Τα πειράματα του Mendel: Η μελέτη των φυτών μπιζέλι & κληρονομιάς

Περιεχόμενο

• Κατανόηση της κληρονομιάς στα μέσα του 1800
• Χαρακτηριστικά φυτών μπιζέλιτας
• Καταπολέμηση φυτικών μπιζελιών
• Mendels Πρώτο Πείραμα
• Mendels Γενική Αξιολόγηση: P, F1, F2
• Αποτελέσματα Mendels (Πρώτο Πείραμα)
• Mendels Θεωρία της Κληρονομικότητας
• Τα αποτελέσματα του Σταυρού Μονοϋβριδίου Επεξήχθησαν
• Mendels Δεύτερο Πείραμα
• Συνδεδεμένα γονίδια σε χρωμοσώματα
• Mendelian Κληρονομιά

Γκρέγκορ Μέντελ ήταν ένας πρωτοπόρος της γενετικής του 19ου αιώνα, ο οποίος σήμερα θυμάται σχεδόν εξ ολοκλήρου για δύο πράγματα: είναι μοναχός και μελετά αμείλικτα διαφορετικά χαρακτηριστικά των φυτών μπιζελιού. Γεννημένος το 1822 στην Αυστρία, ο Mendel μεγάλωσε σε αγρόκτημα και παρακολούθησε το Πανεπιστήμιο της Βιέννης στην πρωτεύουσα της Αυστρίας.

Εκεί σπούδασε επιστήμη και μαθηματικά, ένα ζευγάρι που θα αποδειχθεί ανεκτίμητο για τις μελλοντικές του προσπάθειες, τις οποίες διεξήγαγε για μια περίοδο οκτώ ετών αποκλειστικά στο μοναστήρι όπου ζούσε.

Εκτός από την επίσημη μελέτη των φυσικών επιστημών στο κολέγιο, ο Mendel εργάστηκε ως κηπουρός στη νεολαία του και δημοσίευσε ερευνητικά κείμενα σχετικά με το θέμα της ζημίας των φυτών από τα έντομα προτού αναλάβει το πλέον διάσημο έργο του Pisum sativum, το κοινό φυτό μπιζελιού. Διατήρησε τα θερμοκήπια της Μονής και γνώρισε τις τεχνικές τεχνητής γονιμοποίησης που απαιτούνται για τη δημιουργία απεριόριστων αριθμών υβριδικών απογόνων.

Μια ενδιαφέρουσα ιστορική υποσημείωση: Ενώ τα πειράματα του Mendels και εκείνα του οραματιστή βιολόγο Κάρολ Δαρβίνος και οι δύο αλληλοεπικαλύφθηκαν σε μεγάλο βαθμό, οι τελευταίοι δεν έμαθαν ποτέ τα πειράματα του Mendels.

Ο Ντάργουιν διατύπωσε τις ιδέες του σχετικά με την κληρονομικότητα χωρίς να γνωρίζει τις λεπτομερείς προτάσεις του Mendels σχετικά με τους εμπλεκόμενους μηχανισμούς. Αυτές οι προτάσεις συνεχίζουν να ενημερώνουν τον τομέα της βιολογικής κληρονομιάς στον 21ο αιώνα.

Κατανόηση της κληρονομιάς στα μέσα του 1800

Από τη σκοπιά των βασικών προσόντων, ο Μέντελ ήταν τέλεια τοποθετημένος για να κάνει μια σημαντική ανακάλυψη στον τότε γενικευμένο αλλά και ανύπαρκτο τομέα της γενετικής και ήταν ευλογημένος τόσο από το περιβάλλον όσο και από την υπομονή για να γίνει αυτό που έπρεπε να κάνει. Η Mendel θα καταλήξει να μεγαλώνει και να μελετάει περίπου 29.000 φυτά μπιζέλια μεταξύ 1856 και 1863.

Όταν η Mendel άρχισε για πρώτη φορά το έργο του με φυτά μπιζελιού, η επιστημονική έννοια της κληρονομικότητας είχε τις ρίζες της στην έννοια της μεικτής κληρονομιάς, η οποία έκρινε ότι τα γονικά χαρακτηριστικά γνωρίστηκαν με κάποιον τρόπο σε απόγονα με διαφορετικά χρωματιστά χρώματα, παράγοντας ένα αποτέλεσμα που δεν ήταν αρκετά η μητέρα και όχι ο πατέρας κάθε φορά, αλλά αυτό μοιάζει σαφώς και με τα δύο.

Ο Mendel γνώριζε διαισθητικά από την άτυπη παρατήρησή του ότι, εάν υπήρχε κάποια αξία για αυτή την ιδέα, σίγουρα δεν εφαρμόστηκε στον βοτανικό κόσμο.

Ο Mendel δεν ενδιαφέρθηκε για την εμφάνιση των φυτών μπιζελιού του καθεαυτού. Τους εξέτασε για να καταλάβει ποια χαρακτηριστικά θα μπορούσαν να μεταφερθούν στις μελλοντικές γενιές και πώς ακριβώς αυτό συνέβη σε λειτουργικό επίπεδο, ακόμα κι αν δεν είχε τα κυριολεκτικά εργαλεία για να δει τι συνέβαινε σε μοριακό επίπεδο.

Χαρακτηριστικά φυτών μπιζέλιτας

Ο Mendel επικεντρώθηκε στα διαφορετικά γνωρίσματα, ή χαρακτήρες, που παρατήρησε τα φυτά μπιζελιού που εμφανίζονται με δυαδικό τρόπο. Δηλαδή, ένα μεμονωμένο εργοστάσιο θα μπορούσε να δείξει είτε την έκδοση Α ενός δεδομένου χαρακτηριστικού είτε την έκδοση Β αυτού του χαρακτηριστικού, αλλά τίποτα στο μεταξύ. Για παράδειγμα, ορισμένα φυτά είχαν «φουσκωμένα» μπιζέλια, ενώ άλλοι φαινόταν «τσιμπημένα», χωρίς καμία ασάφεια ως προς την κατηγορία στην οποία ανήκαν τα συγκεκριμένα φυτά.

Τα επτά χαρακτηριστικά γνωρίσματα που ο Mendel χαρακτήρισε χρήσιμα για τους στόχους του και τις διαφορετικές τους εκδηλώσεις ήταν:

Καταπολέμηση φυτικών μπιζελιών

Τα μπιζέλια μπορούν να αυτο-γονιμοποιούν χωρίς τη βοήθεια ανθρώπων. Όσο χρήσιμος είναι και αυτό για τα φυτά, εισήγαγε μια επιπλοκή στη δουλειά του Mendels. Χρειάστηκε να αποφευχθεί αυτό και να επιτραπεί μόνο η σταυρο-επικονίαση (επικονίαση μεταξύ διαφορετικών φυτών), αφού η αυτο-επικονίαση σε ένα φυτό που δεν διαφέρει για ένα συγκεκριμένο γνώρισμα δεν παρέχει χρήσιμες πληροφορίες.

Με άλλα λόγια, έπρεπε να ελέγξει ποια χαρακτηριστικά θα μπορούσαν να εμφανιστούν στα φυτά που εκτρέφονταν, ακόμα κι αν δεν γνώριζε εκ των προτέρων επακριβώς ποιες από αυτές θα εκδηλώνονταν και σε ποιες αναλογίες.

Mendels Πρώτο Πείραμα

Όταν ο Mendel άρχισε να διατυπώνει συγκεκριμένες ιδέες για το τι ελπίζει να δοκιμάσει και να ταυτοποιήσει, έθεσε στον εαυτό του ορισμένα βασικά ερωτήματα. Για παράδειγμα, τι θα συμβεί όταν τα φυτά ήταν πραγματική αναπαραγωγή για διαφορετικές εκδοχές του ίδιου χαρακτηριστικού ήταν διασταυρωμένες με γονιμοποίηση;

"Αληθινή αναπαραγωγή" σημαίνει ικανή να παράγει ένα μόνο είδος απογόνου, όπως όταν όλα τα θυγατρικά φυτά είναι στρογγυλά ή με αξονική ανθοφορία. ΕΝΑ αληθινή γραμμή δεν παρουσιάζει καμία παραλλαγή για το συγκεκριμένο γνώρισμα καθ 'όλη τη διάρκεια ενός θεωρητικά άπειρου αριθμού γενεών, καθώς επίσης και όταν οποιαδήποτε δύο επιλεγμένα φυτά στο πρόγραμμα εκτρέφονται μεταξύ τους.

Αν η ιδέα της ανάμειξης κληρονομίας ήταν έγκυρη, η ανάμειξη μιας γραμμής, λόγου χάρη, των φυτών με ψηλά στελέχη με μια σειρά φυτών βραχείας βλάστησης θα έπρεπε να έχει ως αποτέλεσμα κάποια ψηλά φυτά, μερικά μικρά φυτά και φυτά κατά μήκος του φάσματος ύψους ενδιάμεσα, . Ωστόσο, ο Mendel έμαθε ότι αυτό δεν συνέβη καθόλου. Αυτό ήταν συγχέοντας και συναρπαστικό.

Mendels Γενική Αξιολόγηση: P, F1, F2

Μόλις η Mendel είχε δύο σειρές φυτών που διέφεραν μόνο με ένα μοναδικό χαρακτηριστικό, πραγματοποίησε μια πολυ γενετική αξιολόγηση σε μια προσπάθεια να προσπαθήσει να ακολουθήσει τη μετάδοση των χαρακτηριστικών μέσω πολλαπλών γενεών. Πρώτον, κάποια ορολογία:

Αυτό ονομάζεται a μονοϋβριδικό σταυρό: "μονο", διότι μόνο ένα χαρακτηριστικό ποικίλλει και "υβριδικό" επειδή οι απόγονοι παριστάνουν ένα μείγμα ή υβριδοποίηση φυτών, καθώς ένας γονέας έχει μία εκδοχή του χαρακτηριστικού ενώ ένα είχε την άλλη έκδοση.

Για το παρόν παράδειγμα, αυτό το χαρακτηριστικό θα είναι σχήμα σπόρου (στρογγυλά εναντίον τσαλακωμένων). Θα μπορούσαμε επίσης να χρησιμοποιήσουμε χρώμα λουλουδιών (λευκό εναντίον μοβ) ή χρώμα σπόρου (πράσινο ή κίτρινο).

Αποτελέσματα Mendels (Πρώτο Πείραμα)

Ο Mendel αξιολόγησε γενετικούς σταυρούς από τις τρεις γενιές για να αξιολογήσει το κληρονομικότητα των χαρακτηριστικών ανά γενεές. Όταν εξέτασε κάθε γενιά, ανακάλυψε ότι για τα επτά από τα χαρακτηριστικά του που επέλεξε, προέκυψε ένα προβλέψιμο μοτίβο.

Για παράδειγμα, όταν εκτρέφονταν φυτά σποράς με σπορά (Ρ1) με αληθινά εκτρεφόμενα φυτά (Ρ1) με πραγματικά τρυπημένα φυτά (Ρ2):

Αυτό οδήγησε στην έννοια του κυρίαρχο χαρακτηριστικά (εδώ, στρογγυλοί σπόροι) και υποχωρητικός χαρακτηριστικά (σε αυτή την περίπτωση, ρυτιδωμένους σπόρους).

Αυτό σήμαινε ότι τα φυτά φαινότυπο (αυτό που τα φυτά πραγματικά μοιάζουν) δεν ήταν μια αυστηρή αντανάκλαση του γονότυπου (οι πληροφορίες που κωδικοποιήθηκαν με κάποιο τρόπο στα φυτά και μεταβιβάστηκαν στις επόμενες γενιές).

Ο Mendel έδωσε έπειτα μερικές επίσημες ιδέες για να εξηγήσει αυτό το φαινόμενο, τόσο τον μηχανισμό της κληρονομικότητας όσο και τη μαθηματική αναλογία ενός κυρίαρχου χαρακτηριστικού σε ένα υπολειπόμενο χαρακτηριστικό σε οποιαδήποτε περίσταση είναι γνωστή η σύνθεση των ζευγαριών αλληλόμορφων.

Mendels Θεωρία της Κληρονομικότητας

Ο Mendel δημιούργησε μια θεωρία της κληρονομικότητας που αποτελείται από τέσσερις υποθέσεις:

Το τελευταίο από αυτά αντιπροσωπεύει το νόμου του διαχωρισμού, ορίζοντας ότι τα αλληλόμορφα για κάθε χαρακτηριστικό χωρίζονται τυχαία στους γαμέτες.

Σήμερα, οι επιστήμονες αναγνωρίζουν ότι τα φυτά Ρ που ο Mendel είχε «εκτρέψει αλήθεια» ήταν ομόζυγο για το χαρακτηριστικό που μελετούσε: Είχαν δύο αντίγραφα του ίδιου αλληλίου στο συγκεκριμένο γονίδιο.

Δεδομένου ότι ο γύρος κυριάρχησε σαφώς πάνω από τσαλακωμένο, αυτό μπορεί να αναπαρασταθεί από τα RR και rr, καθώς τα κεφαλαία γράμματα σημαίνουν κυριαρχία και τα πεζά γράμματα δείχνουν υπολειπόμενα χαρακτηριστικά. Όταν υπάρχουν και τα δύο αλληλόμορφα, το χαρακτηριστικό του κυρίαρχου αλληλόμορφου εκδηλώθηκε στον φαινότυπο του.

Τα αποτελέσματα του Σταυρού Μονοϋβριδίου Επεξήχθησαν

Βάσει των προαναφερθέντων, ένα φυτό με γονότυπο RR στο γονίδιο σχήματος σπόρου μπορεί να έχει μόνο στρογγυλά σπόρους και το ίδιο ισχύει και για τον γονότυπο Rr, καθώς το αλλήλιο "r" είναι καλυμμένο. Μόνο φυτά με γονότυπο rr μπορεί να έχουν τσαλακωμένους σπόρους.

Και οι τέσσερις δυνατοί συνδυασμοί γονότυπων (RR, rR, Rr και rr) δίνουν μια φαινοτυπική αναλογία 3: 1, με περίπου τρία φυτά με στρογγυλά σπόρους για κάθε ένα φυτό με ρυτιδωμένους σπόρους.

Επειδή όλα τα φυτά Ρ ήταν ομόζυγα, RR για τα φυτά στρογγυλών σπόρων και rr για τα φυτά τσαλακωμένου σπόρου, όλα τα φυτά Ρ1 θα μπορούσαν να έχουν μόνο τον γονότυπο Rr. Αυτό σήμαινε ότι ενώ όλοι τους είχαν στρογγυλά σπόρους, ήταν όλοι φορείς του υπολειπόμενου αλληλόμορφου, το οποίο θα μπορούσε να εμφανιστεί στις επόμενες γενιές χάρη στον νόμο του διαχωρισμού.

Αυτό ακριβώς συνέβη. Δεδομένου ότι τα φυτά F1 που είχαν όλα γονότυπο Rr, οι απόγονοι τους (τα φυτά F2) θα μπορούσαν να έχουν οποιονδήποτε από τους τέσσερις γονότυπους που αναφέρονται παραπάνω. Οι αναλογίες δεν ήταν ακριβώς 3: 1 λόγω της τυχαίας ζευγαρώματος των γαμετών στη γονιμοποίηση, αλλά όσο περισσότεροι απόγονοι παρήχθησαν, τόσο πιο πολύ η αναλογία ήταν ακριβώς 3: 1.

Mendels Δεύτερο Πείραμα

Στη συνέχεια δημιουργήθηκε ο Mendel διαφυλικοί σταυροί, όπου εξέτασε δύο χαρακτηριστικά ταυτόχρονα και όχι μόνο ένα. Οι γονείς εξακολουθούσαν να είναι αληθείς αναπαραγωγής και για τα δύο γνωρίσματα, για παράδειγμα, στρογγυλοί σπόροι με πράσινα λοβούς και ρυτιδωμένους σπόρους με κίτρινα λοβούς, με πράσινο κυρίαρχο πάνω από το κίτρινο. Οι αντίστοιχοι γονότυποι ήταν επομένως RRGG και rrgg.

Όπως και πριν, τα φυτά F1 όλα έμοιαζαν με τον γονέα και με τα δύο κυρίαρχα χαρακτηριστικά. Οι αναλογίες των τεσσάρων πιθανών φαινοτύπων στην γενιά F2 (στρογγυλό πράσινο, στρογγυλό κίτρινο, τσαλακωμένο πράσινο, τσαλακωμένο κίτρινο) αποδείχτηκαν 9: 3: 3: 1

Αυτό υπονόμευε την υποψία του Mendels ότι τα διαφορετικά γνωρίσματα κληρονομούνταν ανεξάρτητα το ένα από το άλλο, οδηγώντας τον νόμου ανεξάρτητου συνδυασμού. Αυτή η αρχή εξηγεί γιατί μπορεί να έχετε το ίδιο χρώμα ματιών με ένα από τα αδέλφια σας, αλλά διαφορετικό χρώμα μαλλιών. κάθε χαρακτηριστικό τροφοδοτείται στο σύστημα με τρόπο που είναι τυφλός σε όλους τους άλλους.

Συνδεδεμένα γονίδια σε χρωμοσώματα

Σήμερα, γνωρίζουμε ότι η πραγματική εικόνα είναι λίγο πιο περίπλοκη, επειδή στην πραγματικότητα, τα γονίδια που συμβαίνουν φυσικά κοντά μεταξύ τους σε χρωμοσώματα μπορούν να κληρονομηθούν μαζί χάρη στην ανταλλαγή χρωμοσωμάτων κατά τη διάρκεια του σχηματισμού γαμετών.

Στον πραγματικό κόσμο, αν κοιτάξατε σε περιορισμένες γεωγραφικές περιοχές των ΗΠΑ, θα περιμένατε να βρείτε περισσότερους οπαδούς της New York Yankees και Boston Red Sox σε πολύ κοντινή απόσταση από τους οπαδούς του Yankees-Los Angeles Dodgers ή τους οπαδούς του Red Sox-Dodgers στην ίδια επειδή η Βοστώνη και η Νέα Υόρκη βρίσκονται κοντά και τα δύο βρίσκονται κοντά σε 3.000 μίλια από το Λος Άντζελες.

Mendelian Κληρονομιά

Όπως συμβαίνει, όλα τα χαρακτηριστικά δεν υπακούουν σε αυτό το μοτίβο κληρονομικότητας. Αλλά εκείνοι που κάνουν καλούνται Mendelian χαρακτηριστικά. Επιστρέφοντας στον διαμυδικό σταυρό που αναφέρθηκε παραπάνω, υπάρχουν δεκαέξι πιθανά γονότυπα:

RRGG, RRgG, RRGg, RRgg, RrGG, RrgG, RrGg, Rrgg, rRGG, rRgG, rRGg, rRgg, rrGG, rrGg, rrgG, rrgg

Όταν επεξεργαστείτε τους φαινότυπους, βλέπετε ότι ο λόγος πιθανότητας

στρογγυλό πράσινο, στρογγυλό κίτρινο, ζαρωμένο πράσινο, ζαρωμένο κίτρινο

αποδεικνύεται ότι είναι 9: 3: 3: 1. Οι Mendels, οι οποίοι υπολόγιζαν τους διαφορετικούς τύπους φυτών του, αποκάλυψαν ότι οι λόγοι ήταν αρκετά κοντά σε αυτήν την πρόβλεψη για να συμπεράνει ότι οι υποθέσεις του ήταν σωστές.