Основы генетики на дрозофиле

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Кривошапко А.А. 1

---

1АНОО "Ломоносовская школа "Зелёный мыс"

Сивопляс Е.А. 1

---

1АНОО "Ломоносовская школа - Зелёный мыс", МПГУ

Работа в формате PDF

2.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Мне интересна генетика – наука, изучающая гены, генетические вариации и наследственность. Это активно развивающаяся отрасль, тесно связанная с молекулярной биологией. В зависимости от того, какой объект был взят для изучения, выделяют генетику микроорганизмов, растений, животных, человека. Существует классификация по типу применяемых методов: молекулярная генетика, экологическая генетика. Очень интересно узнать на конкретных примерах, как передаются признаки от родителей потомству. Работа над этим проектом для меня является возможностью лучше узнать хочу ли я связать своё будущее с наукой генетикой.

Нами были выбраны дрозофилы, так как на этом классическом объекте генетики были открыты многие законы наследственности. Мушек легко содержать, а также у них происходит быстрая смена поколений, что делает её прекрасным модельным организмом.

В своей работе мы поставили перед собой следующую цель:

Выявить закономерности наследования окраски глаз у дрозофил

Для достижения данной цели мы поставили перед собой следующие задачи:

Проанализировать имеющиеся литературные данные по биологии дрозофил.

Проанализировать имеющиеся литературные данные по изменчивости окраски глаз у дрозофил.

Провести скрещивание дрозофил, имеющих красную и белую окраскуглаз с вариацией в зависимости от пола.

Проанализировать окраску глаз у полученногопотомства

Создать мультфильм, который наглядно представит результат нашей работы

Актуальность:

С начала XX века генетика, изучающая законы наследственности, активно развивалась и к настоящему времени знания, полученные данной наукой, применяются во многих сферах: медицине, сельском хозяйстве, микробиологической промышленности, а также в генной инженерии. Поэтому так важно ознакомиться с классической генетикой на дрозофиле, как модельном организме.

Обзор литературных данных

Дрозофила (Drosophila), которую иногда называют просто «плодовая мушка», это небольшое двукрылое насекомое. Перед проведением генетического эксперимента нужно в первую очередь подробно разобраться в биологии дрозофил.

Научная классификация дрозофил

Использование дрозофил в генетике

Опыты с дрозофилой начал в 1909 году Т.Г. Морган, в 1910 году он обнаружил первую спонтанную мутацию у дрозофилы, после чего создал первую мутационную линию под названием white, w, несущую белую окраску глаз. В лаборатории Моргана совместно с К. Бриджесом, Дж. Мёллером и А.Г Стертевантом были получены другие мутационные линии дрозофилы. Помимо генетического, они занимались и цитологическим анализом хромосом дрозофил. С тех пор по настоящее временя дрозофила является модельным объектом в большинстве генетических лабораториймира.

Тип питания дрозофил

В дикой среде плодовые мушки питаются соком растений, гниющими растительными остатками.

Жизненный цикл дрозофилы

Рисунок 1

Цикл развития плодовой мушки Drosophila melanogaster:

1 – яйцо; 2 – личинка первого возраста; 3 – личинка второго возраста; 4 – личинка третьего возраста; 5 – куколка

Срок жизни взрослых особей дрозофилы от момента вылета из куколки в условиях лаборатории составляет 3-4 недели, однако при выращивании в специальных опытных условиях длительность жизни увеличивается до 135 дней. Для мутационных форм дрозофилы, как правило характерна пониженная жизнеспособность [5].

Основы наследственности

Гибридологический метод является основным методом изучения наследственности. Это система скрещиваний, которая позволяет проследить закономерности наследования признаков в ряде поколений. Данный метод разработал и впервые использовал Г. Мендель. Перечислим основные особенности метода:

1) целенаправленно подбирают родителей, которые различаются по одной, двум, трем и т. д. парам контрастных (альтернативных) стабильных признаков;

2) ведется строгий количественный учет наследования признаков у гибридных особей;

3) проводится индивидуальная оценка потомства. полученного от каждого родителя в ряде поколений.

Для описания этапов проведения гибридологического метода используют специальные термины. Скрещивание, в ходе которого анализируется характер наследования одной пары альтернативных признаков, называется моногибридным, двух пар — дигибридным, а нескольких пар — полигибридным. Альтернативными признаками называют различные проявления какого-либо признака, например, признак —окраска горошин, альтернативные признаки — желтый или зеленый цвет горошин.

Сначала он скрестил растения с жёлтыми горошинами и растения с зелёными горошинами. Они были чистыми линиями, то есть гомозиготными по гену окраски семени. В результате он получил горох. У которого все семена были одинаково окрашены. В результате был сформулирован первый закон Менделя — закон единообразия потомков первого поколения (закон доминирования): при скрещивании чистых линий все гибриды первого поколения получают в фенотипе один признак (доминантный).

расщепления признаков: гибриды первого поколения при скрещивании расщепляются в определённом числовом соотношении: особи с доминантным проявлением признака составляют 3/4 часть от общего числа потомков, а с рецессивным проявлением признака – ¼.

Таким образом мы наблюдаем явление расщепления, при котором скрещивание гетерозиготных особей ведет к образованию потомства, из которого только часть несёт доминантный признак, а другие — рецессивный. При моногибридном скрещивании данное соотношение выглядит как: 1АА:2Аа:1аа, то есть 3:1 (при полном доминировании) или 1:2:1 (в случае неполного доминирования). При дигибридном скрещивании получаем соотношение 9:3:3:1

Для растений и животных характерно наличие половой дивергенции. Отсюда вытекает наследование, которое сцеплено с полом — тип наследования признаков, у которых гены расположены в половых хромосомах. В Х- и Y-хромосомах могут лежать гены, которые не отвечают за развитие непосредственно половых признаков.

При сочетании XY, которое наблюдается, в частности, у дрозофил [7], у большинства генов, находящихся в X-хромосоме, нет аллельной пары в Y-хромосоме. А у генов, располагающихся в Y-хромосоме, нет аллелей в X-хромосоме. Такие организмы получили название гемизиготных. В таком случае наблюдают проявление рецессивного гена, представленного в генотипе единственной копией. Именно с этим связано проявление болезни – гемофилии. X-хромосома может содержать ген, который вызывает проявление гемофилии - пониженную свёртываемость крови. Соответственно все мужские особи, которые получают эту хромосому, будут страдать данным заболеванием, так как Y-хромосома не несет в себе доминантный аллель.

Помимо прямого направления скрещивания существует реципрокное, которое содержит два эксперимента, при этом идет прямо противоположное сочетание пола и исследуемого признака. Например, в эксперименте самца, который имеет определенный доминантный признак, скрещивают с самкой, которая несет рецессивный признак. Затем, соответственно, проводят скрещивание самки с доминантным признаком и самца с рецессивным признаком [3].

Данный тип скрещивания используется для выявления роли пола в наследовании признака, а также дает возможность определить, от какого из родителей идет передача потомству цитоплазматических наследственных факторов. При проведении реципрокного скрещивания берутся чистые линии родительских форм. Сейчас, из-за развития молекулярной генетики, наблюдается снижение практического значения реципрокного скрещивания [1].

Для записи проводимых скрещиваний используется генетическая символика, которую предложил Г. Мендель, она имеет вид:

Р — родители (от лат. parental — родитель);
F — потомство (от лат. filial — потомство):

F₁ — гибриды первого поколения — прямые потомки родителей Р;

F₂ — гибриды второго поколения — потомки от скрещивания между собой гибридов F₁ и т. д.
♂ — мужская особь (щит и копьё — знак Марса);
♀ — женская особь (зеркало с ручкой — знак Венеры);
X — значок скрещивания;
: — расщепление гибридов, разделяет цифровые соотношения отличающихся (по фенотипу или генотипу) классов потомков.

Гены и ДНК

Генами называют строго определенные участки ДНК, которые состоят из определенного набора нуклеотидных оснований, комбинирующихся в определенном порядке.

ДНК представляет собой очень длинную молекула, структурными элементами которой являются нуклеотиды – производные гетероциклов пурина или пиримидина.

За расшифровку структуры ДНК (рис. 7) (в 1953 году) Джеймс Уотсон и Френсис Крик впоследствии получили нобелевскую премию.

Существуют различные мутантные линиидрозофил, которые ведутся в лабораториях (рис. 8) [2]:

сinnabar – cn – (вторая хромосома) - ярко красный цветглаз;

brown – bw – (вторая хромосома) – коричневый цветглаз;

vestigial – vg – (вторая хромосома) – редуцированныекрылья;

еbony – e – (третья хромосома) – чёрный цветтела;

curved – c – (третья хромосома) – искривлённыекрылья;

+ - (cn+, bw+, vg+ и т.д.) – линия «дикого типа».

Рис 8 мутантные формы дрозофил:

Слева: мутанты серии vestigial, vg.

Справа: мутанты дрозофилы серии cut, ct, отличающиеся по степени зазубренности крыльев.

Материалы и методы

Для эксперимента были использованы дрозофилы дикого типа (oregon) с красными глазами и линия 86Fb с белыми глазами из коллекции Института биологии развития им. Н.К.Кольцова РАН. Все культуры дрозофил велись при температуре 25°С, на стандартной манно-дрожевой кормовой среде, в пробирках диаметром 23 мм с объемом корма 5-7 мл. Для скрещивания целесообразно использовать виргинных (неоплодотворённых) самок, так как жизнеспособная сперма от предыдущей копуляции сохраняется в половых путях самки дрозофилы в течение нескольких суток.

Для статистической оценки отклонения применяли метод χ² (хи-квадрат) [6]. Расчеты с помощью этого метода производят следующим образом. Сначала составляют таблицу по классам расщепления на основании опытных числовых данных. Затем из суммы частот всех классов, составляющей объем выборки, вычисляются теоретически ожидаемые величины (q) для каждого класса соответственно предполагаемой формуле расщепления (1:1, 3:1, 9 : 3 : 3 : 1 и т. п.). Далее определяют отклонение (d) полученных данных от теоретически ожидаемых для каждого класса.

Каждое отклонение d возводят в квадрат, и квадрат отклонений (d²) делят на теоретически ожидаемое число (q) для данного класса:

d²/q

Все частные суммируют и получают величину χ2:

χ2 = Σ (d²/q)

По методу χ2 можно определить вероятность того, насколько данное отклонение является случайным или, наоборот, закономерным. Производится это с помощью специальной таблицы Фишера.

Чтобы определить вероятность соответствия опытных и теоретически ожидаемых данных (Р) по данной величине χ², необходимо сначала выяснить число степеней свободы. Отношения 1 : 1 и 3 : 1, т. е. в каждом по два класса, можно представить в виде суммы двух слагаемых, одно из которых устанавливается свободно, а второе — в зависимости от первого.

Метод χ² дает возможность сравнивать различные численные отклонения при разных объемах выборок в одном масштабе, что очень важно для оценки опытных данных.

Практическая часть

3.1. Проведение скрещиваний

Сначала мы поставили скрещивание самок дикого типа с белоглазыми самцами (white). В первом поколении получили 260 мух, из которых 133 самок и 127 самцов, т.е. примерно 1:1, все они были красноглазыми. Этот результат согласуется с 1м законом Менделя о единообразии потомков 1го поколения. При этом красная окраска глаз дикого типа доминирует над белой.

Во втором поколении получили 223 красноглазые самки, среди самцов было 57 красноглазых и 53 белоглазых. Получили расщепление 2:1:1, а если суммировать красноглазых самцов и самок, то 3:1, что также согласуется со 2м законом Менделя расщепления признаков. У нас тоже получилось, что ¼ потомков белоглазые, т.е. обладают рецессивным признаком.

F1 все красноглазые

F2 ¾ красноглазые, ¼ белоглазые

На основании этого результата мы составили предполагаемую схему скрещивания:

w⁺ – ген красной окраски глаз

w - ген белой окраски глаз

P ♀ w⁺w⁺ × ♂ww

красные глаза белые глаза

Gw⁺ w

F1 ♀w⁺w× ♂w⁺w

красноглазые

G w⁺ w w⁺ w

F2 w⁺w⁺w⁺w w w

¼ ½ ¼

красноглазые белоглазые

Однако белоглазыми были только самцы, значит данный признак может быть связан с полом. Для проверки этой гипотезы мы поставили обратное скрещивание, взяв белоглазых самок и красноглазых самцов. В первом поколении получено 158 мух. Все 75 самок были красноглазые, а 83 самца - белоглазые. Расщепление примерно 1:1, что не согласуется с 1м законом Менделя о единообразии потомков 1го поколения. Следовательно, идет «criss–cross» - наследование (крест-накрест) и оно связано с полом.

Во втором поколении получено 253 мухи, среди которых красноглазых 63 самки и 67 самцов, белоглазых 60 самок и 65 самцов. Расщепление примерно 1:1:1:1.

F1 ♀ красноглазые ♂ белоглазые

F2 ♀ 1/4 красноглазые, 1/4 белоглазые ♂ 1/4 красноглазые, 1/4 белоглазые

На основании полученных результатов мы составляем схему скрещивания

Следовательно, изменяем схему для 1го скрещивания, учитывая, что признак окраски глаз связан с полом.

Проведенные скрещивания являются реципрокными, в них идет прямо противоположное сочетание пола и признака, в данном случае – окраски глаз.

3.2 Проверка полученных данных

Для количественно проверки достоверности полученных результатов (подробные данные приведены в Приложении) мы использовали метод χ². Для этого мы выразили все данные в виде таблицы.

Схема количественного анализа наследования красной и белой окраски глаз в реципрокных скрещиваниях дрозофилы

В этой таблице вероятность p — это числовая мера возможности появления случайного события. Т.е. p=1 считается достоверным и единственно возможным, тогда как p=0 считается невозможным. Степень свободы γ равна 1 если все потомки были единообразны (все красноглазые) и равна 2, если были мухи с красными и белыми глазами.

Исходя из цифр, данных в таблице (р < 0.8), можно сделать вывод, что различия между сравниваемыми величинами нельзя считать случайными. Следовательно, подтверждаются законы наследования, показано, что признак окраски глаз сцеплен с полом.

3.3 Создание мультфильма

Для визуализации проделанного нами эксперимента, а также чтобы доступно представить информацию о генетике как науке и дрозофиле. Используемой нами в качестве модельного организма, мы создали мультфильм. Он рассчитан на учащихся старших классов, которые только начали изучать общую биологию. Ссылка на файл указана в Приложении.

Выводы

1. Мы изучили объект нашего исследования – плодовых мушек (дрозофил)

2. Белая окраска глаз является рецессивным признаком, а красная (дикий тип) – доминантная. При постановке реципрокных скрещиваний показано, что данный признак сцеплен с полом.

3. Методом χ² доказана достоверность полученных результатов.

4. Создали мультфильм, в котором рассказано о дрозофиле и законах наследственности, в частности, закономерностях наследования окраски глаз.

В дальнейшем мы планируем более подробно изучить структуру генов, отвечающих за окраску глаз.

Заключение

До проведения нашего исследования я считала, что генетика изучает исключительночеловека. Мне казалось странным, что дрозофилы (а для меня это были просто мушки) могут быть кому-либо интересны. На самом деле это самостоятельный раздел науки и именно на дрозофилах были переоткрыты законы генетики. Мне был интересен сам принцип проведения скрещивания, для которого нужен тщательный отбор, аккуратность выполнения. Дрозофилы - удивительные существа, и я с радостью продолжу узнавать про них все больше ибольше.

Список использованной литературы

Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика: в 3-х т. Т. 3. Пер. С англ. / м.: Мир, 1988. 336 с.

Барабанова Л.В. Практикум по генетическому анализу дрозофилы: учебно-методическое пособие. СПб.: «Эко-вектор», 2018., 65 с.

Жимулев И. Ф. Как гены контролируют развитие пола у дрозофилы // Соросовский образовательный журнал, 1997, № 12, с. 17-22.

Жимулев И. Ф. ,Коряков Д. Е., Хромосомы. Структура и функции / Под ред.д.б.н. Л. В. Высоцкой./ Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009. 258 с. ISBN 978-8-7692-1045-7. С. 51—60.

Козак М.Ф. Дрозофила - модельный объект генетики / Издательский дом «Астраханский университет», 2007

Мандель, Б. Р. Основы современной генетики: учебное пособие для учащихся высших учебных заведений / Б. Р. Мандель. М.; Директ-Медиа, 2016. 334 с.

Юрченко Н.Н., Иванников А.В., История открытий на дрозофиле - этапы развития генетики // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2015. №1. С. 39-49.

ПРИЛОЖЕНИЕ

1. Ссылка на мультфильм

https://yadi.sk/i/OtbiAPr7NmWOzA

2. Фото скрещиваний