Исследования последних лет показали, что под действием различных мутагенных факторов наблюдаются изменение в структуре молекулы ДНК. В тоже время молекула ДНК обладает свойствам восстанавливать первоначальную структуру и исправлять повреждения если они затрачивают одну из комплементарных цепочек. Процесс восстановления первоначальной структуры и исправления поврежденной молекулы ДНК называется репарацией. Различают два вида репараций: световую или фотореактивация и темновую репарацию.
Сущность световой репарации состоит в том, что при облучении бактериальных клеток ультрафиолетовыми лучами наблюдается поврежде- ние в молекуле ДНК. Однако когда такие бактериальные клетки выдерживали в темноте, большинство из них погибало, а если они выдерживали на свету, то основная масса их выживала.
В 1960 году был открыт фотореактивиющий фермент. Свет активизирует фермент и он восстанавливает исходную структуру молекулы ДНК. В темноте он не проявляет своего действия.
Механизм темновой репарации состоит в том, что молекула ДНК поражается химическими и физическими факторами и может быть восстановлена в темноте. Темновая репарация протекает в четыре последовательных этапа и при участии четырех ферментов.
На первом этапе действует фермент эндонуклеаза, которая узнает место повреждения ДНК по её ненормальной форме, надрезает поврежденный участок с одной и другой стороны и удаляет его, при этом образуется брешь.
На втором этапе действует фермент экзонуклеаза, которая расширяет повреждённый участок, удаляет нуклеотиды близлежащие около повреждённого участка до 1000 нуклеотидов.
На третьем этапе фермент ДНК-полимераза синтезирует удалённый участок молекулы ДНК, при этом используется вторая неповреждённая комплементарная цепь.
На четвёртом этапе фермент лигаза соединяет вновь синтезируемые участки ДНК друг с другом в единую цепь ДНК. Молекула ДНК приобретает первоначальную структуру.
5.Защита животных от мутагенов
а) В связи с научно- технической революцией и перевода животноводства на промышленную основу и концентрацию животных на малых площадях. Серьёзно стоит проблема экологических изменений в окружающей среде. В воздухе, почве, воде накапливается огромное количество веществ, часть из которых обладает мутагенной и тератогенной активностью. Среди них особое значение имеют химические мутагены- ДДТ, гексахлорбензол, пестициды, гербициды, нитраты и нитриты. Они способны накапливаться в организме животных и человека.
В районах интенсивного сельского хозяйства источником мутагенов являются нитраты, как источник применения минеральных удобрений. Очень сильным мутагенным действием обладают пестициды и гербициды, которые используются в агрономической практике для борьбы с сорняками и вредными насекомыми. Отмечается, что большинство пестицидов устойчивы к химическому и биологическому разложению. Они имеют высокий уровень токсичности. Перечень вредных химических веществ, с которыми контактируют животные очень огромен.
Кроме химических веществ, для животных и человека большую опасность представляют вирусы и бактерии. Вирусы непосредственно внедряются своим генетическим аппаратом в геном клеток животных.
б) В настоящее время установлено, что радионуклиды являются мощным фактором индуцированного мутагенеза, они прежде всего поражают целостность хромосом и вызывают различные аберрации. В тоже время они при взаимодействии с химическими мутагенами способны усилить мутационный процесс.
Авария на Чернобыльской АЭС привела к радиоактивному заражению огромных территорий РФ, Украины, Белоруссии. Это заражение отразилось на различных биологических объектах, в том числе и на сельскохозяйственных животных. В хозяйствах, относящихся к зоне сильного загрязнения окружающей среды радионуклида у с.-х. животных уровень хромосомных аберраций доходил до 38,9. В нашей области взрыв ПО «Маяк» оставил радиоактивный след в Каслинском, Красноармейском районах и на реке Теча.
в) В настоящее время были открыты вещества, которые стабилизируют мутационный процесс до естественного уровня и их называют антимутагенами. Они имеют двоякий спектр действия, при низких концентрациях они действуют как антимутагены, а при высоких как мутагены. Например: к ним относятся аргинин, глутаминовая кислота, стрептомицин и другие.
Установлено, что способностью снижать частоту мутаций обладают более 200 природных и синтетических соединений.
К 1 группе соединений относятся витамины Е (токоферол), С (аскорбиновая кислота). Введение этих витаминов в рацион способствует уменьшению частоты аберраций, вызванных ионизирующими излучениями.
Ко 2 группе относятся отдельные аминокислоты (аргинин, гистидин, метионин и другие).
3 группа- это ферменты (каталаза, глутатиол пероксидаза).
4 группа- отдельные фармакологические средства (интерферон, сульфаниламиды, гексамидин и другие).
5 группа комплексных соединений, которая входит в состав различных продуктов растительного и животного происхождения.
г) В связи с тем, что в окружающей среде существует большое количество самых разнообразных мутагенных факторов, перед человечеством встали серьезные задачи по разработке методов по защите генетического аппарата в частности ДНК, как самого человека, животных, так и всей живой материи обитающей на земном шаре. Так как, мутационная изменчивость может привести к самым тяжёлым последствиям, вплоть до вымирания видов, поэтому почти всеми государствами принят закон об охране окружающей среды, издания красной книги животных, подготовки специалистов по биоэкологи (наша академия).
Необходимо отметить, что основными путями снижающими концентрацию вредных веществ в биосфере являются следующие:
1) Должен быть разработан экологический мониторинг, который предусматривает определённый характер и уровень химических веществ в почве, воде, кормах, в теле животных. Необходимо создавать экологические карты хозяйств, районов, регионов, на которых нужно наносить соответствующую информацию о содержании химических веществ.
2) Создание безотходных технологий и замкнутый цикл производства в промышленности и сельском хозяйстве, т.е. утилизация выбросов во внешнюю среду. Эта работа ТЭЦ- уголь. Например: Карабашский медеплавильный завод, кислотные дожди, разрушение азонового слоя.
3) Переход от химических средств борьбы в сельском хозяйстве на безвредные биологические средства.
4) Создание устойчивых сортов растений, не требующих химической защиты или использования безопасных с генетической точки зрения пестицидов и гербицидов.
5) Повышение естественной резистентности животных путём использования новых технологий в кормлении, содержании и выращивании животных.
6) Племенная работа должна быть направлена на создание пород, линий и гибридов, устойчивых к болезням. В селекционном плане ставится задача о выбраковке животных с нестабильным геномом и отбор животных со стабильным малочувствительным к экстремальным факторам среды генотипом.
6. Закон гомологических рядов академика Н.И. Вавилова Сравнительное изучение наследственной изменчивости у разных родов позволило академику Н.И. Вавилову сформировать закон гомологических рядов: сущность этого закона состоит в том, что генетически близкие роды и виды характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что зная ряд форм в пределах одного вида можно предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов.
Чем ближе генетическое родство видов, родов тем полнее сходства в рядах наследственной изменчивости. В настоящее время можно отметить, что у родственных видов возникают сходные мутации. Так у разных классов позвоночных встречаются сходные мутации: альбинизм и бесшерстность наблюдается у всех домашних животных (крупного рогатого скота, свиньи, лошади, овцы) даже у птицы отсутствие оперения, а у рыб отсутствие чешуи. Мутация коротконогости наблюдается у крупного рогатого скота, овец, собак, птицы, человека и насекомых. Таким образом, на основании закона гомологических рядов, если обнаружен ряд спонтанных или индуцированных мутаций у одного вида животных или растений, то можно ожидать сходный ряд мутаций у других видов этого рода. В основе закона гомологических рядов лежат две основные причины:
1. Единство генетических структур ближайших видов и родов - общность их происхождения.
2. Определённое действие отбора в относительно сходных условиях внешней среды.
Практическое значение закона гомологических рядов очень большое, он даёт возможность предсказать появление новых мутационных изменений, которые могут быть полезными при совершенствовании домашних животных.
Контрольные вопросы:
1.Что такое мутации и мутагенез?
2.Назовите типы хромосомных аберраций.
3.Что такое темновая и световая репарации?
4.Что такое генные и точковые мутации?
5.Какие гены называются супермутагенами?
ЛЕКЦИЯ № 8
Генетика популяций
1. Понятие о популяции и чистой линии.
2. Закон Харди- Вайнберга и его значение для популяции.
3. Факторы, влияющие на структуру популяции и их характеристика.
4. Родственное спаривание и гетерозис, их значение в практике животноводства.
5. Гипотезы, объясняющие явление инбредной депрессии и гетерозиса.
1.Понятие о популяции и чистой линии
Виды животных или растений являются систематическими единицами эволюции. В настоящее время на земном шаре насчитывается около 1,5 млн. животных и 400 тысяч видов растений. Также имеется большое разнообразие пород с.-х. животных, разводимых на земном шаре и их количество составляет 2737 пород в т.ч. крупного рогатого скота-1000 пород, свиней-207, овец-160, лошадей-250, коз-20, птицы-232, кролики-60 и собак-400 пород.
Особи одного вида обладают характерным для данного вида фенотипом и генотипом. Однако по наследственным свойствам они являются неоднородными. Таким образом, каждый вид состоит из отдельных популяций. Так на территории РФ разводят 34 породы крупного рогатого скота (чёрно-пёстрая, симментальская, герефордская, казахская белоголовая и т.д.) - всё это популяции.
Под популяцией понимают группу животных или растений одного вида, изолированно размножающихся от других групп и где свободно происходит спаривание. Популяция - это главный структурный элемент вида, форма его существования в данных условиях. Популяции могут быть естественные и искусственные. К естественным популяциям относятся популяции диких животных занимающие определённый ареал (волки, лоси, зайцы, лисицы). К искусственным популяциям относятся породы сельскохозяйственных животных, сорта растений, стадо, если разводится одна порода. Искусственные популяции формируются под действием человека в процессе искусственного отбора и создания специфических условий внешней среды (кормления, содержания и других факторов). Например: популяция чёрно-пёстрого скота разводимая в хозяйствах Челябинской области, птицы кросса Ломан белый и другие породы. Популяции ООО «Ясные Поляны» Троицкого района Челябинской области - голштинская и симментальская породы.
Каждая генетическая популяция формируется под действием наследственности, изменчивости, внешней среды и отбора. Она имеет генетическую структуру и генофонд. Генетическая структура популяции определяется концентрацией каждого гена или его аллелей, характером генотипов и частотой их распространения. Генетическую структуру популяции принято выражать частотой гомозиготных и гетерозиготных генотипов и частотой генов или аллелей.
Под генофондом понимают совокупность всех генов, которые имеют все члены популяции. Генофонд имеет большое практическое значение в животноводстве. Если генофонд популяции беден по каким-то ценным признакам, то проводят различные виды скрещивания для обогащения генофонда одной породы ценными качествами другой породы (чёрно-пёстрая, голштинская). Цель этого всего- повышение молочной продуктивности и технологических признаков.
Для популяции характерны высокая гетерозиготность и разнотипичность по генотипу. В связи с тем, что в практике животноводства и растениеводства популяции имеют большое практическое значение, специально выделено в генетике направление которое называется популяционная генетика, и она имеет свои методы изучения к которым относятся: генетический, цитологический, математический, эколого-физиологический анализы. Однако, основным в популяционной генетике является математический анализ, позволяющий моделировать генетические процессы в популяции в ряде поколений и на перспективу.
В противоположность популяции выделяют понятие чистая линия. Чистая линия представляет собой потомство, полученное от одного самоопыляющегося растения. Например: фасоль является самоопылителем, поэтому потомство, полученное от одного боба в ряде поколений называют чистой линией. От популяции чистая линия отличается высокой степенью гомозиготности, а также она однородна по генотипу. В животноводстве чистых линий нет, так как высокая гомозиготность может быть достигнута близким родственным спариванием, которое называется кровосмешением (мать*сын; отец*дочь; брат*сестра; бабушка*внук и т.д.). Однако близкое родственное спаривание приводит к инбредной депрессии, которая выражается в снижении продуктивности, плодовитости, жизнеспособности, появлением различного вида уродств. Поэтому чистые линии в практике животноводства не создаются, а при разведении пород с/х животных имеют дело с популяциями. В виде исключения чистые линии в животноводстве создаются для научно-исследовательской работы.
Неоднородность популяции по генотипу и высокая однородность по фенотипу в чистых линиях приводит в процессе отбора к различным результатам.
На основании проведённых опытов Иоганнсен пришёл к выводу об эффективности отбора в популяции и бесполезности его в чистых линиях. Свои опыты он проводил на обыкновенной фасоли. Все семена фасоли Иоганнсен по весу разбил на три группы: мелкие, средние и крупные и высевал эти семена отдельно, после чего получил следующие результаты: от крупных семян были получены семена крупнее средних, но несколько мельче родительских форм; от мелких семян получил семена несколько крупнее родительских форм, но мельче средних и от средних семян получил такие же средние семена. Таким образом, в пределах популяции отбор даёт положительные результаты, так как особи входящие в её состав были разнородны по генотипу.
Аналогичный опыт был проведён на фасоли чистых линий. Семена чистых линий были мелкие и крупные, которые он высевал и получил следующие результаты: оказалось, что потомство, полученное от крупных и мелких семян было почти одинаковым по весу.
Таким образом, в пределах чистых линий особи различны по фенотипу, но сходны по генотипу, поэтому потомство в среднем одинаково и отбор в чистых линиях мало эффективен. Эффективность отбора в популяциях и отсутствие эффекта в чистых линиях имеет большое значение в селекционной работе.
