12.3: Krzyżówki monohybrydowe

Przegląd

W latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XIX wieku Gregor Mendel badał dziedziczenie, przeprowadzając krzyżówki monohybrydowe u grochu. Skrzyżował dwie rośliny, które rzeczywiście rozmnażały się pod względem różnych cech. Na podstawie swoich obserwacji Mendel zaproponował, że organizmy dziedziczą dwie kopie każdej cechy, po jednej od każdego z rodziców, oraz że cechy dominujące mogą ukrywać cechy recesywne. Wyniki te stworzyły podstawę dwóch podstawowych zasad genetyki: zasady jednolitości i prawa segregacji.

Krzyżówki monohybrydowe ujawniają cechy dominujące i recesywne

Przez osiem lat, obejmujących lata pięćdziesiąte i sześćdziesiąte XIX wieku, austriacki mnich Gregor Mendel przeprowadzał eksperymenty z hodowlą nasion grochu. Eksperymenty te wykazały podstawowe zasady dziedziczenia, dzięki czemu zyskał przydomek “ojca współczesnej genetyki“. Eksperymenty Mendla skupiały się na siedmiu cechach grochu, z których każda objawiała się jedną z dwóch cech określonych przez pojedynczy locus genowy.

Mendel zauważył, że gdy niektóre jego rośliny grochu rozmnażały się poprzez samozapłodnienie, ich potomstwo zawsze wykazywało tę samą cechę. Innymi słowy, byli prawdziwymi wychowankami. Na przykład niektóre rośliny z żółtymi strąkami dawały potomstwo tylko z żółtymi strąkami. Po skrzyżowaniu z innymi roślinami, które rozmnażały się z żółtymi strąkami, rośliny te również dawały wyłącznie potomstwo z żółtymi strąkami. Podobnie Mendel zaobserwował prawdziwe rośliny grochu, które rodziły wyłącznie potomstwo z zielonymi strąkami.

W tamtym czasie uważano, że cechy dziedziczne są mieszaniną cech rodzicielskich. Zamiast tego Mendel zaobserwował odrębne fenotypy, takie jak zielone i żółte strąki. Zaproponował, że zamiast mieszania się cech u potomstwa, oddzielne czynniki (obecnie znane jako geny) są dziedziczone od rodziców i pozostają oddzielne u potomstwa. W przypadkach, gdy cecha pomija pokolenie, Mendel zaproponował, że widoczna cecha jedynie maskuje obecność innej odziedziczonej cechy. Innymi słowy, dziedziczenie jest cząstkowe, a cechy dominujące ukrywają cechy recesywne. Aby określić, która cecha jest dominująca, Mendel przeprowadził krzyżówki monohybrydowe. Krzyżówki monohybrydowe łączą dwa organizmy prawdziwie hodowlane, które różnią się jedną cechą. Całe potomstwo takich krzyżówek jest monohybrydami lub heterozygotami i wykazuje cechę dominującą.

Na przykład Mendel skrzyżował rośliny grochu, które rozmnażały się w kierunku żółtych strąków, z tymi, które wyhodowały prawdziwe w przypadku zielonych strąków, aby określić dominujący kolor strąków. To pokolenie rodzicielskie (P₀) wydało na świat potomstwo, pierwsze pokolenie potomne (F₁), które było monohybrydami z zielonymi strąkami. Wielokrotne obserwacje tych odkryć ustaliły, że zielone strąki są cechą dominującą i wykazały zasadę jednorodności Mendla: heterozygoty pod względem jednej cechy genu wykazują ten sam fenotyp.

Allele rodzicielskie są losowo przydzielane do gamet

Następnie Mendel wywołał samozapłodnienie w roślinach F₁, tworząc pokolenie F₂. Rośliny grochu F₂ z zielonymi strąkami przewyższały liczebnie rośliny z żółtymi strąkami w stosunku 3:1. Mendel wielokrotnie obserwował ten wzór dziedziczenia 3:1 dla każdej z siedmiu cech grochu.

Prawo Mendla segregacji wyjaśnia ten powtarzający się stosunek. Prawo segregacji mówi, że organizm rozdziela jedną ze swoich dwóch kopii genów do każdej gamety (komórki jajowej lub plemnika). Co ważne, rozkład ten jest losowy, tak że heterozygota (Gg) z równym prawdopodobieństwem wytworzy gamety z allelami dominującymi (G) i recesywnymi (g).

Jeśli heterozygota dokona samozapłodnienia (Gg x Gg), allele rodzicielskie mogą łączyć się na cztery możliwe sposoby: G ojcowski z G matczynym (GG), ojcowski G z matczynym g (Gg), g ojcowski z G matczynym (Gg) i ojcowskie g z matczynym g (gg). Trzy wyniki dają zielone strąki (genotypy GG i Gg), a jeden wytwarza żółte strąki (genotyp gg), w stosunku 3:1. Tak więc, jeśli wszystkie wyniki są równie prawdopodobne, samozapłodniające się heterozygoty spłodzą troje potomstwa z zielonymi strąkami na każde jedno z żółtymi strąkami. Jest to niezwykle zbliżone do stosunku fenotypowego zaobserwowanego przez Mendla, co potwierdza zaproponowane przez niego prawo segregacji.

Cechy dominujące nie zawsze są powszechne

W przeciwieństwie do zielonych strąków, groszek zielony jest recesywny, podczas gdy groszek żółty jest dominujący. Dlaczego zatem groszek, który regularnie spotykamy, jest zielony? Krótko mówiąc, ludzie wolą zielony groszek od żółtego. Jak pokazują eksperymenty Mendla, homozygoty dają potomstwo o tej samej cesze lub fenotypie, gdy dochodzi do samozapłodnienia lub skrzyżowania z innymi homozygotami. Jeśli rolnicy w dalszym ciągu będą wykluczać groszek żółty ze swoich krzyżówek, będą nadal produkować wyłącznie groszek zielony. Ten przykład ilustruje kolejny ważny punkt: cechy dominujące niekoniecznie są cechami najczęściej spotykanymi. Można na przykład selekcjonować szkodliwe cechy dominujące.

Używając grochu, Gregor Mendel pierwotnie wykonywał krzyżówki monohybrydowe. Eksperymenty hodowlane między organizmami, które różnią się jedną cechą, taką jak kolor strąków.

Na przykład w pierwotnym pokoleniu rodzicielskim, P zero, jeden rodzic ma wszystkie zielone strąki. Jego genotyp jest homozygotyczny pod względem allelu koloru zielonego strąka reprezentowanego przez wielką literę G. Drugi rodzic ma tylko żółte strąki i jest homozygotyczny pod względem allelu żółtego strąka oznaczonego małą literą g.

Po skrzyżowaniu pierwszego potomstwa, pokolenie potomne lub F one wydaje się identyczne, wyrażając ten sam fenotyp zielonych strąków. Wynik ten ilustruje zasadę jednolitości i wskazuje, że zielony jest dominującą cechą tych dwóch kolorów.

Teraz, gdy rośliny z pierwszego pokolenia F mogą się samozapładniać, ich potomstwo, rośliny F dwa, zawiera niektóre z zielonymi strąkami, a inne z żółtymi w stosunku trzy do jednego. Co potwierdza, że żółty jest rzeczywiście cechą recesywną, ukrytą formą odziedziczoną po pierwotnych rodzicach.