Особенности развития популяционной генетики животных

Курсовая работа

ГЕНЕТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА КОШЕК В НЕКОТОРЫХ БЕЛОРУССКИХ ПОПУЛЯЦИЯХ ПО ГЕНАМ, КОНТРОЛИРУЮЩИМ ОКРАСКУ МЕХА

Введение

Генетика является главной биологической наукой потому, что ее законы справедливы для всех живых существ. У всех одинаково устроен наследственный аппарат. Все живое развивается на основе взаимодействия генов и эволюционирует, благодаря мутациям, их комбинированию и отбору полезных мутаций или их комбинаций. Те или иные комбинации генов и их концентрации в каждой конкретной популяции составляют ее генетическую структуру. Т. к. генетическая структура популяции является результатом протекавших и протекающих внутри ее микроэволюционных процессов то изучение частот генов и генотипов является первостепенной задачей популяционной генетики. Одной из интереснейших моделей для изучения микроэволюционных процессов являются домашние кошки. Поскольку у них имеется ряд генов, ответственных за окраску меха, и эти мутантные гены достаточно просто анализировать визуально.

Изучение генетики домашних кошек началось в послевоенное время. Начиная с 1978 года проводятся исследования частот мутантных генов окраски в популяциях домашних кошек на территории СНГ. На территории Беларуси такие исследования практически не проводились. В то же время Беларусь за свою историю испытавшая влияние разных культурных этносов представляет существенный интерес для подобных исследований.

Таким образом целью моей работы является изучение наследования генов, ответственных за окраску и длину меха у кошек.

Для достижения данной цели первостепенным является решение следующих задач:

. Рассмотреть наследование сцепленных с полом генов окраски шерстного покрова домашних кошек.

. Изучить механизмы наследования аутосомных генов влияющих на длину и цветовую вариацию меха у кошек.

3. Исследовать визуальным типированием характер и окраску шерстного покрова домашних кошек.

. Описать частоты мутантных аллелей, влияющих на окраску меха у животных.

 

Особенности развития популяционной генетики животных

кошка генетика окраска мех

В любой области биологического исследования приходится в конце концов расчленять подлежащий изучению материал на какие-то единицы. В генетике такой единицей оказывается ген, в систематике - вид, при изучении экосистем - биогеоценоз и т.д. Несомненно, такое подразделение отражает дискретную природу жизни [1]. В эволюционном исследовании такой единицей является популяция. Наблюдения в природе показывают, что особи любого вида животных, растений или микроорганизмов распределены в пределах видового ареала неравномерно и плотность видового населения всегда варьирует. Эта неравномерность может быть выражена в двух формах: в форме «острого» распределения групп особей или в форме «сгущений». Участки с относительно высокой встречаемостью особей данного вида чередуются с участками низкой плотности. Такие «центры плотности» населения каждого вида и называют, как правило, популяциями [2].

П о п у л я ц и я - это совокупность свободноскрещивающихся организмов одного вида, характеризующихся общностью местообитания и приспособления к данным условиям существования. Популяция складывается под влиянием условий существования на основе взаимодействия факторов наследственности, изменчивости и отбора. Образование популяции является своеобразным способом «пригонки» вида к конкретным условиям его существования. Породы животных, создаваемые искусственным отбором, также представлены отдельными популяциями.

Процессы формирования популяций и их динамики составляют микроэволюцию. Возникновение новых видов начинается с дивергенции - расчленения вида на отдельные, нескрещивающие или изолированные группы организмов. Популяция является своего рода «кузницей», в которой естественный отбор творит новые формы [3].

В природе популяции каждого вида характеризуются генетическим разнообразием. Особи популяции и вида внешне кажутся относительно однообразными. Это относительное однообразие животных, позволяющее систематикам относить их к определенным видам, подвидам, создается естественным отбором. Отбор обеспечивает не только разнообразие, но и однообразие внутри вида [4].

Однако, указанное однообразие относится лишь к основным типичным чертам, признакам и свойствам организмов данной популяции. Как только мы начнем детально генетически анализировать состав популяции, разлагая ее на отдельные линии, так сейчас же обнаружим огромную генотипическую изменчивость. При этом оказывается, что каждой популяции, в пределах которой особи длительное время скрещивались друг с другом, на ограниченной территории при данных климатических условиях, присущ свой характер изменчивости [5].

В природе не существует двух организмов, абсолютно сходных между собой по генотипу.

Изучение популяции можно вести чисто описательным методом. В этом случае определяют фенотипическую характеристику форм популяции, ее биологические особенности, выясняют условия существования и взаимоотношение организмов, цепи питания, конкуренцию, динамику численности по годам и зависимость ее от разных факторов [6]. Популяции складываются в результате действия многих факторов: способы размножения, характера изменчивости, изменение численности особей, темпа и направления отбора, климатической и физиологической изоляции. Основным из них является отбор признаков, обеспечивающих процесс воспроизведения поколений, то есть размножение. Очевидно, что при разных способах размножения возникновение и поддержание популяции осуществляется разными путями, в чем можно убедится, сравнивая популяции перекрестноопыляющихся и самоопыляющихся растительных организмов [7].

Зачинателями изучения генетической структуры популяций надо признать селекционеров, ибо для того, чтобы выявить разнообразие генотипов в популяциях, необходимо было, подобрать для скрещивания отдельные пары родителей и затем исследовать их потомство в ряду поколений. Именно так поступали селекционеры, создавшие различные сорта и породы. Однако научные основы генетического изучения популяции могли быть заложены только после открытия Г. Менделя, установившего количественные закономерности наследования.

Первое научное изучение популяции, совместившее в себе генетические и статистические методы, было предпринято датским физиологом растений и генетиком В. Иоганнсеном. Его классическая работа «О наследовании в популяциях и чистых линиях», опубликованная в 1903 году, положила начало генетическому изучению популяций [8].

Иоганнсен избрал обьектом исследования популяции не перекрестноопыляющиеся, а сомоопыляющиеся растения - ячмень, фасоль, горох. Методически это упрощало работу, поскольку каждую такую популяцию можно было легко разложить на группы потомков отдельных особей, то есть произвести выделение отдельных, «чистых», линий. «Чистой линией, - писал он, - я называю индивиды, которые происходят от одного самоопыляющегося индивида».

В результате своих исследований Иоганнсен пришел к следующим выводам: 1. «Отбор в популяции вызывает… больший или меньший сдвиг - в направлении отбора - того среднего признака, вокруг которого, флуктуируя варьируют соответствующие индивиды «и 2. «Внутри чистых линий регрессия (степень сходства признака потомства с материнским. - М.Л.) была… полной; отбор внутри чистых линий не вызывал никакого смещения типа» [9].При вегетативном размножении агамных организмов, не имеющих полового процесса или вторичного его утративших, объектом отбора популяции являются отдельные клоны. Генетическая дифференцированность таких клонов в популяции является очень низкой в силу невозможности осуществления скрещиваний между особями разных клонов, но такие популяции, все же существуют в природе и поддерживаются отбором на основе биотических отношений разных генотипов.

У перекрестнооплодотворяющихся организмов в природе популяция формируется на основе свободного скрещивания разнополых особей с разными генотипами, т.е. на основе панмиксии. При этом наследственная структура следующего поколения воспроизводится на основе разнообразных сочетаний различных гамет при оплодотворении. Отсюда вытекает, что численность особей с тем или иным генотипом в каждом поколении будет определяться частотой встречаемости разных гамет, произведенных генотипически различными родительскими организмами. Это значит, что признаки и свойства особей популяции находятся в динамическом количественном соотношении, существующем благодаря изменению генных частот, а также распределяются и реализуются на основании законов открытых Г. Менделем и Т. Морганом. Знания этого позволило вывести правила распространения генов в панмиктической популяции.

Сообщество свободноскрещивающихся генотипически разных организмов внутри вида называют панмиктической популяцией. Разнообразие генотипов панмиктической популяции - это результат мутационной и комбинативной изменчивости. Вновь возникшая мутация, чтобы стать достоянием популяции должна сохраниться и размножиться, то есть оказаться в составе генотипов целого ряда организмов. Любая мутация в популяции имеет свою судьбу.

Вследствие распространения большого количества разнообразных мутаций в популяции генотипы организмов оказываются насыщенными различными мутациями, которые чаще всего находятся в гетерозиготном состоянии.

Огромную насыщенность мутантными генами природных популяций и популяций культурных растений и домашних животных впервые показал С.С. Четвериков. При этом, отмечал он, в популяции встречаются мутации, различающиеся как по своей генетической природе, так и по своему фенотипическому проявлению [10].

Изучение генетики популяций ведется разными методами, основными из которых являются: метод генетического анализа, цитогенетический, эколого-физиологический и математический.

Первые два метода применяются при анализе наследования в популяции - для оценки концентрации мутации и частот мутирования. Эколого-физиологический метод оказывается необходимым для оценки действия абиотических и биотических факторов при определении приспособительной ценности фенотипов, относящихся генетически различным классам особей. Математический метод позволяет давать строгое количественное описание биологических процессов.

Одним из путей изучения генетики популяций является исследование характера и частоты распространения в ней особей, гомозиготных и гетерозиготных по отдельным генам.

В 1908 году двумя авторами, математиком Харди в Англии и врачом Вайнбергом в Германии, независимо друг от друга была предложена формула, отражающая распределение генотипов и фенотипов в популяции, получившая название формулы Харди - Вайнберга. Харди и Вайнберг исходили из того, что при определенных условиях популяции имеют определенное соотношение особей с доминантными и рецессивными признаками, а относительные частоты каждого аллеля имеют тенденцию оставаться постоянными в ряду поколений [11].

Условия при которых формула может отражать реальные процессы в популяции следующие:

. Спаривание особей и сочетание гамет в популяции совершаются случайно, то есть при отсутствии какой бы то ни было избирательности;

. Мутации от доминантной аллели к рецессивной и обратно происходят настолько редко, что их частотой можно пренебречь;

. Обследуемая популяция многочисленна, так что случайность выборки не имеет существенного значения;

. Особи, гомозиготные и гетерозиготные по паре аллелей данного гена, имееют одинаковую жизнеспособность, плодовитость и не подвергаются отбору.

Очевидно, что эти условия далеко не всегда осуществляются в природных популяциях, ограничивая тем самым приложение формулы Харди - Вайнберга. Несмотря на это, данное в формуле выражение генетических отношений способствует пониманию отдельных генетических явлений, имеющих место популяции в свободно скрещивающихся организмов.

Изучение распространения генов в популяции позволяет следить за накоплением в ней вредных (летальных) мутаций, что особенно важно при повышении фона радиации, а так же при применении различных препаратов в корме для животных и различных удобрений для растений.

Мутации составляют первичный источник наследственной изменчивости в эволюции; и хотя каждый ген спонтанно мутирует довольно редко, общее количество различных мутаций может быть достаточно большим, поскольку число генов бесконечно велико. Это приведет к нарушению равновесия в популяции, к изменению ее генетического состава. В каждом поколении генофонд может пополняться значительным числом мутаций как одного определенного локуса, так и разных. Этот процесс называют мутационным давлением. Мутационное давление играет важную роль в генетической динамике популяции [12].

Однако распространение новой мутации в генофонде популяции зависит еще и от того, в какой мере она влияет на жизнеспособность и плодовитость особи.

Всякая вновь возникшая мутация вызывает изменение целостной генетической системы, стабилизировавшейся в процессе исторического развития. Поэтому мутация, не прошедшая отбора в системе генотипа, нарушает исторически сложившиеся корреляции функций организма в индивидуальном развитии. В этом смысле каждая отдельная новая мутация в подавляющем большинстве случаев в начале оказывается вредной и лишь очень редко сразу может оказаться полезной для вида, имея некоторое положительное селективное значение [13].

Доминантная мутация подвергается контролю со стороны отбора уже в гетерозиготе. Рецессивная мутация может подвергаться отбору лишь в том случае, если она размножится в популяции до определенного уровня и перейдет в гомозиготное состояние. Размножение рецессивной мутации в популяции зависит от характера проявления мутантного гена в гомозиготном состоянии. Чем меньше размер популяции, тем вероятнее скрещивание гетерозиготных особей и, напротив, чем больше численность популяции, тем меньше вероятность проявления рецессивного гена в гомозиготном состоянии (при условии одинаковой пропорции гетерозигот в популяции). В большой популяции требуется более длительный срок на размножение мутации. Таким образом, распространение мутации в популяции зависит и от ее численности. Как только начнут появляться мутантные фенотипы, они подвергнутся контролю со стороны отбора, хотя следует подчеркнуть, что некоторые рецессивные мутации могут контролироваться отбором и еще в гетерозиготном состоянии [14].