История развития генетики. Грегор Мендель

Первое, на что Мендель обратил внимание, – это выбор объекта. Для своих исследований Мендель выбрал удобный объект – чистые линии (сорта) гороха посевного, различающиеся по одному или немногим признакам. Горох как модельный объект генетических исследований характеризуется следующими особенностями:

1. Это широко распространенное однолетнее растение из семейства бобовые (мотыльковые) с относительно коротким жизненным циклом, выращивание которого не вызывает затруднений.

2. Горох  – строгий самоопылитель, что  снижает вероятность заноса нежелательной  посторонней пыльцы. Цветки у  гороха мотылькового типа (с парусом, веслами и лодочкой). В то же время строение цветка гороха таково, что техника скрещивания растений относительно проста.

3. Существует  множество сортов гороха, различающихся  по одному, двум, трем и четырем  наследуемым признакам.

Едва ли не самым существенным во всей работе было определение числа признаков, по которым должны различаться скрещиваемые растения. Мендель впервые осознал, что, только начав с самого простого случая – различия родителей по одному-единственному признаку – и постепенно усложняя задачу, можно надеяться распутать клубок фактов. Строгая математичность его мышления выявилась здесь с особенной силой. Именно такой подход к постановке опытов позволил Менделю четко планировать дальнейшее усложнение исходных данных. Он не только точно определял, к какому этапу работы следует перейти, но и математически строго предсказывал будущий результат. В этом отношении Мендель стоял выше всех современных ему биологов, изучавших явления наследственности уже в XX веке.

Опыты Менделя.

Мендель проводил свои опыты в монастырском саду на небольшом участке площадью 35×7 метров. Первоначально он выписал из различных семеноводческих ферм 34 сорта гороха. В течение двух лет Мендель высевал эти сорта на отдельных делянках и проверял, не засорены ли полученные сорта, сохраняют ли они свои признаки неизменными при размножении без скрещиваний. После такого рода проверки он отобрал для экспериментов 22 сорта. Изучая наследование признаков у гибридов гороха, Мендель опирался на опыт своих предшественников, особенно И. Кельрейтера, Т. Найта, О. Сажрэ и Ш. Нодэна. Из предложенных ими методических приемов он выбрал наиболее прогрессивные (полукастрация цветков, реципрокные и возвратные скрещивания, отбор растений с альтернативными признаками) и усовершенствовал гибридологический метод, дополнив его количественным учетом расщепляющихся форм и математическим анализом полученных результатов. Все последовательные этапы экспериментальной работы Менделя были им тщательно продуманы и обоснованы.

Для опытов он использовал сорта гороха, различающиеся по ряду признаков:

Мендель начал с опытов по скрещиванию сортов гороха, различающихся по одному признаку (моногибридное скрещивание).

Опыт № 1: скрещивание сортов, различающихся по окраске цветков.

В первый год на двух смежных делянках выращивалось два сорта гороха, различающихся по окраске цветков: пурпурноцветковый и белоцветковый. В фазе бутонизации Мендель произвел кастрацию части цветков на пурпурноцветковых растениях: он аккуратно разрывал лодочку и удалял все 10 тычинок. Затем на кастрированный цветок надевался изолятор (трубка из пергамента), чтобы исключить случайный занос пыльцы. Через несколько дней (в фазе цветения), когда пестики кастрированных цветков становились готовыми к восприятию пыльцы, Мендель произвел скрещивание: он снял изоляторы с кастрированных цветков пурпурноцветкового сорта и нанес на рыльца их пестиков пыльцу с цветков белоцветкового сорта; после этого на опыленные цветки вновь надевались изоляторы. После завязывания плодов изоляторы снимались. После созревания семян Мендель собрал их с каждого искусственно опыленного растения в отдельную тару.

На следующий год Мендель вырастил из собранных семян гибридные растения – гибридов первого поколения. На всех этих растениях образовались пурпурные цветки, несмотря на то, что материнские растения были опылены пыльцой с белоцветкового сорта. Мендель предоставил этим гибридам возможность неконтролируемого опыления (самоопыления). После созревания семян Мендель вновь собрал их с каждого растения в отдельную тару.

На третий год Мендель вырастил из собранных семян гибридов второго поколения. Часть этих растений дала только пурпурные цветки, а часть только белые, причем пурпурноцветковых растений оказалось примерно в 3 раза больше, чем белоцветковых.

Опыт № 2: скрещивание сортов, различающихся по окраске семядолей.

Особенность этого опыта в том, что окраска горошин (при полупрозрачной семенной кожуре) определяется окраска семядолей, а семядоли являются частью зародыша – нового растения, сформировавшегося под защитой материнского растения.

В первый год на двух смежных делянках выращивалось два сорта гороха, различающихся по окраске семядолей: желтосемянный и зеленосемянный. Мендель произвёл кастрацию части цветков на растениях, выращенных из желтых семян, с последующей изоляцией кастрированных цветков. В фазе цветения Мендель произвел скрещивание: на рыльца пестиков кастрированных цветков он нанес пыльцу с цветков растений, выращенных из зеленых семян. Искусственно опыленные цветки дали плоды только с желтыми семенами, несмотря на то, что материнские растения были опылены пыльцой с зеленосемянного сорта (еще раз подчеркнем, что окраска этих семян определялась окраской семядолей зародышей, которые уже являются гибридами первого поколения). Полученные семена Мендель также собрал с каждого искусственно опыленного растения в отдельную тару.

На следующий год Мендель вырастил из собранных семян гибридные растения – гибридов первого поколения. Как и в предыдущем опыте, он предоставил этим гибридам возможность неконтролируемого опыления (самоопыления). После созревания плодов Мендель обнаружил, что внутри каждого боба встречаются и желтые, и зеленые горошины. Мендель подсчитал общее количество горошин каждого цвета и обнаружил, что желтых горошин примерно в 3 раза больше, чем зеленых.

Таким образом, опыты с изучением морфологии семян (окраски их семядолей, формы поверхности семян) позволяют получить результаты уже на второй год.

Скрещивая растения, различающиеся и по другим признакам, Мендель во всех без исключения опытах получил аналогичные результаты: всегда в первом гибридном поколении проявлялся признак только одного из родительских сортов, а во втором поколении наблюдалось расщепление в соотношении 3:1.

На основании своих экспериментов Мендель ввел понятие доминантного и рецессивного признаков. Доминантные признаки переходят в гибридные растения совершенно неизменными или почти неизменными, а рецессивные становятся при гибридизации скрытыми. Заметим, что к подобным выводам пришли французские естествоиспытатели Сажрэ и Нодэн, которые работали с тыквенными растениями, имеющими раздельнополые цветки. Однако величайшая заслуга Менделя в том, что он впервые сумел дать количественную оценку частотам появления рецессивных форм среди общего числа потомков.

Для дальнейшего анализа наследственной природы полученных гибридов Мендель проводил скрещивания между сортами, различающимся по двум, трем и более признакам, то есть проводит дигибридное и тригибридное скрещивания. Далее он изучил еще несколько поколений гибридов, скрещиваемых между собой. В результате получили прочное научное обоснование следующие обобщения фундаментальной важности:

1. Явление  неравнозначности наследственных  элементарных признаков (доминантных  и рецессивных), отмеченное Сажрэ и Нодэном.

2. Явление  расщепления признаков гибридных  организмов в результате их  последующих скрещиваний. Были установлены  количественные закономерности  расщепления.

3. Обнаружение  не только количественных закономерностей  расщепления по внешним, морфологическим  признакам, но и определение соотношения  доминантных и рецессивных задатков  среди форм, с виду не отличимых  от доминантных, но являющихся смешанными (гетерозиготными) по своей природе. Правильность последнего положения Мендель подтвердил, кроме того, путем возвратных скрещиваний гибридов первого поколения с родительскими формами.

Таким образом, Мендель вплотную подошел к проблеме соотношения между наследственными задатками (наследственными факторами) и определяемыми ими признаками организма. Мендель ввел понятие дискретного наследственного задатка, не зависящего в своем проявлении от других задатков. Эти задатки сосредоточены, по мнению Менделя, в зачатковых (яйцевых) и пыльцевых клетках (гаметах). Каждая гамета несет по одному задатку. Во время оплодотворения гаметы сливаются, формируя зиготу; при этом в зависимости от сорта гамет, возникшая из них зигота получит те или иные наследственные задатки. За счет перекомбинации задатков при скрещиваниях образуются зиготы, несущие новое сочетание задатков, чем и обусловливаются различия между индивидуумами.

Мендель особенно подчеркивал среднестатистический характер выявленных им закономерностей: количественные закономерности расщепления среди гибридов второго поколения выявляются только при достаточно большом числе наблюдений.

Изучая расщепления по одному признаку, Мендель получил следующие результаты. При анализе расщепления по форме семян из 7324 горошин 5474 были круглыми гладкими, а 1850 – круглыми шероховатыми (2,99:1,01). При анализе расщепления по окраске семян из 8023 горошин 6022 были желтыми, а 2001 – зелеными (расщепление 3,002:0,998. Фактические расщепления оказались близкими к соотношению 3:1.

При анализе расщепления по двум признакам – форме и окраске горошин – Мендель получил 556 горошин. Из них 423 горошины были круглыми гладкими, 133 – круглыми шероховатыми (3,043:0,957); 416 горошин были желтыми, 140 – зелеными (2,993:1,007). При анализе расщепления одновременно по двум признакам 315 горошин были круглыми гладкими желтыми, 101 – круглыми шероховатыми желтыми, 108 – круглыми гладкими зелеными, 35 – круглыми шероховатыми зелеными (расщепление 9,02:2,89:3,09:1,00, что близко к соотношению 9:3:3:1).

Скрещивая гибридные пурпурноцветковые растения с белоцветковыми, Мендель получил 85 растений с пурпурными цветками и 81 – с белыми (1,024:0,976, что близко к соотношению 1:1).

Принципы гибридологического анализа, разработанные Грегором Менделем:

1. Получение константных форм, не дающих расщепления при воспроизведении.

2. Анализ наследования отдельных пар альтернативных признаков, или анализ наследования признаков, представленных двумя взаимоисключающими вариантами.

3. Количественный учет форм, выщепляющихся в ходе последовательных скрещиваний.

4. Индивидуальный анализ потомства от каждой родительской особи.

Основные закономерности наследования признаков, установленные Менделем:

1. При скрещивании чистосортных растений все гибриды первого поколения единообразны и характеризуются доминантным вариантом признака.

2. При скрещивании гибридов первого поколения между собой в их потомстве наблюдается расщепление в соотношении: 3 части растений с доминантным вариантом признака к 1 части растений с рецессивным вариантом.

3. Отдельные признаки наследуются независимо друг от друга.

В дальнейшем закономерности наследования признаков, выявленные Менделем, получили название законов Менделя.

Дальнейшая судьба работ Менделя.

Выявив основные закономерности наследования признаков у гороха, Мендель (по совету профессора Берлинского университета Карла Негели) решил перепроверить полученные им результаты на дикорастущем растении – ястребинке. Однако опыты Менделя по получению константных форм у ястребинки оказались безуспешными. В настоящее время установлено, что ястребинка – это очень неудобный объект для изучения наследования признаков, поскольку часть семян у этого растения образуется апомиктически, т.е. без оплодотворения. В итоге Мендель прекратил свои исследования, и его работы оказались полузабытыми (результаты экспериментов Менделя в течение 35 лет цитировались всего лишь 8 раз).