Полная версия

Главная arrow Прочие arrow Биология: генетика. Практический курс

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Мутационная изменчивость

Цель:

  • 1) выявить основной механизм возникновения мутаций;
  • 2) установить особенности мутационной изменчивости;
  • 3) разработать методические рекомендации по организации изучения этой темы в школе.

Контрольные вопросы:

  • 1. Классификации изменчивости.
  • 2. Генотипическая и фенотипическая изменчивость.
  • 3. Значение мутационной изменчивости для живых организмов.
  • 4. Мутационная изменчивость, мутации, мутагенез (спонтанный, индуцированный).
  • 5. Мутагены, антимутагены.
  • 6. Генные мутации, характер перестройки, причины, следствие.
  • 7. Изменение копийности генетической информации, характер перестройки, причины, следствие.
  • 8. Хромосомные аберрации, характер перестройки, причины, следствие.
  • 9. Методы регистрации мутаций по генотипу.

Исследовательская работа Изучение хромосомных аберраций при воздействии на клетки

некоторых мутагенов химической природы (ксенобиотиков)

Объект исследования: клетки меристематической ткани тест объекта (яровая мягкая пшеница).

Пояснение к заданию

Изучение влияния ксенобиотиков на разных уровнях организации живой системы относится в настоящее время к одной из самых актуальных проблем — экологической и генетической защите живых организмов. Значимость этой проблемы возрастает, так как все чаще экологические службы регистрируют превышение предельно допустимого содержания ряда химических веществ в атмосфере, гидросфере и почве, а службы здравоохранения — рост врожденной патологии, в том числе наследственно обусловленной. В связи с этим возникает необходимость не только строгого контроля за состоянием окружающей человека среды, но и оценки характера действия ксенобиотиков на живую систему через учет частоты возникновения и спектра мутаций в зависимости от дозы и времени воздействия мутагена.

Определение мутагенной активности ксенобиотиков проводится через оценку хромосомных аберраций в растительных клетках корневой меристемы высших растений (традесканция, ячмень, пшеница, лук и др.), которые рекомендуются экспертами ВОЗ в качестве первой ступени генетического скрининга. Цель таких тестов — получить ответ на вопрос о наличии или отсутствии мутагенных эффектов у изучаемого соединения в возможно короткие сроки и, таким образом, обосновать целесообразность постановки хронических экспериментов в более дорогостоящих и сложных тестах. Цитогенетическая оценка, проводимая в тестах первичного скрининга, обладает рядом преимуществ, это высокая чувствительность и пропускная способность, краткосрочность, простота в технологии и невысокая стоимость. Однако существенным недостатком данных тестов является возможность регистрации лишь кластогенных эффектов (способности вызывать хромосомные повреждения), т. е. изучения, как правило, одного класса генетических повреждений. Поэтому отмеченный вид тестирования называют экспресс-методом предварительной оценки мутагенного эффекта ксенобиотика, а данные, полученные в такой серии тестирования, нуждаются в дополнительной проверке.

При проведении цитогенетического тестирования (анализ хромосомных аберраций в клетках корневой меристемы) необходимо грамотно подобрать тест-культуру. Чаще всего рекомендуется использовать семена районированных сортов пшеницы, выращенных на экологически чистом фоне (без внесения минеральных удобрений, пестицидов, гербицидов) с невысоким уровнем естественного мутирования.

Обработка семян ксенобиотиком

Семена тест-культуры (100 штук) помещают в двухслойных марлевых мешочках в химические стаканчики при полном погружении в раствор исследуемого вещества (вариант опыта) или дистиллированной воды (контроль опыта) на определенное время обработки (экспозиции). Наиболее полной схемой опыта можно считать следующую: ПДК х 10, ПДК х 100 (ПДК — предельно допустимая концентрация вещества, которая устанавливается по литературе), при экспозициях —

24, 48, 72 часа. После обработки семена проращивают при температуре 21—24 °С в чашках Петри.

Технология подготовки материала для исследования и техника приготовления временного давленого препарата для изучения митоза, во время которого наиболее эффективна регистрация хромосомных аберраций, представлены в лабораторной работе темы 1.1 «Генетическое значение митоза».

Анализ хромосомных аберраций

В каждой опытной и контрольной группах изучается 1000 клеток, находящихся в ана- и телофазе. Рекомендуется учитывать такие разновидности патологии митоза, как фрагменты, хромосомные мосты, отставания хромосом при расхождении к полюсам (приложение 3).

Если в анафазу регистрируются одни и более фрагментов, то констатируется факт хромосомной аберрации — делении, если фрагменты не содержат центромеры, то такой участок хромосомы остается в одной из дочерних клеток, а в другой дочерней клетке отмечается недостаток этого участка, а значит, группы генов. Очень часто фрагменты элиминируются. Мосты свидетельствуют о происшедшей делеции — выпадении центрального участка с центромерой, в результате чего образуется хромосома без центромеры; или транслокации с образованием дицен- трической хромосомы (с двумя центромерами), ацентрической хромосомы (без центромеры). Отстающие хромосомы есть результат повреждений их в области кинетохора.

Частота хромосомных аберраций определяется отношением числа патологических митозов к общему числу ана-, телофаз. Для оценки спектра мутаций рассчитывается процентное соотношение клеток с определенным видом патологии митоза к общему числу патологических митозов в ана- и телофазу митотического цикла.

Данные анализа заносятся в рабочие протоколы, форма которых представлена в таблицах IV.9, IV.10.

Таблица IV.9

Экспозиция,

час.

Концентрация, ЕД/мл

Частота

всего

Хромосомных аберраций, %

в том числе

в анафазу

в телофазу

Таблица IV. 10

Экспозиция,

час.

Концентрация,

ЕД/мл

Патология, %

в анафазу

в телофазу

М.

Ф.

С. п.

М.

Ф.

С. п.

О. X.

Условные обозначения: М. — мосты, Ф. — фрагменты, С. П. — сочетанная патология, О. X. — отстающие хромосомы.

Методическая часть

В состав содержательного компонента раздела «Основы генетики» по программе под редакцией И. Н. Пономаревой и раздела «Основные формы изменчивости» по программе В. Б. Захарова входят понятия «мутационная изменчивость», «типы мутаций», «причины», «свойства и значение мутаций», «спонтанный и индуцированный мутагенез», а также «опасность загрязнения природной среды мутагенами». К сожалению, в программных документах не приводится методический аппарат (формы, методы, средства обучения) и, соответственно, встает вопрос о том, какие методы и средства обучения этой темы будут более эффективными.

Целесообразно при формировании понятия «хромосомные аберрации» использовать иллюстрации — фотографии различных видов хромосомных нарушений, а также результаты эксперимента по изучению мутагенной активности какого-либо вещества, например, загрязнителя атмосферы, питьевой воды, лекарственного препарата и др., в сочетании со словесными методами. Такой подход в организации учебного процесса облегчит восприятие этого материала.

Эксперимент для получения сведений о мутагенности какого-либо вещества можно организовать как индивидуальную исследовательскую работу учащихся по традиционной технологической схеме.

Задание

  • 1. Проанализировать отчеты экологической службы Омска и Омской области, выбрать для исследования наиболее широко распространенный ксенобиотик.
  • 2. Разработать схему эксперимента с указанием цели, методики, количества вариантов.
  • 3. Провести эксперимент, проанализировать ана- и телофазы митоза, определить число хромосомных аберраций в эти фазы и спектр их, сравнить с контрольным вариантом.
  • 4. Статистически обработать полученные данные с помощью критерия Стьюдента, написать отчет по исследованию.
  • 5. Разработать технологическую схему организации индивидуальной исследовательской работы учащихся по этой теме.

Оборудование: предметные и покровные стекла, 45%-ная уксусная кислота, фильтрованная бумага (полоски 2x5 см), препарировальная игла, пинцет; лезвие безопасной бритвы, деревянная палочка, микроскоп, белый лист бумаги, калькулятор.

Практическая работа 1

Морфологическая характеристика аллополиплоида — тритикале

Объект исследования: 3 сорта тритикале, 3 сорта мягкой пшеницы, 3 сорта ржи.

Пояснение к заданию

Тритикале — межродовой ржано-пшеничный гибрид с удвоенным числом хромосом, амфидиплоид, одна из форм аллополиплоидии.

Впервые эти гибриды были получены в 1891 г. Римпау в Германии, но тогда они не имели практического значения и не была объяснена их генетическая природа. В 1918 г. в СССР селекционер Мейстер наблюдал образование таких межродовых форм в ходе спонтанной гибридизации. В 1927 г. Навашин назвал эти гибриды амфидиплоидами, а позднее Писарев дал им название «тритикале», получил 56-хромосомные формы путем скрещивания мягкой озимой пшеницы с озимой рожью и мягкой яровой пшеницей с восточно-сибирской яровой рожью. Схема этого процесса представлена на рис. IV. 12. Геномную схему этого процесса можно изобразить так:

IV. 12. Схема селекционного процесса получения тритикале

Рис. IV. 12. Схема селекционного процесса получения тритикале

Среди тритикале встречаются 42-хромосомные формы, полученные от скрещивания твердой пшеницы (Triticum durum, 2п = 28) и ржи СSecale cereale, 2п = 14). Геномная формула такого гибрида выглядит так: ААВВ х RR-? ABR х 2-? AABBRR.

Сравнительное изучение 56- и 42-хромосомных тритикале показало, что последние представляют большую практическую ценность. Они более продуктивны и плодовиты.

Тритикале имеют четко выраженные морфофизиологические признаки, по которым они отличаются от родительских форм — пшеницы и ржи. Колосковые чешуи ржаного типа, но более длинные и широкие, с хорошо выраженным килем и длинным килевым зубцом. В каждом колоске содержится 3—5 нормально развитых цветков. Зерновка крупная, пшеничного типа. Колос длинный, плотный или средней плотности, содержит 24—30 колосков. Соломина толстая, различной длины, может быть неопушенной или сильноопущенной под колоском. Этот тип амфидиплоида характеризуется высоким содержанием белка (19—23 %) и лизина, быстрым ростом, повышенной устойчивостью к болезням, низким температурам. Но в характеристике тритикале есть и недостатки — это плохая выполненность зерна и невысокие хлебопекарные качества.

В Омской области районированы следующие сорта тритикале: Омская, Алтайская 2.

Методическая часть

Как уже указывалось в методической части исследовательской работы блок понятий «мутационная изменчивость» входит в состав понятийного аппарата учебного курса «Общая биология». При анализе программных документов установлено, что как обязательная форма обучения при формировании частного понятия «геномные мутации», рекомендуется лабораторная работа, направленная на выявление фенотипических и генотипических проявлений у межвидовых гибридов, а также возможности использования мутаций для выведения новых форм. Наиболее приемлемой для такой лабораторной работы является аллополиплоид — тритикале.

Задание

  • 1. Проведите сравнительный анализ некоторых морфологических признаков (высота растения, общая кустистость, общая листовая поверхность), признаков продуктивности (длина колоса, количество колосков колоса, количество зерен колоса, продуктивная кустистость) 50 растений каждого сорта пшеницы, ржи, тритикале.
  • 2. Обработайте полученные данные с помощью вариационной статистики и критерия Стьюдента (приложение 4).
  • 3. Разработайте рекомендации по применению данного материала в учебном процессе при изучении понятия «мутационная изменчивость».

Оборудование: линейка, калькулятор.

Практическая работа 2

Изучение фенотипического разнообразия признака «окраска

листьев белого клевера» при разных условиях произрастания

Объект исследования: популяции белого клевера (Trifolium repens), признак — рисунок седых пятен на листьях белого клевера.

Пояснение к заданию

Генные (точковые) мутации являются результатом изменения нуклеотидной последовательности участка ДНК — гена, другими словами, это переход аллеля из одного состояния в другое. Как ранее отмечалось, количество таких состояний у одного гена может быть несколько. Такое явление получило называние — множественный аллелизм, которое обусловливает большое разнообразие фенотипов — полиморфизм. Полиморфизм можно определить как устойчивое присутствие в популяции как минимум двух морфологических форм, но при этом частота самой редкой должна составлять не менее 1 %.

Наследование в серии множественного аллелизма подчиняется законам Менделя. Члены такой серии взаимодействуют друг с другом с эффектом полного, неполного доминирования, а также кодоминирования, образуя гомозиготные и гетерозиготные сочетания. Гетерозигота, представленная двумя членами серии, получила название компаунд. Одна аллель в компаунде ведет себя по отношению к другой, как доминантная, при этом в другом компаунде она может выступать как рецессивная. Таким образом, в серии множественного аллелизма можно составить ряд аллелей по степени доминирования. Например, серия по признаку — окраска шерсти у кроликов, представлена 5-ю членами в следующем соотношении: аллель — С, определяющая черную окраску, подавляет действие всех аллелей серии (Cc/l, Ch, Cab Са2); аллель — Cch, определяющая шиншилловую окраску, доминирует над аллелью горностаевой окраски, неполным альбинизмом и альбинизмом, в свою очередь, аллель горностаевой окраски (гималайский кролик) — Ch, подавляет действие двух других. Эту закономерность можно изобразить с помощью символов и выглядит это так: С > Cch >

> Q > са1 > са2.

Примером неполного доминирования в серии множественного аллелизма является моногенный признак — рисунок пятен на листьях белого клевера, который можно охарактеризовать по следующим параметрам: форма пятна, относительное положение на листе.

Ген, определяющий этот признак, обозначается буквой V. Выявлено 11 аллелей этого гена, из них хорошо изучены в экспериментах только 8 (рис. IV.13). В гомозиготном доминантном состоянии компаунд определяет состояние признака — сплошное ^ -образное пятно, в гомозиготном рецессивном состоянии — рисунок отсутствует. Аллели серии взаимодействуют друг с другом, при этом гетерозиготные компаунды членов серии фенотипически по рисунку не отличаются и генотип определить невозможно. Например: VBVH и VHVH имеют одинаковый фенотип, так как рисунки сливаются. Необходимо помнить и то, что на степень выраженности пятен у гетерозигот влияет форма, возраст и относительная величина листьев. Идентификация некоторых пятен может быть затруднена еще и потому, что могут существовать переходные формы. Поэтому целесообразно объединить фенотипические классы А и Ан, В и Вн (таблица IV. 11), вести анализ рисунка только на крупных листьях.

Еще большую сложность представляет определение фенотипов растений с двойными пятнами.

Таким образом, зная фенотип в серии множественного аллелизма, можно определить генотип, что, в свою очередь, позволяет установить количество мутантных особей в популяции, на которую оказывают воздействие большое количество факторов как внешних, так и внутренних.

Количество мутантных форм серии в целом, а также и отдельных компаундов, определяется через пропорциональное уравнение, т. е. вся проанализированная выборка генеральной совокупности составляет 100 %, а число мутантных форм —X.

IV.13. Фенотипы и генотипы серии множественного аллелизма по признаку «рисунок пятен на листьях белого клевера»

Рис. IV.13. Фенотипы и генотипы серии множественного аллелизма по признаку «рисунок пятен на листьях белого клевера»

Таблица IV. 11

Серия множественных аллелей в локусе V у белого клевера

Аллель

Фенотип

Символ фенотипа

V

Нет пятна

О

V

Полное л -образное пятно

А

Vм

Полное л -образное высокое пятно

АИ

Vв

л -образное, разорванное пятно

В

yBh

л -образное, высокое, разорванное пятно

Вн

ур

Центральное пятно

С

VF

Большое пятно у основания

D

yi

Треугольное, низкое пятно у основания

Е

Фенотипический и генотипический анализ следует проводить в 10-кратной повторности выборки генеральной совокупности, в зависимости от цели исследования и численности популяции в целом. В качестве повторности может выступать площадка размерами 20 х 30 см, на которой проводится анализ характера рисунка по одному среднему листу особей одного возраста без повреждений. По фенотипу устанавливается генотип, данные заносятся в рабочую таблицу (таблица IV. 12). Учет ведется с помощью традиционного метода «квадрата», точки и линии которого означают: проанализировано 10 растений. Анализируемые растения на изучаемой площадке не вырываются.

Таблица IV. 12

Повторность

Количество особей, шт.

1

2

Методическая часть

На предпрофильной ступени обучения биологии в 9 классе программой, утвержденной Министерством образования РФ, предполагается формирование понятия «фенотипический эффект мутаций», которое, в свою очередь, предполагает формирование частного понятия «множественный аллелизм». Знание этого понятия необходимо, так как такой признак, как группы крови человека, есть следствие явления множественного алле- лизма, механизм наследования которого определяется эффектом кодоми- нирования дискретной системы. В связи с этим целесообразно в учебном процессе выделить время на формирование этого понятия. При дефиците времени, отведенного на изучение этого раздела в 9 классе, достаточно лишь перечисление признаков понятия в логической их взаимосвязи. На профильной ступени образования, в 10—11 классе, более эффективным методом для формирования этого понятия будет являться организация исследовательской работы с целью определения механизма наследования в серии множественного аллелизма. Наиболее простой объект для такой работы — признак «рисунок на листе белого клевера». Работу следует организовывать в летнее время. Но, к сожалению, программа не предусматривает этого периода в учебном процессе. Таким образом, лучше всего заранее заготовить материал (гербарий) и провести практическую работу с дидактической целью определения механизма наследования в серии множественного аллелизма в классе.

Задание

  • 1. Проведите фенотипический анализ признака «рисунок на листе белого клевера» в популяциях, произрастающих при разных условиях, в 10-кратной рендомизированной повторности с определением генотипа (рис. IV.13).
  • 2. Составьте и зарисуйте серию всех описанных аллелей и установите частоту их встречаемости через пропорциональное уравнение.
  • 3. Определите наиболее широко встречаемый фенотип и генотип серии, сделайте вывод о типе наследования признака.
  • 4. Рассчитайте частоту встречаемости рецессивной аллели в анализируемых популяциях.
  • 5. Разработайте структуру исследовательской работы для определения механизма наследования признака «рисунок на листе белого клевера», с целью организации учебного процесса в системе среднего биологического образования.

Оборудование: металлические рамки размером 20 х 30 см, калькуляторы.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>