Мутации и их причины. Закон гомологических рядов наследственной изменчивости Н. И. Вавилова. Экспериментальное получение мутаций - Генетика - ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ - ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЕГЭ

К наследственной изменчивости относят такие изменения признаков живых существ, которые связаны с изменениями в генотипе (то есть мутациями) и передаются из поколения в поколение. Иногда эти изменения хорошо заметны фенотипически, например, отсутствие пигментов в коже и волосах — альбинизм. Но чаще мутации бывают рецессивными и в фенотипе проявляются только в том случае, когда они присутствуют в гомозиготном состоянии.

Передача генетического материала от родителей потомству должна происходить очень точно, иначе виды сохраниться не могут. Однако иногда происходят количественные или качественные изменения в ДНК, и дочерние клетки получают искаженный по сравнению с родительскими набор генов. Такие ошибки в наследственном материале передаются следующему поколению и называются мутациями (лат. mutatio — перемена). Организм, получивший в результате мутации новые свойства, называют мутантом. Мутационная теория была разработана в начале XX века голландским ботаником Гуго де Фризом.

Мутации имеют ряд свойств:

1. Мутации возникают внезапно, и мутировать может любая часть генотипа.

2. Мутации чаще бывают рецессивными и реже — доминантными.

3. Мутации могут быть вредными (большинство мутаций), нейтральными и полезными (очень редко) для организма.

4. Мутации передаются из поколения в поколение.

5. Мутации представляют собой стойкие изменения наследственного материала.

6. Мутации — это качественные изменения, которые, как правило, не образуют непрерывного ряда вокруг средней величины признака.

7. Мутации могут повторяться.

Мутации могут происходить под влиянием как внешних, так и внутренних воздействий. Различают мутации генеративные (они возникают в гаметах) и соматические (они возникают в соматических клетках и затрагивают лишь часть тела); такие мутации будут передаваться следующим поколениям только при вегетативном размножении.

По характеру изменений в генотипе мутации подразделяются на несколько видов. Точечные, или генные, мутации представляют собой изменения в отдельных генах. Это может произойти при замене, выпадении или вставке одного или нескольких нуклеотидов в молекуле ДНК.

Хромосомные мутации представляют собой изменения частей хромосом или целых хромосом. Такие мутации могут происходить в результате делеции — утраты части хромосомы, дупликации — удвоения какого-либо участка хромосомы, инверсии — поворота участка хромосомы на 180°, транслокации — отрыва части хромосомы и перемещения ее в новое положение, например, присоединения к другой, негомологичной, хромосоме. Структурные хромосомные мутации, как правило, вредны для организма.

Геномные мутации заключаются в изменении числа хромосом в гаплоидном наборе. Это может происходить за счет уменьшения или увеличения числа хромосом в гаплоидном наборе. Частный случай геномных мутаций — полиплоидия — увеличение числа хромосом в генотипе, кратное п. Это явление возникает при нарушении веретена деления в мейозе или митозе. Полиплоиды отличаются мощным ростом, большими размерами. Большинство культурных растений полиплоиды. Гетероплоидия связана с недостатком или избытком хромосом в одной гомологичной паре. Эти мутации вредны для организма; примером может служить болезнь Дауна, при которой в 21-й паре появляется лишняя хромосома.

Большинство мутантов имеет сниженную жизнеспособность и отсеивается в процессе естественного отбора. Для эволюции или селекции новых пород и сортов необходимы те редкие особи, которые имеют благоприятные или нейтральные мутации. Эволюционное значение мутаций состоит в том, что именно они создают наследственные изменения, являющиеся материалом для естественного отбора в природе.

Мутации необходимы также для искусственного отбора особей с новыми, ценными для человека свойствами, Для получения новых пород животных, сортов растений и штаммов микроорганизмов широко используются искусственные мутагенные факторы.

Комбинативная изменчивость также относится к наследственным формам изменчивости. Она обусловлена перегруппировкой генов в процессе слияния гамет и образования зиготы, то есть при половом процессе. Сходство между комбинативной и мутационной изменчивостью заключается в том, что в обоих случаях потомство получает набор генов каждого из родителей. Однако между этими видами изменчивости есть принципиальные отличия.

При комбинативной изменчивости в результате слияния родительских гамет возникают новые комбинации генов, однако сами гены и хромосомы остаются неизменными.

При мутационной изменчивости обязательно происходят изменения в самом генотипе: меняются отдельные гены, изменяется строение хромосом и их число.

Причины мутаций в природе до конца неясны. Доказано, что мутации можно вызвать путем применения ряда химических агентов (например, иприта, колхицина), под влиянием радиоактивных изотопов, при действии ионизирующего излучения, ультрафиолетом, рентгеновскими лучами.

Способность к мутированию — одно из основных свойств гена. Каждый отдельный ген обладает устойчивостью к действию мутагенных факторов; это явление известно как «стойкость» гена. Однако вследствие того, что генов в организме тысячи, общее число мутаций значительно. Известно, что у дрозофилы 5% гамет несут мутации. Говорят, что популяции «насыщены» мутациями.

Мутационная изменчивость является одним из главных факторов эволюционного процесса. В результате мутаций могут возникать полезные признаки, которые под действием естественного отбора дадут начало новым подвидам и видам.

Академик Н.И. Вавилов в течение многих лет исследовал закономерности наследственной изменчивости у дикорастущих и культурных растений различных систематических групп. Эти исследования позволили сформулировать закон гомологических рядов в наследственной изменчивости, или закон Вавилова. Формулировка этого закона следующая: генетически близкие роды и виды характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости. Таким образом, зная, какие мутационные изменения возникают у особей какого-либо вида, можно предвидеть, что такие же мутации в сходных условиях будут возникать у родственных видов и родов.

Н. И. Вавилов проследил изменчивость множества признаков у злаков. Из 38 различных признаков, характерных для всех растений этого семейства, у ржи было обнаружено 37 признаков, у пшеницы — 37, у овса и ячменя — по 35, у кукурузы — 32. Знание этого закона позволяет селекционерам заранее предвидеть, какие признаки изменятся у того или иного вида в результате воздействия на него мутагенных факторов.

К настоящему времени закон гомологических рядов подтвержден также на примере грибов, микроорганизмов и животных. Причины сходных мутаций у близкородственных видов заключаются в том, что у них одинаковое или очень близкое число хромосом и одинаковое расположение аллельных генов в хромосомах.

Путем искусственного мутагенеза и последующего отбора мутантов были получены новые высокоурожайные сорта ячменя и пшеницы. Этими же методами удалось получить новые штаммы грибов, выделяющие в 20 раз больше антибиотиков, чем исходные формы. Сейчас в мире культивируют более 250 сортов сельскохозяйственных растений, созданных при помощи физического и химического мутагенеза. Это сорта кукурузы, ячменя, сои, риса, томатов, подсолнечника, хлопчатника, декоративных растений.

Один из частных случаев искусственного мутагенеза — использование колхицина для получения полиплоидных растений. Колхицин разрушает веретено деления, в результате чего образуются клетки, набор хромосом которых увеличен кратно гаплоидному набору — до 4n, 6n и т. п. Такие гибриды отличаются высокой урожайностью. Широко используются полиплоиды сахарной свеклы, гречихи, ржи, клевера, арбуза и т. д.