Модель-аппликация Перекрест хромосом

1. Назначение пособия
Пособие предназначено для использования в качестве демонстрационного материала в средней общеобразовательной школе в курсе общей биологии. Также данное пособие можно использовать в ВУЗах, на занятиях по генетике. Модель предназначена для изучения процесса перекреста хромосом (кроссинговера).

2. Устройство пособия

Пособие включает в себя 18 карточек с изображениями мух-дрозофил, которые отличаются двумя признаками: цветом тела и величиной крыльев, изображениями хромосом, в которых присутствуют две пары генов, отвечающие за данные признаки и карточками, на которых обозначено процентное содержание особей с разными признаками в потомстве.

Все карточки покрыты матовой антибликовой ламинирующей пленкой и снабжены магнитным креплением, позволяющим монтировать приведенную ниже схему на магнитной доске или экране.

Комплектация

Карточки с изображениями мух дрозофил - 6 шт. (№ Е1-Е4)
Карточки с изображениями хромосом - 8 шт. (№ Е5-Е10)
Карточки с обозначением процентного содержания особей с различными признаками в потомстве - 4 шт. (Е11-Е12)
Схема сборки модели


3. Методика работы с моделью

Объяснить учащимся понятие "сцепленные гены", объяснить форму записи.

Для выяснения закономерностей наследования сцепленных генов необходимо рассмотреть скрещивание на плодовой мушке дрозофиле. У дрозофилы сцеплены, т.е. находятся в одной хромосоме гены, определяющие цвет тела и длину крыльев.
Введем обозначения для двух пар аллельных генов: доминантная аллель D - длинные крылья, рецессивная аллель d - короткие (зачаточные) крылья. Доминантная аллель G - светлое тело, рецессивная аллель g - темное тело.

Запишем скрещивания:

Самка: серое тело, длинные крылья Х самец: черное тело, короткие крылья

Генотипы:    DG// dg    dg //dg
    гетерозиготны    гомозиготны
Группы сцепления:    DG и dg    dg
Далее осуществляем сборку модели согласно приведенной схеме:

Карточки монтируются поэтапно, сначала размещаются фенотипы и генотипы родителей, затем показывается, что в генотипе самки (изображенной слева) произошел перекрест хромосом, и в конце монтируются карточки, изображающие потомство.

Прикрепить к доске две карточки на одном горизонтальном уровне: серые мухи с длинными крыльями (самки) и черные мухи с короткими крыльями (самцы). Рядом с карточками с изображением мух разместить соответственно карточки с изображением хромосом (Е5 - рядом с карточкой самки, Е6 - рядом с карточкой самца). Обратить внимание на графическое изображение хромосом мух. У черного гомозиготного самца с короткими крыльями две одинаковые по цвету хромосомы. В каждой из них находится пара рецессивных сцепленных генов: dg и dg. У светлой гетерозиготной самки с длинными крыльями одна хромосома такая же, как у самца. В ней сцеплены гены dg. Вторая хромосома выделена красным цветом. В ней находится пара доминантных генов. Светлый цвет тела определяет ген G, длинные крылья - ген D, эти гены сцеплены DG. У самки гены DG и dg находятся в гомологичных хромосомах. В данной модели каждая хромосома на всех карточках показана в виде одной хроматиды. Это сделано для упрощения понимания процесса.

В мейозе в гомологичных хромосомах происходит кроссинговер. Иногда он может идти между генами, определяющими окраску тела и длину крыльев. У гетерозиготной самки этот процесс можно изобразить графически следующим образом. К доске рядом с генотипом самки прикрепляются еще две карточки, на которых изображен процесс кроссинговера: Е7 и Е8. Важно пояснить учащимся, что кроссинговер произошел при образовании не всех гамет самки, а только небольшой их части.
Гомологичные хромосомы перекрещиваются, в месте перекреста происходит их разрыв и воссоединение заново (теоретическая часть). В результате кроссинговера группы сцепления меняются. Были DG и dg, стали Dg и dG. В кроссинговер вступают несестренские хроматиды гомологичных хромосом.

После завершения кроссинговера в анафазе мейоза гомологичные хромосомы расходятся к разным полюсам клетки.
Если в процессе мейоза у самок не было кроссинговера между изучаемыми генами, то гаметы будут DG и dg. У самца будет только один тип гамет dg. Тогда при оплодотворении образуются особи двух фенотипов DG//dg (серое тело, длинные крылья) и dg//dg (черное тело, короткие крылья).

Прикрепить к доске две карточки (Е1 и Е2) со светлой длиннокрылой и темной короткокрылой мухами. Таких мух большинство, 41,5% каждого типа. Рядом с карточкой со светлой длиннокрылой мухой поместить карточку Е5, на которой изображены хромосомы с соответствующими генами, отвечающими за светлый цвет тела (Gg) и длинные крылья (Dd). Группы сцепления генов DG и dg. Под карточкой с изображением черной мухи с короткими крыльями прикрепить карточку Е6. На этой карточке изображены хромосомы с рецессивными генами, отвечающими за темный цвет тела (gg) и короткие крылья (dd). Группа сцепления генов dg.



Если кроссинговер произойдет между изучаемыми генами, то хромосомы обменяются участками, как это разбиралось на схеме (Е5-Е8). Гаметы после этого будут Dg и dG. Гаметы самца останутся такими же.
После оплодотворения образуются особи с генотипом dG//dg (светлое тело, короткие крылья) и Dg//dg (темное тело, длинные крылья).

Прикрепить две карточки (Е3-Е4) с нестандартными мухами, по 8,5% каждого типа. Рядом с черными мухами с длинными крыльями поместить карточку Е10, на которой изображены хромосомы со сцеплением генов: Dg и dg. Черный цвет тела определяется генами (dd), длинные крылья - генами (Dg). Рядом с серыми мухами с короткими крыльями прикрепить карточку Е9. На ней изображены соответствующие хромосомы с генами, отвечающими за серый цвет тела (dG) и короткие крылья (gg). Группы сцепления dG и dg.

Количество особей, образующихся в процессе кроссинговера, зависит от расстояния между генами. В данном случае расстояние между генами, определяющими цвет тела и форму крыльев, составляет 8,5 морганид. В общем виде эта закономерность состоит в том, что, чем дальше гены друг от друга, тем больше кроссоверных особей.

Вопросы

Какие гены называются сцепленными?
Между какими хромосомами происходит кроссинговер?
В каком клеточном делении происходит кроссинговер?
В какой фазе мейоза происходит перекрест хромосом и кроссинговер?
В чем значение кроссинговера?
На каком биологическом объекте был впервые изучен процесс кроссинговера?
Какой ученый впервые показал сущность этого явления?
Что такое кроссинговер?
4. Теория вопроса

Любой организм характеризуется большим количеством наследственных признаков. Число хромосом, где закодированы все признаки невелико. Следовательно, в каждой хромосоме должно находиться много генов, отвечающих за определенные признаки. Каковы же закономерности наследования генов, локализованных в одной хромосоме. Этот вопрос был изучен выдающимся американским генетиком Т. Морганом. Он впервые сформулировал хромосомную теорию наследственности.

Согласно этой теории, гены находятся в хромосомах и расположены в них линейно. Гены, локализованные в одной хромосоме, называются сцепленными и наследуются вместе.

Для обозначения сцепления гены, образующие группу сцепления, обычно подчеркивают. Например, особь гетерозиготна по двум генам, ее генотип DdGg, но гены D и G сцеплены между собой, т.е. находятся в одной хромосоме, тогда они обозначаются DG. В другой гомологичной хромосоме находятся в сцеплении гены dg. Генотип такой гетерозиготы с учетом сцепления генов следует записать: Dg или DG//dg.

В мейозе гомологичные хромосомы сначала объединяются попарно, затем расходятся к разным полюсам клетки. В одной гамете окажутся гены DG/, в другой - /dg, таким образом, получается два типа гамет.

В профазе мейоза после конъюгации гомологичных хромосом происходит кроссинговер - обмен участками между гомологичными хромосомами. Если кроссинговер происходит между генами D и G, то две гомологичные хромосомы перекрещиваются друг с другом так, что место перекреста находится между указанными генами. Затем в месте перекреста происходит разрыв хромосом и воссоединение их заново. Участок первой хромосомы с геном D соединяется с участком гомологичной хромосомы с геном g. После этого в первой хромосоме будут сцеплены гены Dg, а в другой хромосоме, гомологичной первой, после аналогичных перемещений группа сцепления будет- dG. В результате такого процесса, помимо обычных гамет DG и dg, образуются дополнительные гаметы за счет процесса кроссинговера Dg и dG. Количество гамет, образовавшихся в процессе кроссинговера, зависит от расстояния между генами. Чем дальше друг от друга расположены гены в хромосоме, тем чаще между ними может происходить кроссинговер и тем больше будет дополнительных кроссоверных гамет.

Указанные закономерности были открыты Морганом в опытах на плодовой мушке дрозофиле.

Для скрещивания были взяты мухи: гетерозиготная самка с серым телом и длинными крыльями и гомозиготный рецессивный самец с черным телом и зачаточными (очень маленькими) крыльями. Гены, отвечающие за цвет тела и длину крыльев, сцеплены между собой, т.е. находятся в одной хромосоме.

Введем обозначения:

Аллельные гены D - длинные крылья, а - зачаточныее крылья; другая пара аллельных генов G - светлое тело, g - темное тело. Самка гетерозиготна (DdGg), с учетом сцепления генов ее генотип будет DG//dg. Самец - рецессивная гомозигота (аавв), с учетом групп сцепления его генотип dg//dg.

Гаметы самки DG и dg, дополнительные гаметы, образующиеся за счет кроссинговера Dg и dG. У самца образуется один тип гамет dg, т.к. если кроссинговер и пройдет между этими генами, то гаметы не изменятся, по сочетанию генов они все будут одинаковые, поскольку особь гомозиготна. Составим решетку Пеннета:

Гаметы    DG    dg    Dg    dG

dg
DG
dg


dg
dg
Dg
dg

dG
dg

Фенотипы
Серое тело


Черное тело    Серое тело    Черное тело
Длинные крылья    Зачаточные крылья    Зачаточные крылья    Длинные крылья
Фенотипические классы серое тело, длинные крылья и черное тело, зачаточные крылья - основные, они составили по 41,5% каждый.

Другие два фенотипических класса: серое тело, зачаточные крылья и черное тело, длинные крылья образованы за счет процесса кроссинговера, на их долю приходится по 8,5% особей.

Чем дальше сцепленные гены расположены друг от друга, тем выше процент особей, образованных за счет кроссинговера.

За единицу расстояния между генами, находящимися в одной хромосоме, принят 1% кроссинговера. Такая единица в честь Т. Моргана получила название морганиды. Следовательно, расстояние между генами, отвечающими за цвет тела и форму крыльев в одной из хромосом у дрозофилы, составляет 8,5 морганид.

6. Правила хранения

Хранить коллекцию следует в сухом отапливаемом помещении.

После демонстрации рекомендуется проверить комплектность модели.