Растения гороха были классическим модельным организмом в генетических исследованиях на протяжении более 150 лет. В 1866 году Грегор Мендель провел эксперименты по селекции растений гороха и установил основные принципы генетики. Работа Менделя показала, что признаки передаются из поколения в поколение в соответствии с определенными закономерностями, которые можно предсказать математически. Это легло в основу современной генетики.
Одним из ключевых выводов из экспериментов Менделя с растениями гороха было то, что физический облик организма, или фенотип, определяется генами, которые не всегда могут быть выражены или видны. Основная генетическая структура организма называется его генотипом. Фенотипы могут значительно различаться между особями одного и того же вида, в то время как их генотипы могут быть очень похожи. В этой статье мы рассмотрим, имеют ли растения гороха из одной популяции идентичные или разные фенотипы и генотипы.
В середине 1800-х годов Грегор Мендель вывел и изучил тысячи растений гороха с различными фенотипами на протяжении многих поколений. Вот некоторые из признаков, которые исследовал Мендель:
Мендель тщательно скрещивал растения гороха, которые сохраняли эти признаки, то есть растение с фиолетовыми цветками всегда давало потомство с фиолетовыми цветками. В ходе этих экспериментов по скрещиванию Мендель пришел к выводу, что признаки должны определяться дискретными факторами (теперь известными как гены), которые передаются из поколения в поколение по предсказуемым схемам.
Некоторые из основных выводов работы Менделя включают в себя:
На примере растений гороха Мендель показал, что эти генетические принципы привели к появлению последовательных математических соотношений при скрещивании различных сортов. Например, скрещивание чистопородного растения с желтыми семенами с чистопородным растением с зелеными семенами всегда давало потомство, которое было полностью желтосеменным, но несло скрытый зеленый аллель. Скрещивание этого потомства обратно с зеленым родителем выявило соотношение желтых и зеленых семян в потомстве 3:1.
Мендель пришел к выводу, что наследственные факторы, а не «смешивание», были ответственны за фенотипы, наблюдаемые у растений гороха. Это заложило основу генетики как новой области биологии.
Важно различать фенотип и генотип при изучении изменчивости:
Фенотип относится к наблюдаемым физическим характеристикам и признакам организма. Фенотип является результатом экспрессии основных генов, а также влияния окружающей среды.
Генотип описывает определенный набор генов, которые несет особь. Генотип определяет возможный диапазон фенотипов, которые могут быть получены в ходе развития и взаимодействия с окружающей средой.
Некоторые ключевые различия:
У растений гороха фенотип желтых и зеленых семян определяется различными аллелями, переносимыми в локусе генотипа зеленых/желтых семян. Но растения с доминирующим желтым аллелем (Y_) могут выглядеть идентично, несмотря на наличие разных рецессивных аллелей (_y против _y').
Растения гороха одного и того же сорта, выращенные вместе, будут иметь некоторые фенотипические различия из-за вариаций, вызванных окружающей средой. Ключевые факторы, вызывающие фенотипические вариации, включают:
Растения конкурируют за такие ресурсы, как вода, свет и минералы. Доступность этих ресурсов влияет на такие признаки, как высота, размер листьев, количество стручков и т. д. Даже небольшие изменения в количестве солнечного света или азота в почве могут изменить фенотипы.
Заражение патогенами может остановить рост и вызвать изменение цвета, поражения или галлы. Повреждение листьев, стеблей, корней или стручков вредителями также влияет на развитие растений. Степень заражения частично зависит от восприимчивости к окружающей среде.
Даже генетически идентичные растения гороха, выращенные в строго контролируемой однородной среде, будут демонстрировать некоторые вариации фенотипов, таких как высота растения, урожайность плодов и т. д. Эта остаточная вариация называется шумом развития и возникает из-за незначительных случайных колебаний в процессах развития.
Хотя фенотипы могут меняться из-за этих факторов окружающей среды, основные генотипы остаются неизменными. Изменчивость, вызванная условиями выращивания, патогенами или шумом развития, не наследуется.
Помимо изменчивости, вызванной окружающей средой, растения гороха одного и того же сорта также будут демонстрировать наследуемые фенотипические различия из-за генетической изменчивости в популяции. Некоторые источники генетической изменчивости включают:
Случайные мутации часто возникают в ДНК. Хотя большинство из них не оказывают никакого эффекта, некоторые могут изменять функцию гена и приводить к новым фенотипам. Например, мутация, вызывающая белые цветы, может произойти в генетической линии с фиолетовыми цветами.
Популяции содержат много аллелей для любого данного гена. Различные комбинации аллелей могут давать отличительные фенотипы. Даже если два растения имеют одинаковые аллели в одном локусе, изменчивость в других генах приведет к фенотипическому разнообразию.
При скрещивании половым путем размножающихся растений гороха их потомство будет расщеплять аллели и генерировать новые комбинации генотипа/фенотипа. Кажущиеся идентичными растения с пурпурными цветками могут давать различное потомство, если они отличаются своими скрытыми рецессивными аллелями.
Во время мейоза, когда образуются гаметы (яйцеклетки/сперма), кроссинговерные события между парами хромосом перетасовывают аллели в новые расположения. Эта рекомбинационная перетасовка генерирует генетическую и фенотипическую изменчивость в потомстве.
Исходя из вышеперечисленных источников генетической изменчивости, крайне маловероятно, что любые два отдельных растения гороха будут иметь полностью идентичные генотипы. Некоторые причины генотипического разнообразия:
Однако горох является самоопыляющимся, поэтому его генотипы остаются относительно однородными. А в определенных генетических локусах растения могут иметь идентичные аллели, происходящие от недавнего общего предка. Но в целом генотипирование выявило бы генетические различия между отдельными растениями гороха, даже теми, которые кажутся фенотипически схожими при совместном выращивании.
Теоретически возможно, но крайне маловероятно, что все растения гороха в популяции будут иметь абсолютно одинаковый генотип во всех локусах. Вот несколько причин, по которым идентичные генотипы маловероятны:
За исключением случаев чрезвычайного бутылочного горлышка популяции или селективного выметания, генетическая изменчивость будет сохраняться на протяжении поколений. А поскольку горох скрещивается через насекомых, аллели также перемещаются между популяциями.
Единственный сценарий, при котором генотип может закрепиться одинаково у всех особей, — это длительное самооплодотворение. Но периодические события скрещивания, которые часты в природе, прервут любую генотипическую фиксацию. В целом, шансы на отсутствие генетических различий между растениями гороха астрономические.
Чтобы окончательно определить, имеют ли растения гороха одинаковые фенотипы или генотипы, необходимо сравнение на молекулярном уровне:
В то время как наблюдение может показать фенотипическое сходство, ДНК-тесты обнаружат генетические различия между отдельными растениями гороха, даже между почти изогенными линиями. Это подчеркивает точность сравнений генотипа и фенотипа.
Подводя итог, можно сказать, что хотя растения гороха могут казаться фенотипически идентичными при выращивании в однородных условиях, на генетическом уровне они почти наверняка обладают различиями в аллелях, которые отличают их генотипы.
Новаторская работа Менделя с растениями гороха впервые продемонстрировала принцип основных наследственных факторов, контролирующих наблюдаемые признаки. В то время как фенотипы изменчивы и зависят от факторов окружающей среды, генотип организма остается фиксированным (исключая мутации). А присущая случайность аллельной сегрегации и рекомбинации во время полового размножения порождает генетическое разнообразие в популяциях гороха на протяжении поколений.
Таким образом, обнаружение двух отдельных растений гороха с действительно идентичными генотипами в каждом локусе было бы статистически невероятным без серьезного генетического бутылочного горлышка. Таким образом, хотя можно наблюдать схожие фенотипы, растения гороха почти всегда различаются генетически на молекулярном уровне. Тщательное генотипирование может окончательно решить этот вопрос и выявить лежащее в основе разнообразие.