих (тест-схрещування). Сенс цих схрещувань полягає в тому, що гетерозиготні(Rr)гібридиF1,які давали, наприклад, кругле насіння і походили зі схрещувань між вихідними рослинами, що дають круглі(RR)і шорстке(rr)насіння, знову схрещували з вихідними (батьківськими) гомозиготними рецесивними рослинами, що продукують шорстке насіння. Оскільки гамети, що продукуються гетерозиготним(Rr)гібридомF1),завжди є чистими і можуть нести тільки або алельR,або аллельr,причому половина гамет має бути гаметамиR,половина - гаметамиr,а всі гамети, що продукуються вихідною гомозиготною рецесивною(rr)рослиною, повинні бути тільки гаметамиr,у разі справедливості генної гіпотези слід було очікувати, що зворотне схрещування таких рослин має призвести до утворення зигот наполовинуRrі наполовинуrr.Іншими словами, що утворюється в результаті таких зворотних схрещувань потомство має складатися наполовину з гетерозиготних організмів, що продукують круглі насіння(Rr),і наполовину з гомозиготних рецесивних організмів, що продукують насіння шорсткої форми(rr).Здійснивши зворотні рослин, що з'являються в цих схрещуваннях, Г. Мендель виявив, що вони дійсно є наполовину гетерозиготними організмами і наполовину гомозиготними, тобто відношення між ними становило 1:1.
Отже, з результатів цих експериментів випливає, що кожна спадкована ознака знаходиться під контролем пари однакових (алельних) генів, з яких один алель (один ген пари) про-
походить від одного з батьків, тоді якінший аллель (інший ген пари) бере початок від іншого з батьків. Перебуваючи в гібриді першого покоління, різні алелі не поєднуються і не впливають один на інший. Коли у зрілого організму настає процес утворення статевих клітин, то два алелі генної пари розходяться (сегрегують) чистими і виявляються в різних гаметах, що продукуються одним і тим самим гібридом. Гамети несуть лише по одному алелі з кожної генної пари. Поява одного аллельного гена у тій чи іншій гаметі – справа випадку. У процесі подальшого запліднення жіночих статевих клітин чоловічими та утворення гібридів другого покоління гени знову збираються у пари.Укладання Г. Менделя, відповідно до якого члени будь-якої генної пари розщеплюються і розходяться в різні гамети, відоме під назвою закону розщеплення (сегрегації), або першого закону спадковості (першого закону Г. Менделя), і лежить в основі теорії гена.
Зараз відомо, що деякі ознаки контролюються більш ніж двома алелями, тобто існують численні алелі. Наприклад, забарвлення шерстного покриву у кролів (див. рис. 40) контролюється чотирма алелями (С1, С2, С3, С4). У людини групи крові за антигенамиАіВконтролюються трьома алелями (див. гл. XIII). Однак їхнє успадкування також підпорядковується першому закону спадковості.