§ 51. Современные достижения биотехнологии

Вопрос 1. Что такое биотехнология?

Биотехнология — это прикладная наука, которая разрабатывает и внедряет в производство промышленные методы с использованием живых организмов и биологических процессов.

Вопрос 2. Что такое мутации? Какие они бывают?

Мутации — внезапно возникающие естественные (спонтанные) или вызываемые искусственно (индуцированные) стойкие изменения наследственных структур живой материи, ответственных за хранение и передачу генетической информации.

По характеру изменения генетического аппарата М. делят на геномные, хромосомные и генные, или точковые.

Вопрос 3. Какие методы используют в селекции?

Подбор родительских пар, гибридизация: неродственная (аутбридинг), близкородственная (инбридинг), отбор массовый и индивидуальный, Метод испытания производителей по потомству (у животных), Экспериментальное получение полиплоидов (у растений), экспериментальный мутагенез, генетическая инженерия.

Вопрос 4. Какие проблемы решает генная инженерия?

Методы генной инженерии позволяют ввести в генотип одних организмов (например,бактерий) гены других организмов (например, человека). Генная инженерия позволила решить проблемы промышленного синтеза микроорганизмами различных человеческих гормонов, например инсулина и гормона роста. Путем создания генетически модифицированных растений она обеспечила появление сортов, устойчивых к холодам, заболеваниям и вредителям. И т.д.

Вопрос 5. Используя дополнительные источники информации, подготовьте презентацию о достижениях в области биотехнологии.

Биотехнология — это использование организмов, биологических систем или биологических процессов в промышленном производстве для решения технологических задач.

К отраслям биотехнологии относятся генная, хромосомная и клеточная инженерия, клонирование сельскохозяйственных растений и животных, использование микроорганизмов в хлебопечении, виноделии, производстве лекарств и др.

Использование бактерий для брожения, производство лекарств из растений, селекция и многое другое использовалось ещё в древности, даже без понимания сути самих процессов.

В данный момент с помощью биотехнологий мы получаем антибиотики (пенициллин, стрептомицин, эритромицин и др.), фермент амилазу, аминокислоты, молочную и лимонную кислоты, аспергилловую плесень, витамины группы В, синтезируются различные гормоны (гормон роста, инсулин) и т.д. Созданы бактерии, которые используют при очистке сточных вод, бактерии, которые разлагают нефть при нефтяных разливах и многие другие.

Биотехнологии позволят решать проблемы, которые стоят перед человеком 21 века. С помощью CRISPR/Cas9 мы, возможно, в будущем сможем лечить наследственные заболевания. Генно — инженерные организмы помогут решить проблемы нехватки пресной воды и всемирного голода.

Вопрос 6. Проанализируйте свой рацион питания на предмет наличия в нём трансгенных продуктов.

Сорта кукурузы, риса, картофеля, устойчивые к вредителям и не требующие использования пестицидов имеют трансген этой устойчивости (может мы именно такие продукты и едим). Лосось также трансгенный продукт (его ДНК дополнили геном, активирующим выработку гормона роста). Покупая продукты в магазине, мы не всегда можем знать, что морковь свежая может быть трансгенной. Из трансгенных продуктов или нет делают колбасу, печенье, рыбные палочки и многое другое, мы не знаем. Даже выращивая овощи, фрукты, животных в домашнем хозяйстве мы не знаем точно, какие они были изначально. Т. е. можно сказать, что большинство продуктов, которые мы едим, можно назвать трансгенными.

Вопрос 7. Почему методы клеточной и генной инженерии считаются перспективными в селекции и биотехнологии?

Использование данных методов позволяет получить необходимые результаты в более краткие сроки. Так на выведение нового сорта растений потребуется пару лет, а не десятилетий (при обычном массовом отборе и гибридизации).

В результате этих методов создаются культуры превосходящие родительские формы во многих отношениях (урожайность, размеры и т.д.).

Клеточная инженерия создает новые жизнеспособные клетки из клеток разных органов и тканей или клеток разных организмов, объединяя их с помощью специальных приемов, разработанных учеными.

Генная инженерия направлена на конструирование новых, не существующих в природе, сочетаний генов. Позволяет получить заданные качества генетически модифицированных организмов.

ЗАДАЧИ НА МОНОГИБРИДНОЕ СКРЕЩИВАНИЕ

Используя алгоритм решения, приведённый на с. 275, решите следующие генетические задачи.

1. В семье, где оба родителя являются брюнетами, родился ребёнок — блондин. Какой признак является доминантным? Каковы генотипы всех членов этой семьи?

Доминантным признаком является темная окраска волос. Если проявился рецессивный признак, значит, родители были его носителями, поэтому генотипы мамы и папы одинаковы — Аа, а у ребенка — аа.

2. Представителей одной из разновидностей бабочки бражника мёртвая голова (Acherontia atropos), чьи гусеницы имеют жёлтую окраску, скрестили с представителями разновидности, где гусеницы тёмно — серые. Гибридные гусеницы F1, оказались жёлтыми. В F2 получилось примерно 1200 жёлтых и 400 тёмно — серых личинок.

а) Сколько разных генотипов среди жёлтых гусениц F2?

Два разных генотипа — АА и Аа.

б) Сколько получилось в F2 гомозиготных гусениц?

1. 1200+400=1600 2. 1600/4=400 3. 400×2=800 (АА и аа гусениц).

в) Сколько разных фенотипов получится от скрещивания гибрида F1, с породой, имеющей тёмно — серых гусениц?

Получится два разных фенотипа: Аа — желтые гусеницы и аа — темно — серые.

г) Сколько разных фенотипов в F2?

Два. Жёлтые и тёмно — серые личинки.

д) Сколько разных генотипов в F2?

Три. АА, Аа и аа.

2. На звероферме получен приплод в 225 соболей. Из них 167 животных имеют чёрный мех и 58 — жёлтый. Определите генотипы исходных форм, если известно, что чёрный мех доминирует над жёлтым.

Генотипы исходных форм — ♀Аа и ♂Аа.

ЗАДАЧИ НА НЕПОЛНОЕ ДОМИНИРОВАНИЕ И КОДОМИНИРОВАНИЕ

Используя алгоритм решения, приведённый на с. 281, решите следующие генетические задачи.

1. У собак чёрный цвет шерсти доминирует над коричневым. Чёрная самка скрещивалась с коричневым самцом. Получено 3 чёрных и 3 коричневых щенка. Определите генотипы родителей и потомства.

Генотипы родителей — ♀ Аа и ♂аа.

Генотипы потомства — Аа (черн.) и аа (коричн.).

2. Ген курчавых волос доминирует над геном прямых волос. Гетерозиготы имеют волнистые волосы. Определите вероятность рождения курчавого ребёнка, если оба родителя имеют волнистые волосы.

Вероятность рождения курчавого ребёнка — 25% или ¼.

3. В родильном доме перепутали двух девочек. Родители одной из них имеют II и I группы крови, а родители другой — II и IV группы крови. Исследование показало, что оба ребёнка имеют II группу крови, однако одна при этом гомозиготна, а другая — гетерозиготна по данному признаку. Определите, кто из них чья дочь, а также возможные генотипы детей и родителей.

Ответ: у первых родителей (II (IАIА или IАI0) и I (I0I0) группы крови) может быть только ребенок гетерозиготный (IАI0). Значит гомозиготная девочка (IАIА) будет у родителей со II (IАIА) и IV (IАIВ) группами крови.

4. При каком генотипе родителей дети не могут унаследовать группу крови ни от отца, ни от матери?

Если у родителей гомозиготны II (IАIА) и III (IВIВ) группы крови, у ребенка будет IV группа крови (IАIВ).

ЗАДАЧИ НА ДИГИБРИДНОЕ СКРЕЩИВАНИЕ

Используя алгоритм решения, приведённый на с. 275, решите следующие генетические задачи.

1. Врождённая близорукость наследуется как доминантный признак, отсутствие веснушек — как рецессивный признак. У отца наблюдается врождённая близорукость и отсутствие веснушек, а у матери — нормальное зрение и веснушки. В семье трое детей, двое близорукие без веснушек, один с нормальным зрением и с веснушками. Составьте схему решения задачи. Определите генотипы родителей и родившихся детей. Рассчитайте вероятность рождения детей близоруких и с веснушками. Объясните, какой закон имеет место в данном случае.

Отец A_bb,

Мать aaB_.

Дети A_bb, aaB_.

Если отец bb, то все его дети имеют b, значит второй ребенок aaBb.

Если мать aa, то все её дети имеют a, значит первый ребенок Aabb.

Если первый ребенок имеет bb, то он взял одну b от матери и одну от отца, значит мать aaBb.

Если второй ребенок имеет аа, то он взял одну а от матери и одну от отца, значит отец Aabb.

Ответ: вероятность рождения близоруких детей с веснушками 25%, работает закон независимого наследования.

2. Скрестили два сорта флоксов: один имеет красные блюдцевидные цветки, другой — красные воронковидные цветки. В потомстве было получено 3/8 красных блюдцевидных, 3/8 красных воронковидных, 1/8 белых блюдцевидных и 1/8 белых воронковидных. Определите доминантные гены и генотипы родительских форм, а также их потомков.

3. У морских свинок чёрная шерсть доминирует над белой, а курчавая — над гладкой. Скрестили белую гладкую свинку с гетерозиготным чёрным курчавым самцом. Какая часть потомков будет иметь белую гладкую шерсть?

ЗАДАЧИ НА СЦЕПЛЕННОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ И КРОССИНГОВЕР

Используя алгоритм решения, приведённый на с. 296, решите следующие генетические задачи.

1. У домашних кошек ген, вызывающий отсутствие окраски в доминантном проявлении (W), находится в одной хромосоме с геном, вызывающим полоски на шерсти (тоже в доминантном проявлении, Т). Окрашенную кошку без полосок скрестили с белым котом, имеющим серебристые полоски (окрас «шиншилла»). При скрещивании родившихся котят между собой в потомстве оказалось 75% «шиншилл», а 25 % котят были окрашены и не имели полосок. Определите генотипы родителей и потомства в двух скрещиваниях. Составьте схему решения задачи. Объясните полученные результаты. Какой закон наследственности проявляется во втором случае?

2.

Ответ: во втором случае проявляется закон сцепленного наследования, открытый Морганом: гены, расположенные в одной хромосоме, образуют группу сцепления и наследуются вместе.

3. Расстояние между генами А и В (а также а и b в гомологичной хромосоме) составляет 8 морганид. Определите процент гамет каждого типа, продуцируемых дигетерозиготным организмом.

Определяем типы гамет. У организма с данным генотипом наблюдается неполное сцепление генов. Значит, он будет давать четыре типа гамет. Некроссоверные — АВ и аb и кроссоверные — Аb и аВ.

Определим процентное соотношение гамет. Расстояние между генами в 8 морганид говорит нам, что вероятность кроссинговера составляет 8 %. Таким образом, общее количество кроссоверных гамет составит те же 8 %. Поскольку таких гамет у нас два типа, рассчитываем количество каждого из них. Получаем по 4 % Аb и аВ.

Итак, всего гамет — 100%. Находим общее количество некроссоверных гамет — 92%. Делим на два и получаем количество каждого типа некроссоверных гамет АВ и аb — по 46%.

Ответ: данный организм будет давать четыре типа гамет. По 46% некроссоверных АВ и аb и по 4% кроссоверных Аb и аВ.

4. Гены, влияющие на наличие резус — фактора и форму эритроцитов, находятся в одной хромосоме на расстоянии 3 — х морганид. Женщина получила от отца доминантный ген Rh, обусловливающий резус — положительность, и доминантный ген Е, обусловливающий эллиптическую форму эритроцитов, а от матери — рецессивные гены резус — отрицательности rh и нормальной формы эритроцитов (е). Её супруг резус — отрицателен и имеет нормальную форму эритроцитов. Определите вероятность рождения ребёнка, фенотипически сходного по этим признакам: а) с матерью; б) с отцом.

Всего гамет — 100%. 100 — 3=97% некроссоверных гамет. Делим на два и получаем количество каждого типа некроссоверных гамет Rh E и rh e — по 48,5%.

НАСЛЕДОВАНИЕ, СЦЕПЛЕННОЕ С ПОЛОМ

Используя алгоритм решения, приведённый на с. 303, решите следующие генетические задачи.

1. Женщина — правша с карими глазами и нормальным зрением выходит замуж за мужчину — правшу, голубоглазого и дальтоника. У них родилась голубоглазая дочь — левша и дальтоник. Какова вероятность того, что следующий ребёнок в этой семье будет левшой и страдать дальтонизмом, если известно, что карий цвет глаз и умение владеть преимущественно правой рукой — доминантные аутосомные не сцепленные между собой признаки, а дальтонизм — рецессивный сцепленный с Х — хромосомой признак? Определите, какой цвет глаз возможен у больных детей.

Ответ: у больных детей может быть карий и голубой цвет глаз. А вероятность того, что следующий ребёнок в этой семье будет левшой и страдать дальтонизмом — 12,5%.

2. Алкогольная зависимость определяется доминантным аутосомным геном (А), а потребность в курении табака — сцепленным с полом рецессивным геном (b). Курящий и пьющий мужчина женится на женщине, которая не курит и не пьёт. Мужчина гетерозиготен по гену алкоголизма, а женщина гетерозиготна по гену табакокурения. Определите:

1) С какой вероятностью в этой семье могут родиться дети со склонностью к алкоголизму?

Ответ: 50%

2) С какой вероятностью могут родиться дети со склонностью к курению?

Ответ: 50%

3) С какой вероятностью могут родиться дети со склонностью к курению и алкоголизму одновременно?

Ответ: 25%

4) С какой вероятностью эти дети будут мальчиками?

Ответ: мальчики со склонностью к курению и алкоголизму одновременно в этой семье не родяться.

3. У нормальной по зрению и свёртываемости крови женщины родилось 8 сыновей: четыре дальтоника, два гемофилика, один нормальный по обоим признакам и один дальтоник, страдающий гемофилией. Как это можно объяснить? Определите предполагаемые генотипы женщины и всех её сыновей, а также расстояние между генами дальтонизма и гемофилии.

D — норм. зрение

d — дальтонизм

H — норм. свертываемость

h — гемофилия

Информация о заболеваниях находится в Х хромосоме, в профазе мейоза происходит конъюгация и кроссинговер (сближение и обмен участками хромосом) — в результате такое многообразие генотипов сыновей.

Предполагаемый генотип женщины ХDhХdH.

Генотипы детей:

ХdHY — 4 дальтоника;

ХDhY — 2 гемофилика;

ХDHY — 1 нормальный по обоим признакам;

ХdhY — 1 дальтоник, страдающий гемофилией.

Процент кроссинговера можно найти по формуле х = ((а+b)×100 %)/n,

где х— расстояние между генами; а, b — число кроссоверных особей каждой кроссоверной группы; n — общее число потомков в опыте.

Найдем расстояние между генами в нашей задаче:

х = ((4+2)×100 %)/8 = 600/8=75% или 75 морганид.

Ответ: расстояние между генами дальтонизма и гемофилии равно 75 морганид.

4. У сероглазых родителей сын с голубыми глазами. Голубые глаза были также у деда мальчика со стороны матери и у брата его отца. Составьте родословную этой семьи и на основе этой родословной попробуйте определить, как наследуется серый и голубой цвет глаз, если признак контролируется одним геном, и каковы наиболее вероятные генотипы членов этой семьи. 

Серый и голубой цвет глаз наследуется независимо и не сцеплен с полом. Генотипы членов этой семьи представлены на схеме (у бабушки мальчика по материнской линии вместо прочерка может быть как А, так и а; у дедушки мальчика по отцовской линии вместо прочерка также может быть или А или а).