suport curs- genetica

78
UNIVERSITATEA DE ŞTIINŢE AGRICOLE ŞI MEDICINĂVETERINARĂ CLUJ-NAPOCA DEPARTAMENTUL ÎNVĂŢĂMÂNT LA DISTANŢĂ ŞI FRECVENŢĂ REDUSĂ FACULTATEA DE AGRICULTURĂ SPECIALIZAREA BIOLOGIE ANUL I GENETICA PROF. DR. ELENA TĂMAŞ SUPORT DE CURS SEMESTRUL II ACADEMICPRES CLUJ-NAPOCA 2009-2010 1

Upload: oana-maria-crisan

Post on 09-Dec-2014

199 views

Category:

Documents


12 download

DESCRIPTION

Genetica

TRANSCRIPT

Page 1: Suport Curs- Genetica

UNIVERSITATEA DE ŞTIINŢE AGRICOLE ŞI MEDICINĂVETERINARĂ CLUJ-NAPOCA

DEPARTAMENTUL ÎNVĂŢĂMÂNT LA DISTANŢĂ ŞI FRECVENŢĂ REDUSĂ

FACULTATEA DE AGRICULTURĂSPECIALIZAREA BIOLOGIE

ANUL I

GENETICA PROF. DR. ELENA TĂMAŞ

SUPORT DE CURSSEMESTRUL II

ACADEMICPRESCLUJ-NAPOCA

2009-2010

1

Page 2: Suport Curs- Genetica

C a p i t o l u l 1

GENETICA - ŞTIINŢĂ A EREDITĂŢII ŞI VARIABILITĂŢII ORGANISMELOR VII

1.1. Obiectul de studiu al geneticii

Genetica este o ştiinţă biologică al cărui obiect de studiu îl constituie ereditatea şi variabilitatea organismelor, stabilind mecanismele care asigură conservarea informaţiei genetice precum şi cele ale modificării ereditare.

Denumirea de genetică a fost introdusă de biologul englez WILLIAM BATESON cu ocazia celui de al III-lea Congres de genetică (1906).

Ereditatea (de la hereditas - transmitere, lat.) este proprietatea organismelor de a transmite la descendenţi caracteristici specifice ascendenţilor. Ereditatea are un caracter conservator şi determină legătura între generaţii.

Variabilitatea (de la variare - a schimba, lat.) determină apariţia în anumite condiţii la descendenţi a unor caracteristici deosebite de cele ale ascendenţei.

Variabilitatea poate fi ereditară, atunci când modificările apărute au cauze genetice şi se transmit la descendenţi şi neereditară, când modificările sunt rezultatul influenţei condiţiilor de mediu, modificări ce nu se transmit la descendenţi. Variabilitatea ereditară are ca sursă recombinarea genelor în procesul de formare a gameţilor şi fecundare (variabilitate recombinativă) precum şi modificarea materialului genetic sub acţiunea unor factori mutageni (variabilitate mutaţională).

W.JOHANSEN (1909) a introdus noţiunile de genotip şi fenotip. Genotipul reprezintă totalitatea genelor unui organism viu, aflate în stare

manifestă sau latentă.Fenotipul reprezintă totalitatea caracteristicilor unui organism ca urmare a

interacţiunii dintre genotip şi condiţiile de mediu.

1.2. Scopul şi importanţa geneticii

Studiul geneticii prezintă interes din două motive. În primul rând, genetica a devenit o placă turnantă în cadrul ştiinţelor biologice, fiind esenţială pentru toţi cei care studiază viaţa plantelor, a animalelor sau microorganismelor. În al doilea rând, genetica ocupă o poziţie centrală în diverse sectoare ale activităţii umane (agricultură, alimentaţie, medicină, ecologie etc.).

2

Page 3: Suport Curs- Genetica

Pentru obţinerea unei producţii agricole maxime este necesară ameliorarea materialului biologic existent. Orice program de ameliorare începe cu studiul potenţialului biologic şi studiul determinismului genetic al materialului iniţial pentru stabilirea metodei de ameliorare precum şi a tipului de material ameliorat. Genetica se constituie astfel ca bază teoretică a ameliorării plantelor.

Concepţiile şi descoperirile din domeniul geneticii moleculare şi în special al ingineriei genetice sunt în prezent tot mai utile, fiind dirijate în elucidarea problemelor care interesează societatea, resursele şi economia.

Obiectivul principal al ingineriei genetice este modificarea genomului unor plante sau animale prin introducerea unor gene sau a unor fragmente de ADN de la o celulă donatoare la o celulă receptoare, obţinându-se astfel specii transgenice. Pe această cale se poate îmbogăţi randamentul fotosintetic al plantelor, ameliorarea calităţii şi a productivităţii, obţinerea de forme rezistente la boli şi dăunători, la stresuri climatice, la pesticide etc.

Prin metode ale ingineriei genetice au fost obţinute suşe bacteriene capabile de a produce proteine specifice mamiferelor, cum ar fi insulina, hormoni de creştere, interferon.

Un rol major al acestei ştiinţe biologice este prevenirea riscului genetic, determinat de factorii mutageni din mediul înconjurător precum şi împiedicarea răspândirii unor maladii ereditare umane.

Genetica a influenţat profund toate activităţile umane. Majoritatea alimentelor provin din organisme ameliorate genetic. Cercetările din domeniul geneticii au schimbat poziţia omului în raport cu lumea organică şi cu restul universului.

Genetica a revoluţionat biologia, demonstrând că majoritatea organismelor acestei planete utilizează acelaşi sistem de stocare şi expresie a informaţiei genetice bazat pe ADN, un sistem unde informaţia circulă de la ADN la ARN şi de la ARN la proteine.

1.3. Câteva momente importante din istoria geneticii

1865 -

Elaborarea primelor legi ale eredităţii de către GREGOR MENDEL.

1882 - Descoperirea cromozomilor de către FLEMMING.1900 -

Redescoperirea legilor mendeliene ale eredităţii - HUGO DE VRIES, C.CORRENS şi E.TSCHERMAK.

1902 - Descoperirea primelor maladii genetice umane - A.GARROD.1902 - Elaborarea ipotezei potrivit căreia genele sunt plasate pe

cromozomi - W.SUTTON şi T.BOVERI.1908 - Descoperirea linkage-ului - BATESON şi PUMMET.1908 - Elaborarea legii HARDY-WEINBERG privind frecvenţa genelor

într-o populaţie.1909 - Descoperirea meiozei în relaţie cu recombinarea genetică -

JANSSENS.1910 - Introducerea noţiunii de genă pentru factorii mendelienii,

definirea genotipului şi a fenotipului - JOHANSEN.1927 - Inducerea artificială a mutaţiilor - MULLER.

3

Page 4: Suport Curs- Genetica

1941 - Elaborarea ipotezei "o genă - o enzimă" - G.BEADLE şi E.TATUM.

1944 - Descoperirea fenomenului de trasformare genetică cu ajutorul ADN-ului la pneumococi - O.AVERY, MCLEOD şi MCCARTY.

1952 - Definirea genei ca unitate de funcţie, de mutaţie şi de recombinare - G.PONTECORVO.

1953 - Apariţia geneticii moleculare prin determinarea structurii macromoleculare a ADN-ului - J.WATSON, F.CRICK, M.WILKINS.

1956 - Descoperirea elementelor genetice mobile - B.MCCLINTOCK.1956 - Întocmirea cariotipului uman - H.J.TYIO şi A.LEVAN.1958 - Elaborarea modelului de replicare semiconservativă a ADN-

ului - M.MESELSOHN şi F.STAHL.1960 - Primele cercetări de hibridare somatică "in vitro" - G.BARSKI.1961 - Descoperirea fenomenului de reglaj genetic la procariote -

F.JACOB şi J.MONOD. 1966 - Descifrarea codului genetic - M.NIRENBERG şi G.KHORANA.1969 - Izolarea artificială a unei gene bacteriene - J.BACKWITH.1970 - Descoperirea enzimei revertranscriptaza care permite

transcripţia ARN → ADN - H.TEMIN şi D.BALTIMORE.1974 - Descoperirea ribozomilor şi a mecanismului biosintezei

proteice - G.E.PALADE.1977 - Descoperirea enzimelor de restricţie - G.ARBER, C.SMITH şi

M.NATHANS.1978 - Realizarea ADN recombinat - P.BERG.1978 - Descoperirea structurii discontinue a genelor eucariote -

W.GILBERT.1980 -

Stabilirea metodologiei de determinare a secvenţelor nucleotidice în cadrul moleculei de ADN şi ARN - GILBERT şi SANGER.

1983 - Elaborarea metodei PCR (Polymerase Chain Reaction) - K.MULLIS.

1.4. Metode de cercetare utilizate în genetică

Genetica fiind o disciplină experimentală, dezvoltarea ei a fost condiţionată de metodele şi posibilităţile de cercetare, proprii, iar altele proprii altor discipline de care genetica se poate folosi pentru înţelegerea şi explicarea legităţilor şi fenomenelor sale. Acest fapt a condus la diversificarea geneticii şi constituirea unor noi ramuri ale geneticii.

Metoda hibridologică, proprie geneticii, constă în încrucişarea unor organisme cu ereditate diferită şi analiza statistico-matematică a moştenirii caracterelor la urmaţi. Această metodă a fost utilizată şi de către MENDEL pentru stabilirea legilor eredităţii şi de aceea ramura geneticii care face apel la această metodă aparţine geneticii mendeliene sau geneticii clasice.

4

Page 5: Suport Curs- Genetica

Metoda citologică utilizată în genetică presupune studiul componenetelor celulare cu rol ereditar. Această metodă combinată cu metoda hibridologică a condus la dezvoltarea unei noi ramuri a geneticii, citogenetica.

Metoda radiologică utilizată în genetică presupune utilizarea diferitelor tipuri de radiaţii asupra materialului biologic experimentat şi stabilirea modificărilor ereditare suferite de acesta. Utilizarea acestei metode a condus la dezvoltarea unei noi ramuri a geneticii, radiogenetica.

Metoda biochimică utilizată în genetică a permis înţelegerea fenomenelor genetice la nivel molecular şi posibilitatea evidenţierii variabilităţii ereditare de mare fineţe la nivel biochimic. Utilizarea acestei metode în genetică a dus la dezvoltarea unei noi ramuri a geneticii genetica moelculară. Genetica moleculară este o ramură a biologiei specializată în cunoaşterea substratului material şi funcţional a eredităţii la nivelul molecular (ANTOHI şi GAVRILĂ, 1981).

Alte ramuri ale geneticii care utilizează metode specifice altor discipline sunt: imunogenetica studiază rolul eredităţii în apărarea organismului contra

infecţiilor sau probleme de histoincompatibilitate determinate genetic, deosebit de importante în experimentele de transplant;

farmacogenetica studiază relaţia dintre ereditate şi reacţia la medicamente; genetica comportamentală studiază relaţia dintre ereditate şi comportament; genetica medicală studiază relaţia dintre ereditate şi patologie; genetica medico-legală permite determinarea paternităţii în caz de litigiu

(mai exact cine nu poate fi tată); genetica culturală studiază influenţa factorilor de civilizaţie asupra

frecvenţei genelor, în special asupra frecvenţei genelor detrimentale cu posibilitatea reducerii lor prin profilaxie genetică (sfat genetic).

În raport cu materialul biologic utilizat în experienţele de genetică se poate vorbi de următoarele ramuri ale geneticii: genetica microorganismelor, genetica umană, genetica animală, genetica vegetală sau mai la amănunt genetica porumbului, genetica soiei etc.

Materialul biologic utilizat, în special în studiile de genetică clasică trebuie să prezinte următoarele particularităţi:

► să posede caracteristici bine conturate, uşor de urmărit (markeri genetici);► să aibă ciclu scurt de dezvoltare;► să permită obţinerea unui număr mare de descendenţi;► să posede un număr relativ mic de cromozomi însă de dimensiuni cât mai

mari;► să fie susceptibili la acţiunea factorilor mutageni;► să nu fie foarte scump şi să fie relativ uşor de întreţinut.

Ca teste genetice ce îndeplinesc condiţiile de mai sus, într-o măsură mai mare sau mai mică, se poate utiliza: Drosophila; Neirospora; Escherichia; diferite virusuri, mai ales fagi; porumbul; bobul ş.a.

În cercetările genetice la nivel celular şi molecular se poate face apel la o serie de tehnici de mare fineţe şi complexitate precum şi la o aparatură modernă cum ar fi: microscopul electronic, ultracentrifugarea, spectroscopia de masă, electroforeza în gel de poliacrilamidă, rezonanţa magnetică nucleară şi rezonanţa electronică de spin, difracţia razelor X, autoradiografia etc.

5

Page 6: Suport Curs- Genetica

6

Page 7: Suport Curs- Genetica

C a p i t o l u l 2

BAZELE CITOLOGICE ALE EREDITĂŢII

Celula, ca formă superioară a materiei vii, este unitatea morfologică şi funcţională de constituire a tuturor organismelor vii, cu excepţia virusurilor. Celula posedă metabolism individual, ciclu de viaţă şi energie proprie, fiind capabilă de creştere şi autoreproducere independentă.

2.1. Virusurile

Sunt forme acelulare de viata, strict parazite intracelular, lipsite de organizare celulară si echipament enzimatic propriu, dar capabile de autoreproducere pe baza informatiei genetice conţinute de genom. Sunt complexe moleculare, ce contin AND sau ARN şi proteine.

Un virus este alcatuit din genom, capsida si peplos.Dupa natura materialului genetic, virusurile sunt de doua feluri:

adenovirusuri,care conţin ADN si ribovirusuri, care conţin ARN. Genomurile virale de tip ADN sau ARN pot fi monocatenare sau bicatenare. Virusurile ADN au genomuri cuprinse intre 3 si 200 kb, iar virusurile ARN au genomuri cuprinse intre 7 si 20 kb.

Capsida este alcatuita din unitati elementare, de natura proteica, numite capsomere, dispuse dupa o anumita simetrie, alcatuind invelisul care protejeaza genomul. Capsida plus genomul alcatuiesc nucleocapsida.

Peplosul este întâlnit la unele virusuri, fiind reprezentat de o membrană de natură lipoproteică, derivată din sistemul de membrane al celulei gazda. Uneori peplosul prezinta o serie de prelungiri filamentoase cu rol de fixare pe celula gazda.

2.2. Organizarea celulară a materiei vii

În raport cu complexitatea structurală a celulei, mai ales a nucleului, organismele vii aparţin la două tipuri de organizare: tipul procariot şi tipul eucariot.

2.2.1. Organizarea celulară la procariote

Organizarea procariotă este caracteristică bacteriilor (Schizomicetelor) şi algelor albastre-verzi (Schizoficeelor).

La procariote, celula este constituită din perete celular, membrană plasmatică, citoplasmă şi nucleu (care însă nu este conturat de membrană).

7

Page 8: Suport Curs- Genetica

Citoplasma procariotelor nu este diferenţiată structural în organite (cu excepţia ribozomilor). Ribozomii procariotelor cu constanta de sedimentare 70 S, au o densitate foarte mare.

Nucleul este reprezentat printr-o singură macromoleculă de ADN circulară (cromozomul bacterian) împachetată sub formă de nucleotid.

Fig. 2.1. Schema de organizare a unei celule procariote(1 – membrana celulară; 2 – perete celular; 3 – citoplasma; 4 – cromozom; 5 – plasmide; 6 – cili; 7 – flageli)

La procariote materialul genetic cuprinde două sisteme genetice: sistemul genetic nuclear şi sitemul genetic citoplasmatic.

Sistemul genetic nuclear cuprinde un singur grup de linkage, fiind constituit dintr-o macromoleculă de ADN circulară (cromozomul bacterian, genoforul sau lineomul) împachetată sub formă de nucleotid.

Diviziunea celulară este precedată de replicarea semiconservativă a ADN-ului, însă lipsesc fazele de spiralizare şi despiralizare a cromozomului.

Sistemul genetic citoplasmatic reprezentat prin plasmide, este un sistem genetic accesoriu. Plasmidele sunt unităţi de replicare independente, formate din molecule de ADN de dimensiuni mici, circulare, ce poartă un număr mic de gene implicate în unele procese metabolice şi în rezistenţa la antibiotice. Unele plasmide au capacitatea de integrare în cromozomul bacterian (episomii), condiţii în care funcţionează odată cu acesta, ca de exemplu factorul de fertilitate (F).

8

Page 9: Suport Curs- Genetica

2.2.2. Organizarea celulară şi a materialului genetic la eucariote

Tipul eucariot cuprinde algele verzi, brune şi roşii, ciupercile, muşchii, ferigile, gimnospermele, angiospermele şi organismele animale.

În linii mari, o celulă eucariotă este alcătuită din membrană, citoplasmă şi nucleu .

Membrana celulară (plasmalema) la plante este protejată de peretele celular de natură celulozo-pectică, având un rol scheletic. La animale, plasmalema reprezintă un strat superficial de condensare plasmatică, peretele celular lipsind. Citoplasma înalt diferenţiată structural şi funcţional, este alcătuită dintr-un complex de substanţe ce îi conferă o consistenţă semifluidă şi cuprinde: citosolul, sistemul de membrane sau reticolul endoplasmatic (neted şi rugos) şi organitele celulare (mitocondriile, aparatul Golgi, lizozomii, ribozomii, plastidele).

Nucleul sau carionul este formaţiunea cea mai reprezentativă a celulei din punct de vedere genetic şi reprezintă 1/4 - 1/3 din volumul total al celulei.

Nucleul ca entitate morfologică, este alcătuit din membrană nucleară, cariolimfă, nucleol, cromocentru şi cromatină (cromozomi).

9

Page 10: Suport Curs- Genetica

Fig. 2.2. Structura celulei vegetale

Membrana nucleară se întâlneşte în interfază. Este formată din două membrane lipoproteice, prevăzute cu pori prin care se realizează schimburile dintre cariolimfă şi citoplasmă. Membrana exterioară se racordează cu reticolul endoplasmatic, prin care realizează legătura între membrana nucleară şi membrana celulară. Are rol important în organizarea şi funcţionarea cromozomilor, precum şi în procesul de replicare şi transcriere a ADN.

Cariolimfa, nucleoplasma sau matrixul nuclear este mediul în care sunt incluse formaţiunile nucleare, putând exista în stare de gel sau sol.

Nucleolul este prezent în nucleu ca un corp sferic, vizibil în interfază şi profază ataşat la unii cromozomi în zona strangulaţiei secundare. Numărul nucleolilor este caracteristic fiecărei specii.

10

Page 11: Suport Curs- Genetica

Cromatina reprezintă starea în care se găseşte materialul cromozomal în interfază, sub forma fibrei elementare de cromatină. Prin condensarea fibrei elementare de cromatină, în cursul diviziunii celulare se pot evidenţia cromozomii.

Regiunile din cromozom cu cromatina intens colorată (regiunile învecinate cu centromerul, satelitul sau telomerii) sunt alcătuite din heterocromatină, iar regiunile mai puţin colorate din eucromatină.

Materialul genetic al eucariotelor aparţine la două sisteme genetice: sistemul genetic nuclear şi sistemul genetic citoplasmatic.

Sistemul genetic nuclear este reprezentat de mai mulţi cromozomi, care în celulele somatice sunt dispuşi în perechi omoloage.

Sistemul genetic citoplasmatic este reprezentat de molecule de ADN circulare, localizate în principal la nivelul mitocondriilor şi al plastidelor, cu dimensiuni de până la 2500 kb în cazul mitocondriilor şi până la 190 kb în cazul plastidelor. Este independent de sistemul genetic nuclear, având mecanism propriu de transcriere şi traducere a informaţiei genetice.

2.2.2.1. Cromozomii organismelor eucariote

Principalii purtători ai informaţiei genetice la eucariote sunt cromozomii, structuri prezente în nucleul celular. Aceştia sunt constituiţi din cromatină, ce conţine aproximativ 60% proteine, 35% acid dezoxiribonucleic (ADN) şi 5% acid ribonucleic (ARN).

După funcţiile lor, cromozomii sunt de două tipuri: autozomi, ce variază ca număr de la o specie la alta şi heterozomi sau cromozomi ai sexului. Celulele somatice conţin două seturi de autozomi şi doi heterozomi XX şi XY, iar celulele sexuale conţin un set de autozomi şi un heterozom.

Morfologia cromozomului eucariot se referă la aspectul exterior al cromozomului metafazic, vizibil la un microscop optic. Din punct de vedere morfologic, cromozomul eucariot prezintă următoarele formaţiuni: cromatidele surori, centromerul, constricţia secundară, telomerii, satelitul şi knobul.

Cromatidele surori sunt două unităţi structurale identice genetic, unite la nivelul centromerului. Fiecare cromatidă are la baza o macromoleculă de ADN.

Centromerul (chinetocorul, strangulaţia sau constricţia primară) este zona cu care cromozomul se fixează de fibrele fusului de diviziune în cadrul ciclului celular şi care împarte cromozomul în două braţe: braţul scurt sau proximal (p) şi braţul lung sau distal (q). Poziţia centromerului, definită de valoarea indicelui centromeric, determină diferitele tipuri morfologice de cromozomi (metacentrici, submetacentrici, acrocentrici sau telocentrici).

Strangulaţia sau constricţia secundară este asemănătoare centromerului, însă la nivelul ei cromatidele nu se unesc. Această zonă a cromozomului se numeşte şi organizator nucleolar, la acest nivel fiind ataşat de obicei nucleolul.

Telomerii sunt formaţiuni terminale ale cromozomilor, ce le conferă stabilitate. În lipsa telomerilor apare fuziunea acestora, având ca şi consecinţă restructurările cromozomale şi modificarea morfologiei.

11

Page 12: Suport Curs- Genetica

Satelitul sau trabantul este o formaţiune facultativă, separată de restul cromozomului prin strangulaţia secundară. De regulă este dispus pe braţul proximal al cromozomului.

Knobul este o formaţiune terminală sau subterminală heterocro-matică, dispus pe anumiţi cromozomi, cu valoare de marker citologic.

Structura cromozomului eucariot se referă la alcătuirea lui intrinsecă. Elementul structural de bază al cromozomului este nucleosomul, alcătuit dintr-un miez histonic (octamer) cu înălţimea de 57 Å şi diametrul de 110 Å, pe care se înfăşoară două spire de ADN, ce corespund la 146 pb. Între doi nucleosomi există elemente de legătură, constituite din segmente scurte de ADN de 60 pb asociate cu componenta histonică H1

(fig.2.3.).Succesiunea mai multor nucleosomi determină formarea fibrei simple de

cromatină, care la rândul ei se spiralizează sub formă de solenoid şi formează fibra elementară de cromatină, cu diametrul de 300 Å, care constituie elementul de bază al cromozomului. În interfază cromozomii se găsesc sub această formă elementară de cromatină.

Fig. 2.3. Formarea fibrei simple şi a fibrei elementare de cromatină

Compoziţia chimică a cromozomului eucariot. Cromozomii sunt alcătuiţi din cromatină, substanţa fundamentală, ce conţine acizi nucleici şi proteine, lipide şi poliglucide, ioni de calciu şi magneziu.

ADN-ul nuclear reprezintă aproximativ 95% din totalitatea ADN-ului celular, este răspunzător de stocarea informaţiei genetice şi continuitatea ei de la o generaţie la alta. Cantitatea constantă de ADN din fiecare cromozom este supusă unei variaţiuni ciclice, determinată de separarea cromatidelor în cadrul ciclului celular. ADN-ul din care este constituită cromatina poate fi de două feluri: ADN cu corespondenţă de codare şi ADN fără corespondenţă de codare.

ARN-ul cromozomal se găseşte în cantitate diferită în celulele diferitelor organe, reprezentând aproximativ 10% din cantitatea de ADN.

12

Page 13: Suport Curs- Genetica

Proteinele se prezintă sub formă de nucleoproteine şi sunt de două feluri: histone şi nonhistone.

E.HEITZ (1928) a clasificat cromatina sub raport ontogenetic în două categorii: eucromatina şi heterocromatina.

Eucromatina prezintă în cursul ciclului celular un proces tipic, normal de condensare şi despiralizare, precum şi o capacitate normală de colorare. Este despiralizată în interfază şi condensată în timpul diviziunii celulare, este transcrisă în interfază. În raport cu dinamica procesului de transcripţie, eucromatina poate fi activă, ce cuprinde gene transcrise continuu şi permisivă ce cuprinde gene transcrise doar sub acţiunea unor agenţi inductori (hormoni).

Heterocromatina este permanent condensată, atât în interfază, cât şi în timpul diviziunii celulare, de regulă nu este transcrisă, posedă o structură densă, care se colorează intens.

S.BROWN (1975) clasifică heterocromatina în constitutivă şi facultativă. Heterocromatina constitutivă este localizată în zona centromerului şi a telomerilor. În interfază apare sub forma cromocentrilor nucleolari. Heterocromatina facultativă, care se observă la unul din cei doi cromozomi X de la femelele de mamifere care se inactivează în primele 3-4 zile după formarea zigotului, putând fi identificat sub forma corpusculului Barr sau a cromatinei sexuale.

Caracteristicile cariotipului la eucarioteCaracteristicile cromozomilor sunt exprimate prin numărul, forma şi mărimea

acestora, alături de elementele morfologice.Numărul, forma şi mărimea cromozomilor dintr-o celulă somatică constituie

cariotipul unui individ sau al unei specii. Acesta reprezintă un criteriu de identificare a speciilor.

Numărul cromozomilor variază de la o specie la alta şi este relativ stabil pentru indivizii aparţinând unei unităţi taxonomice. În celulele somatice cromozomii sunt dispuşi în perechi, unul de origine maternă şi altul de origine paternă (cromozomi omologi) având aceeaşi formă, aceeaşi mărime şi aceeaşi valoare genetică, alcătuind garnitura diploidă, notată “2n”. În celulele sexuale sau gameţi există un singur set de cromozom, adică câte un cromozom din fiecare pereche, numărul lor fiind redus la jumătate. Aceasta este starea haploidă care se notează cu “n”.

Forma cromozomilor se stabileşte în metafaza diviziunii mitotice, când cromozomii ating maximum de contracţie, în funcţie de poziţia centromerului. În anafază, ca urmare a îndoirii braţelor cromozomale la nivelul centromerului, pot apare configuraţii în forma literei V, L sau I.

Mărimea cromozomilor diferă de la o specie la alta şi de la un cromozom la altul. Lungimea lor variază între 2 şi 220 microni, iar grosimea între 0,2 şi 2 microni.

Datorită caracteristicilor morfologice, fiecare cromozom poate fi identificat în celulele indivizilor. Astfel, cu toate modificările care apar pe parcursul diviziunilor celulare, cromozomii apar în celulele fiice şi în celulele generaţiilor următoare în acelaşi număr, cu aceeaşi formă şi mărime, ceea ce permite individualizarea şi recunoaşterea lor în cadrul complexului cromozomal.

13

Page 14: Suport Curs- Genetica

2.3. Reproducerea celulară

Substratul material al eredităţii se caracterizează prin continuitate. Această proprietate se realizează la nivel celular şi se asigură prin reproducerea sa cu fidelitate, transmiţându-se odată cu diviziunea, de la o celulă la alta şi în procesul de reproducere, de la o generaţie la alta.

2.3.1. Ciclul celular mitotic şi semnificaţia sa genetică

Ciclul celular mitotic se desfăşoară în celulele somatice şi poate fi definit ca fiind diviziunea celulară în urma căruia plecând de la o celulă mamă cu un anumit număr de cromozomi, rezultă două celule fiice cu acelaşi număr de cromozomi ca şi celula mamă, identice genetic între ele, identice şi cu celula mamă de la care au provenit. Este diviziunea care asigură înmulţirea celulelor şi creşterea organismelor.

În cadrul ciclului mitotic se disting două etape: diviziunea nucleului sau cariochineza şi diviziunea citoplasmei sau citochineza.

Fig.2.4. Ciclul celular mitotic: 1 – interfaza; 2 – profaza; 3 – metafaza; 4 – anafaza; 5- telofaza

Cariochineza. Procesele care afectează materialul genetic în cariochineză sunt împărţite în interfază şi mitoza propriu-zisă.

Interfaza sau interchineza este faza dintre două mitoze succesive.

14

Page 15: Suport Curs- Genetica

La microscopul optic se observă nucleul conturat de membrana nucleară, cromozomii fiind prezenţi sub forma fibrei elementare de cromatină, nu pot fi individualizaţi. În cadrul nucleului pot fi văzuţi unul sau mai mulţi nucleoli.

În funcţie de momentul sintezei ADN-ului, interfaza se împarte în trei etape: G1, S şi G2.

Faza G1 sau prereplicativă se caracterizează prin sinteza proteinelor şi a ARN-ului. Cromozomii sunt monocromatidici.

Faza S, faza de sinteză sau faza replicativă este perioada de biosinteză a ADN-ului concomitent cu sinteza proteinelor histonice, astfel că fiecare cromozom devine bicromatidic, cele două cromatide surori fiind identice.

Faza G2 sau postreplicativă este perioada de postsinteză în care are loc maturarea nucleului şi pregătirea sa pentru diviziunea propriu-zisă.

Procesele care au loc în interfază şi, ca urmare, interfaza însăşi, ocupă majoritatea ciclului celular, reprezentând aproape două treimi din durata acestuia.

Mitoza (mitos = filament, osis = condiţie, gr.)cuprinde patru faze: profaza, metafaza, anafaza şi telofaza.

Profaza (pro = înainte, phasis = fază, gr.). Debutul profazei este marcat de apariţia în cadrul nucleului a cromozomilor sub forma unor fibre subţiri şi lungi. În profază dispar nucleoli, se dezorganizează membrana nucleară şi se constituie fusul de diviziune.

Metafaza (meta =după, gr.). Cromozomii ajunşi la condensarea maximă se ataşează cu ajutorul centromerului de fibrele fusului de diviziune şi se aliniază la centrul celulei, formând placa metafazică sau placa ecuatorială. În metafază se poate determina numărul, forma şi mărimea cromozomilor, elemente ce definesc cariotipul unei specii.

Anafaza (ana = în urmă, gr.). Se caracterizează prin clivarea longitudinală a cromozomilor, după ce în prealabil s-a produs clivarea centromerilor. Cromozomii monocromatidici se deplasează cu centromerul înainte spre polii celulei. În anafază se asigură repartizarea aceleaşi informaţii genetice la celulele fiice, având în vedere faptul că cele două cromatide surori sunt identice.

Telofaza (telos = capăt, gr.). Este un proces invers profazei. În cursul telofazei fibrele fusului de diviziune dispar, iar cromozomii monocromatidici ajunşi la cei doi poli se despiralizează, se subţiază şi iau aspectul unui ghem (spirem). Are loc procesul de reconstituire a membranei nucleare şi a nucleotidelor.

Citochineza. În ţesuturile somatice, în condiţii normale, cariochineza este urmată de diviziunea citoplasmei.

La celula vegetală, care prezintă pereţi celulari rigizi, diviziunea citoplasmatică are loc prin apariţia la centrul celulei a unui corpuscul plasmatic denumit fragmoplast, de forma unui inel, care treptat îşi umple lumenul cu substanţe celulozo-pectice, care se transformă în perete celular.

La animale, citochineza constă în apariţia unei strangulaţii în zona ecuatorială a celulei, care asigură separarea celulelor fiice.

Anterior separării celulelor fiice are loc repartiţia organitelor citoplasmatice din celula mamă în citoplasma celor două celule fiice.

Ciclul celular, prin sporirea numărului de celule şi procesele de biosinteză ce le implică asigură creşterea organismului. În cadrul ciclului celular se asigură

15

Page 16: Suport Curs- Genetica

continuitatea genetică în ontogeneză, de la o celulă la alta, prin copierea mesajului genetic în interfază odată cu sinteza replicativă semiconservativă a ADN-ului şi repartizarea acestui mesaj în cantităţi riguros exacte celulelor fiice prin mecanismul mitozei, în anafază. În consecinţă, în privinţa informaţiei genetice nucleare, toate celulele sunt identice. Prin desfăşurarea mitozei se asigură, de asemenea, constanţa numerică, morfologică şi structurală a cromozomilor.

În cazul organismelor ce se multiplică vegetativ precum şi în cazul organismelor unicelulare prin desfăşurarea ciclului celular se asigură continuitatea genetică de la o generaţie la alta în filogeneză.

2.3.2. Ciclul celular meiotic şi semnificaţia sa genetică

Ciclul celular meiotic sau diviziunea meiotică este un tip particular de diviziune celulară, caracteristic organismelor ce se înmulţesc pe cale sexuată şi în urma căreia dintr-o celulă somatică cu 2n cromozomi se formează 4 celule fiice cu n cromozomi, diferite genetic între ele, diferite şi faţă de celula mamă de la au provenit.

Diviziunea meiotică se desfăşoară în celulele specializate, numite şi celule germinale, localizate în organele de reproducere. Acest tip de ciclu celular implică două diviziuni succesive, meioza I şi meioza II, interfaza fiind prezentă o singură dată, la începutul ciclului celular, având ca finalitate formarea gameţilor (fig.2.5.).

Meioza I (meioza primară, heterotipică sau reducţională). În meioza I are loc reducerea la jumătate a numărului de cromozomi, precum şi fenomene de recombinare genetică.

Diviziunea meiotică are aceleaşi faze ca şi diviziunea mitotică, atât pentru meioza I cât şi pentru meioza II, însă profaza I este mai complexă.

Profaza I. În această fază cromozomii parcurg o serie de procese sinaptice, ce se realizează în următoarele subfaze: letonem, zigonem, pachinem, diplonem şi diachineză.

În leptonem (leptos = subţire, gr.) nucleul se măreşte în volum, cromozomii apar sub forma unor filamente subţiri, în lungul cărora se pot distinge cromomerele.

În zigonem (zygosis = unire, gr.), cromozomii omologi, unul de provenienţă maternă şi altul de provenienţă paternă, se alătură şi se unesc doi câte doi, formând cromozomi bivalenţi. Fenomenul de conjugare a cromozomilor omologi se numeşte sinapsă. Împerecherea cromozomilor omologi este controlată genetic, realizându-se strict genă alelă la genă alelă şi se concretizează prin formarea complexului sinaptonemal, care permite realizarea recombinării genetice prin crossin-over.

Pachinemul (pachys = gros, gr.) se caracterizează prin condensarea cromozomilor, legătura dintre ei devine din ce în ce mai intimă, devenind posibile fenomenele de recombinare prin crossing-over.

Diplonemul (diplos = dublu, gr.) este definit de faptul că la fiecare bivalent se pot observa 4 cromatide, datorită tendinţei omologilor de a se separa, însă ei rămân uniţi la nivelul chiasmelor. Această configuraţie poartă denumirea de tetradă cromatidică.

16

Page 17: Suport Curs- Genetica

Diachineza (dia = prin, kinesis = mişcare, gr.) este reprezentată de condensarea şi scurtarea puternică a cromozomilor. Spaţiile dintre chiasme se măresc, chiasmele fiind deplasate spre extremităţile cromozomilor, fenomen denumit terminalizare.

La sfârşitul profazei I nucleolul şi membrana nucleară dispar, formându-se fusul nuclear, pe care se ataşează configuraţiile cromozomale bivalente.

Metafaza I. Cromozomii bivalenţi se aşează pe fibrele fusului de diviziune, orientaţi cu centromerii spre polii opuşi, formând placa ecuatorială. În metafază sunt vizibile încă chiasmele care leagă cromozomii fiecărei perechi.

Anafaza I. Legătura dintre cromozomii omologi se diminuează, nemaiexistând complexul sinaptonemal care să menţină bivalenţii, astfel că aceştia se separă în cromozomi bicromatici, ce migrează spre polii celulei. În anafaza I are loc reducerea la jumătate a numărului de cromozomi şi recombinarea genetică intracromozomală, datorită segregării libere a perechilor de cromozomi.

Telofaza I. Cromozomii, în număr haploid, se grupează în cei doi nucleoli, se formează membrana nucleară, se reorganizează nucleolii şi apar două celule haploide (o diadă).

Meioza a II-a (homotipică sau equaţională) este asemănătoare unei mitoze. Deoarece se petrece în celule cu număr haploid de cromozomi, mai poartă şi numele de mitoză haploidă. Deci, toate procesele şi etapele pe care le vor parcurge cromozomii sunt similare celor din mitoza normală.

Fiecare din cele patru celule nou formate, conţine combinaţii diferite de gene, asigurându-se astfel variabilitatea genetică.

Ciclul celular meiotic este, de fapt, un ciclu închis în sensul că celulele rezultate în urma meiozei nu mai reiau ciclul întrucât, la animale, acestea nu se mai divid urmând a funcţiona ca şi gameţi în procesul de fecundare, sau, la plante, suferă un număr limitat de diviziuni mitotice haploide în procesul de formare a gameţilor.

Ciclul celular meiotic contribuie la realizarea a două funcţii biologice majore: diversitatea lumii vii, asigurând variabilitatea genetică a gameţilor şi continuitatea genetică de la o generaţie la alta în procesul de fecundare, asigurând constanţa numărului de cromozomi a descendenţilor.

Variabilitatea genetică a gameţilor se asigură în cadrul proceselor de recombinare intracromozomală prin crossing-over în profaza meiozei I şi intercromozomală la nivelul setului haploid de cromozomi prin segregarea independentă a perechilor de cromozomi omologi în anafaza meiozei I.

17

Page 18: Suport Curs- Genetica

Fig. 2.5. Ciclul celular meiotic

18

Page 19: Suport Curs- Genetica

C a p i t o l u l 3

CICLUL DE VIAŢĂ ŞI RECOMBINAREA GENETICĂ

Prin ciclu de viaţă (evolutiv) se asigură continuitatea genetică de la o generaţie la alta în filogeneză şi cuprinde alternarea unor generaţii celulare haploide consecutive meiozei, în procesul de formare a gameţilor (gametogeneza) cu a unor generaţii celulare diploide, consecutive fecundării. Gradul de reprezentare a celor două generaţii celulare, haploidă şi diploidă, diferă la plante şi animale.

3.1. Ciclul de viaţă la animale

La animale generaţia haploidă este reprezentată exclusiv de celule sexuale, meioza suprapunându-se aproape în totalitate procesului de gametogeneză.

Gametogeneza la animale cuprinde spermatogeneza sau procesul de formare a gameţilor masculi şi ovogeneza sau procesul de formare a gameţilor femeli .

Spermatogeneza are loc în epiteliul germinal al tubilor seminiferi ale gonadelor (testicule) ce este alcătuit din celule diploide primordiale numite gonocite. Aceste celule cresc acumulând substanţe de rezervă şi prin diviziuni mitotice dau naştere spermatogoniilor care în urma unor procese fiziologice de maturare se diferenţiază în spermatocite de ordinul I capabile de a se divide meiotic. Spermatocitele de ordinul I suferă prima diviziune meiotică în urma căreia rezultă câte două spermatocite de ordinul II haploide (n) care în urma celei de a doua diviziuni meiotice formează câte patru spermatide. Spermatidele în urma unui proces de maturare (spermiogeneză) se transformă în celule spermatice sau spermatozoizi ce reprezintă propriu-zis gameţii masculi maturi.

Ovogeneza are loc în epiteliul germinal al gonadelor (ovare) ce este alcătuit din celule primordiale diploide numite gonocite. Acestea prin diviziuni mitotice dau naştere ovogoniilor care în urma unor procese fiziologice de maturare se diferenţiază în ovocite de ordinul I capabile de a se divide meiotic. Acestea suferă modificări profunde atât în citoplasmă cât şi în nucleu. Citoplasma creşte în volum iar nucleul ia o poziţie excentrică, ovocitul de ordinul I suferind prima diviziune meiotică în urma căreia rezultă două celule haploide diferite ca mărime: ovocitul de ordinul II, care primeşte aproape toată citoplasma, şi primul globul polar, cu foarte puţină citoplasmă. În urma celei de a doua diviziuni meiotice ovocitul de ordinul II dă naştere, de asemenea, la două celule simetrice, ovotida ce înglobează aproape toată citoplasma şi al doilea globul polar, care se alătură celorlalte două celule asemănătoare rezultate în urma celei de a doua diviziuni meiotice a primului globul

19

Page 20: Suport Curs- Genetica

polar. Ovotida în urma unui proces de maturare se transformă în ovul ce reprezintă gametul femel matur. Ambele tipuri de globuli polari se resorb în ţesuturile ovariene şi nu participă la fecundaţie. Ovulul conţine o cantitate incomparabil mai mare de citoplasmă comparativ cu spermatozoidul.

Fecundaţia (fecundus = roditor, lat.) reprezintă un proces fiziologic complex ce constă în unirea a două celule specializate haploide (gameţi) cu potenţe diferite (masculă şi femelă), urmată de contopirea nucleilor lor (cariogamie), în urma căreia rezultă o celulă nouă diploidă, zigotul ce va da naştere noului individ. Cariogamia se realizează în prima metafază a diviziunii nucleilor dicarionului. La animale fecundaţia este simplă, spermatozoidul unindu-se cu ovula. În cadrul acestui proces capul spermatozoidului, ce cuprinde mai ales nucleul, pătrunde în ovul, în timp ce coada, care conţine aproape întreaga citoplasmă, rămâne afară, degenerând rapid. Organismul ce urmează a se forma va avea o ereditate unică, dar provenită de la formele parentale prin intermediul gameţilor. Prin diviziuni mitotice zigotul va da naştere noului organism, evident în cadrul unui proces complex de diferenţiere celulară, organism diploid care la maturitate, în urma meiozei va forma din nou gameţi haploizi, încheind astfel de viaţă.

Fecundaţia are o semnificaţie deosebită. Prin fecundaţie se reface starea diploidă. În procesul de fecundaţie, prin unirea întâmplătoare a diferitelor tipuri de gameţi se poate asigura o mare variabilitate a descendenţilor. Dacă considerăm o specie cu "n" perechi de cromozomi, aceasta poate să producă în urma meiozei 2n

tipuri genetice de gameţi care uniţi în procesul de fecundare nedescriminatoriu, cu aceeaşi probabilitate, poate să dea naştere la 2n x 2n zigoţi şi deci indivizi diferiţi. La om de pildă, deoarece numărul diploid de cromozomi 2n =46, numărul posibil al tipurilor genetice de gameţi este 223 = 8.388.608 iar numărul posibil al tipurilor de zigoţi este enorm (223 x 223). Deci fecundaţia producându-se şi ea randomizat, amplifică şi mai mult variabilitatea genetică rezultată în urma meiozei.

Trebuie subliniat faptul că deşi contribuţia celor doi gameţi în procesul de fecundaţie, în ceea ce priveşte genele nucleare, este egală, în ceea ce priveşte genele citoplasmatice gametul femel are o pondere mult mai importantă de aceea caracterele controlate de gene citoplasmatice se transmit predominant pe linie maternă.

3.2. Ciclul de viaţă la plante

La plante gradul de reprezentare a nivelului haploid şi diploid diferă în raport cu poziţia pe care o ocupă un anumit grup de plante pe scară evolutivă.

În urma meiozei rezultă celule haploide, care nu reprezintă gameţi ca şi în cazul animalelor ci spori din care în urma unor mitoze haploide succesive va rezulta gametofitul (generaţia haploidă), formaţiunea care va da naştere sau va cuprinde gameţii. Gameţii în urma procesului de fecundaţie vor da naştere zigotului diploid şi apoi prin diviziuni mitotice succesive se va forma sporofitul (generaţia diploidă), care în urma meiozei va produce din nou celule haploide (sporii), încheindu-se astfel ciclu de viaţă.

20

Page 21: Suport Curs- Genetica

3.2.1. Ciclul de viaţă la ciuperci

Neurospora crassa, o ciupercă din clasa Ascomycetes este una din speciile mult utilizate în cercetările de genetică, fapt pentru care ciclul său de viaţă este foarte bine cunoscut.

În urma meiozei rezultă celule haploide numite ascospori care prin germinare, în urma unor mitoze haploide succesive vor da naştere gametofitului haploid, foarte bine reprezentat prin însăşi miceliul ciupercii (corpul ciupercii). Acesta se poate multiplica şi vegetativ prin spori asexuaţi sau conidii. Miceliul haploid va da naştere, în corpi de fructificaţie numite protoperitecii, gameţilor, masculi şi femeli. Trebuie precizat faptul că miceliul este de două tipuri (A şi a) care nu se deosebesc morfologic dar acre se comportă ca având potenţialităţi sexuale diferite, fecundaţia fiind sub controlul alelelor A şi a. În procesul de fecundaţie are loc mai întâi plasmogamia adică fuziunea citoplasmei celor doi gameţi cu formarea unei celule cu doi nuclei numită dicariont. Dicariontul se poate divide mitotic de câteva ori formând filamentele ascogene tot dicarionte. În urma fuzionării nucleilor prin singamie rezultă zigotul sau asca, adică sporofitul diploid. Nucleul ascei se divide meiotic şi formează patru nuclei haploizi. Fiecare nucleu se mai divide odată mitotic astfel că rezultă opt nuclei haploizi care după ce se înconjoară cu citoplasmă şi membrană celulară se diferenţiază în ascospori, încheind astfel ciclul de viaţă. Faptul că cei opt ascospori din fiecare ască sunt dispuşi în ordinea formării lor uşurează efectuarea experienţelor de analiză genetică, oferind posibilitatea evidenţierii directe a raporturilor de segregare gametofitică.

3.2.2. Ciclul de viaţă la plantele superioare

Pentru ilustrarea acestui proces se va prezenta ciclul de viaţă la porumb .S-a arătat că meioza este caracteristică procesului de formare a gameţilor

(gametogeneza) însă în urma meiozei la plantele superioare rezultă spori. În cazul în care din spori, în procesul de gametogeneză urmează a se forma gameţi masculi, sporii se mai numesc microspori iar procesul de meioză în urma căruia rezultă se numeşte microsporogeneză. Microsporogeneza se realizează la celulele specializate diploide diferenţiate din ţesutul subepidermal al anterelor, celule numite microscporocite.

În cazul în care de la spori, în procesul de gametogeneză urmează a se forma gameţi femeli, sporii se mai numesc mega sau macrospori iar procesul de meioză în urma căruia rezultă se numeşte mega sau macrosporogeneză. Megasporogeneza are loc la celulele specializate diploide diferenţiate din ţesutul generativ al ovulului, celule numite megasporocite.

Gametogeneza la plantele superioare cuprinde microgameto-geneza sau procesul de formare a gameţilor masculi şi mega sau macrogametogeneza adică procesul de formare a gameţilor femeli.

Microgametogeneza se realizează în urma a două diviziuni mitotice haploide pe care le suferă nucleul fiecărui microspor. În urma primei diviziuni mitotice rezultă doi nuclei haploizi şi anume nucleul generativ şi cel vegetativ. Cea de-a doua diviziune o suferă numai nucleul generativ în urma căreia rezultă alţi doi nuclei haploizi sau spermatiile ce reprezintă de fapt gameţii masculi. Microsporul împreună cu cei trei

21

Page 22: Suport Curs- Genetica

nuclei haploizi, în urma unui proces de maturare se diferenţiază în grăunciori de polen sau gametofitul mascul.

Megagametogeneza se realizează în urma a trei diviziuni mitotice haploide pe care le suferă nucleul unui singur megaspor din cadrul celor patru rezultaţi în urma meiozei. Ceilalţi trei se resorb. În urma celor trei diviziuni mitotice rezultă opt nuclei haploizi dintre care doi urmează a fuziona pentru a forma nucleul secundar diploid, trei nuclei se repartizează în apropierea micropilului reprezentând oosfera cu cele două sinergide, iar trei nuclei la polul opus reprezintă antipodele. Megasporul împreună cu nucleii menţionaţi reprezintă sacul embrionar al ovulului sau gametofitul femel. Elementele sexuale propriu-zise sunt reprezentate de oosferă şi nucleul secundar.

Fecundaţia la plantele superioare (Angiosperme), cum este şi cazul porumbului, este dublă. După germinarea grăunciorilor de polen pe stigmat, prin tubul polenic ce străbate stilul spermatiile ajung în sacul embrionar unde una va fuziona cu nucleul secundar rezultând un nucleu triploid de la care se va diferenţia endospermul, iar cea de-a doua spermatie va fuziona cu oosfera rezultând zigotul diploid de la care se va forma embrionul şi apoi planta întreagă (sporofitul). În ţesutul generativ al anterelor şi ovarelor celulele specializate vor intra din nou în diviziune meiotică în urma căreia vor rezulta sporii, încheindu-se astfel ciclul de viaţă.

Menţionăm faptul că la Gimnosperme precum şi la celelalte plante inferioare, ca şi în cazul animalelor, fecundaţia este simplă.

3.3. Semnificaţia biologică şi genetică a ciclului de viaţă

Prin ciclul de viaţă se asigură legătura între generaţii, constanţa numărului de cromozomi şi continuitatea genetică de la o generaţie la alta în filogeneză.

Ciclul de viaţă, prin fenomenele de recombinare genetică ce se realizează în cadrul meiozei şi a procesului de fecundare, reprezintă o importantă sursă de variabilitate genetică, asigurând “materia primă” pentru evoluţie în cadrul procesului de selecţie naturală.

Sporirea fazei diploide la plantele superioare a însemnat un important salt evolutiv, conferind mai multă stabilitate speciilor în procesul de evoluţie. Starea diploidă permite acumularea în stare recesivă a unei importante rezerve de gene. Uneori mutaţii recesive cu efecte detrimentale în condiţii obişnuite de mediu, se pot dovedi utile în condiţii de mediu schimbate, contribuind la supravieţuirea speciei.

Faza diploidă foarte bine reprezentată la ciuperci prin însăşi corpul ciupercii şi mai puţin reprezentată la ferigi (prin protal) sau la muşchi (prin protonemă), este mult mai susceptibilă influenţelor condiţiilor de mediu conferind speciilor o stabilitate mai redusă. Orice modificare a informaţiei genetice se poate manifesta plenar imediat după producere, neexistând alele dominante care să mascheze eventualele efecte negative ale acestor modificări. Ca o consecinţă directă, variabilitatea fenotipică şi genetică la aceste organisme este deosebit de mare, variabilitatea ce ar putea constitui şansa supravieţuirii speciei în condiţii de mediu schimbate (DARLINGTON, 1963).

22

Page 23: Suport Curs- Genetica

3.4. Ciclul de viaţă la microorganisme

Dacă ciclul de viaţă este privit sub aspectul consecinţelor lui şi anume aspectul recombinării genetice care o determină, se poate vorbi de ciclu de viaţă şi la microorganisme, bacterii şi virusuri, deşi acestea nu prezintă o meioză şi o fecundaţie caracteristică (SRB şi colab., 1965).

3.4.1. Ciclul de viaţă la virusuri

În cele ce urmează ne vom referi mai în detaliu la ciclul de viaţă a bacteriofagilor, virusurile celulelor bacteriene, deoarece la aceştia ciclul de viaţă a fost studiat mai în detaliu, bacteriofagii fiind direct implicaţi în unele fenomene de recombinare genetică bacteriană.

Bacteriofagii, posibil şi alte virusuri, pot să prezinte două tipuri de cicluri de viaţă: ciclul de viaţă litic şi ciclul de viaţă lizogenic.

Ciclul de viaţă litic, specific anumitor tipuri de fagi numiţi virulenţi, se caracterizează prin însuşirea acestora de a produce, după multiplicarea lor, liza celulei bacteriene gazdă.

Fazele ciclului de viaţă litic sunt următoarele : Adsorbţia fagilor la suprafaţa celulei bacteriene, fagii fixându-se de celula

bacteriană prin intermediul fibrelor cozii; Infecţia prin “injectarea” materialului genetic în celula bacteriană; Eclipsa (faza vegetativă), fază în care fagii nu pot fi observaţi deoarece

în celula bacteriană a pătruns numai materialul genetic de dimensiuni moleculare. În această fază are loc depolimerizarea ADN din celula gazdă cu ajutorul dezoxiribonucleazei sintetizată pe baza informaţiei genetice virale, precum şi sinteza acizilor nucleici virali şi a proteinelor virale structurale ce participă la formarea capsidei. Concomitent are loc şi sinteza lizozimului, enzimă ce va determina liza bacteriei în faza următoare.

Liza este faza în care, sub acţiunea lizozimului, celula bacteriană este lizată eliberând fagii maturi capabili de noi infecţii, încheindu-se astfel ciclul litic de viaţă.

Ciclul de viaţă lizogenic, specific anumitor tipuri de fagi temperaţi simbiotici sau lizogeni (de exemplu fagul lambda), se caracterizează prin proprietatea acestora, de fapt a materialului lor genetic, de a se integra în cromozomul bacterian sub formă de profag. Integrarea în cromozomul bacterian este consecinţa unui crossing over, adică a unei recombinări genetice unice, fenomen numit reducţie. La virusul lambda ataşarea şi apoi integrarea este specifică la situl att (attachment, engl.) al bacteriei Echerichia coli, între genele gal şi trp. Profagul se replică odată cu cromozomul bacterian, genele proprii pentru sinteza proteinelor structurale fiind represate, lizogenia fiind transmisă următoarelor generaţii celulare.

Bacteriile ce poartă fagi integraţi (profagi) se numesc bacterii lizogene, deoarece în condiţii speciale, sub acţiunea unor substanţe mutagene (mitomicina, azot-iperite) sau a razelor ultraviolete, mai rar spontan, sunt capabile de a produce liza bacteriei, în urma exciziei profagilor din cromozomul bacterian şi sintezei particulelor

23

Page 24: Suport Curs- Genetica

fagice mature. Acest fenomen se mai numeşte inducţia (inducţia profagului). Inducţia se datorează blocării sintezei ADN-ului celulei gazdă şi implicit al represorului ce blochează informaţia genetică a fagului, astfel că condiţia lizogenă nu mai poate fi menţinută. Inducţia mai poate fi consecinţa conjugării unei bacterii lizogene cu o bacterie nelizogenă, dacă bacteria lizogenă este donor. În aceste condiţii bacteria lizogenă poate transfera odată cu cromozomul bacterian şi profagul. Deoarece în bacteria receptor represorul lipseşte urmează excizia profagului, formarea particulelor virale mature şi liza bacteriei. Această inducţie se mai numeşte inducţie zigotică fiind consecinţa unirii a două celule prin conjugare.

3.4.2. Recombinarea genetică la virusuri

Fenomenul de recombinare genetică la virusuri a fost pus în evidenţă pentru prima dată de către DELBRÜCK şi HERSEY în anul 1946, independent unul de celălalt (după TUDOSE, 1982). Pentru aceasta au fost efectuate infecţii mixte cu mutante ale fagului T2 (r‾h+ x r+h‾). Mutanta r‾ (rapid, engl.)provoacă o liză rapidă a celulelor bacteriene de E.coli pe care le parazitează, provocând pe mediul de cultură plaje de liză mari cu marginile clare, fără halou spre deosebire de tipul sălbatec care formează plaje de liză mici cu halou. Mutanta h‾ (host range =şirul de gazde, engl.) are capacitatea de a liza atât suşa de E.coli, în mod obişnuit sensibilă la infecţia fagică, cât şi suşa B2, în mod obişnuit rezistentă la infecţia fagică. Tipul sălbatec h+ nu este capabil de a infecta numai suşa B. Prin infectarea unei culturi de E.coli în amestec de suşe, formele parentale (fagii) pot să determine următoarele fenotipuri (aspect al plajelor de liză):

Forma parentală (r‾h+) determină plaje mari, ca urmare a prezenţei genei mutante r‾ ce determină liza rapidă a bacteriilor, dar tulburi deoarece gena sălbatecă h+

nu permite liza bacteriilor aparţinând suşei B2 care determină aspectul mat al plajei;Forma parentală (r+h‾) determină plaje mici, ca urmare a prezenţei genei

sălbatice r+ ce determină liza înceată a bateriilor, dar clare deoarece gena mutantă h‾ permite liza ambelor suşe bacteriene. Spre surprinderea cercetătorilor s-au obţinut şi fenotipuri recombinate care manifestau câte una din caracteristicile fiecărei gene parentale după cum urmează:

- plaje mari clare, probabil datorită prezenţei genelor r‾h‾, genotip recombinat;- plaje mici tulburi, probabil datorită prezenţei genelor r+h+, genotip recombinat.

De regulă acestea sunt gene mutante condiţionat letale care în anumite condiţii, de temperatură de exemplu, în cazul mutantelor termosensibile (ts), determină moartea organismului (fagului), datorită incapacităţii de a începe sinteza ADN sau datorită incapacităţii de a forma fibrele cozii în cazul în care este afectată gena responsabilă de acest caracter ş.a. După cum s-a demonstrat harta genetică la fagul T4 este circulară.

3.4.3. Recombinarea genetică la bacterii

24

Page 25: Suport Curs- Genetica

La bacterii recombinarea genetică presupune un transfer de material genetic de la o bacterie la alta. Acest transfer se poate realiza pe patru căi, prin transformare bacteriană, conjugare bacteriană, sexducţie (F ducţie) şi transducţie. Indiferent de calea prin care se realizează transferul materialului genetic prezintă câteva caracteristici mai generale:

Transferul de material genetic este unidirecţional, de la o formă donoare la una receptoare;

Transferul este secvenţial, putând să fie transferate gene izolate sau fragmente cromozomale ce înglobează mai multe gene;

În mod obişnuit materialul genetic transferat (exogenotul) se integrează pe bază de omologie prin crossing over unilateral în locul materialului genetic propriu celulei gazdă (endogenot), având ca şi consecinţă genetică recombinarea. Înaintea realizării integrării, materialul genetic ce corespunde exogenotului este prezent în stare diploidă formând merozigotul. La nivelul unui locus alelele pot fi identice (homogenote) sau diferite (heterogenote).

Pentru punerea în evidenţă a recombinaţilor (formele recombinate) este necesar să se lucreze cu tulpini bacteriene marcate şi cu anumite medii de selecţie.

Ca markeri genetici se pot utiliza unele gene mutante ce controlează unele caractere individuale şi clonale.

Caracterele individuale pot fi caractere morfologice: forma celulei, dimensiunile ei, pigmentaţia,

particularităţi ale peretelui celular; caractere biochimice: particularităţi ale compoziţiei chimice ale celulei

evidenţiate prin metode de colorare, prezenţa unor pigmenţi.Caractere clonale ale coloniei de indivizi sau a clonelor, pot fi: caractere morfologice: forma, dimensiunile, caracterul suprafeţei sau

culoarea coloniei; caractere biochimice şi culturale: capacitatea de a elimina în mediu unele

substanţe; tipul de respiraţie; tipul de nutriţie; auxotroficitatea (necesitatea celulelor faţă de anumiţi factori de creştere – aminoacizi, vitamine, baze azotate ale acizilor nucleici – pe care celula, spre deosebire de formele sălbatece prototrofe, nu este capabilă să-i sintetizeze astfel că trebuie adăugaţi la mediul minimal); reacţia faţă de factorii fizici ai mediului (temperatura, lumina); rezistenţa la antimetaboliţi şi antibiotice; unele reacţii biologice ca patogenitatea faţă de alte organisme, specificitatea virusurilor în raport cu gazda, rezistenţa la fagi;

caractere imunologice: însuşiri antigenice (capacitatea de induce formarea de anticorpi); specificitatea serologică (reacţia de aglutinare şi precipitare a celulelor prin amestec cu anumite seruri),

În experienţele de recombinare genetică la bacterii frecvent se utilizează mutanţi auxotrofi complementari, în amestec pe un anumit mediu minimal de selecţie pe care nici una din colonii nu se poate dezvolta. De exemplu, dacă se cultivă împreună mutante auxotrofe leucin dependente cu forme mutante metionin dependente ce au formula genetică: leu‾ met+ respectiv leu+ met‾, pe un mediu de selecţie deficitar în leucină şi metionină, coloniile care se dezvoltă pe acest mediu nu pot fi decât rezultatul recombinării genetice având formula genetică leu+ met+.

25

Page 26: Suport Curs- Genetica

1. Transformarea bacteriană ca primă cale de realizare a recombinării genetice, reprezintă modificarea ereditară a unor bacterii prin intermediul unor fragmente de ADN străin (exogen), provenit de la o altă tulpini bacteriană înrudită.

Fenomenul transformării bacteriene a fost observat pentru prima oară de GRIFFITH (1928) în cadrul experienţelor cu pneumococi (Diplococcus pneumoniae) efectuate pe şoareci. În experienţă a utilizat două suşe de pneumococi: virulenţi care formează colonii netede capsulate de tipul serologic S III (smooth = neted, engl.) care prin inoculare îmbolnăveşte animalele şi nevirulenţi ce formează colonii rugoase datorită absenţei capsulei polizaharidice de tipul serologic R II (rough = rugos, engl.) care prin inoculare nu îmbolnăveşte animalele. În urma inoculării unor şoareci cu un amestec de pneumococi vii de tip R II şi pneumococi de tip S III omorâţi prin căldură, în mod neaşteptat şoarecii s-au îmbolnăvit iar din sângele lor s-au izolat pneumococi vii de tipul S III. Se pare că tipul virulent, deşi omorât, a donat capacitatea de infecţie tipului nevirulent. Transformarea este o hibridare bacteriană de tip primitiv care se efectuează prin tarnsferul determinanţilor genetici ai unor caractere de la o bacterie donor la o bacterie receptor prin intermediul ADN-ului în cadrul unui proces de crossing over unilateral ce are ca şi consecinţă recombinarea genetică. Pentru ca transformarea să aibă loc bateria receptoare trebuie să se găsească într-o stare fiziologică particulară numită “competenţă”.

Transformarea este un proces complex care se petrece în mai multe faze: adsorbţia sau fixarea fragmentului de ADN la suprafaţa celulei receptoare

care posedă receptori specializaţi acestei funcţii. Fragmentul de ADN implicat în transforma nu reprezintă decât 0,5% din genomul bacteriei receptoare;

penetraţia fragmentului de ADN în celula receptoare care devine rezistent la dezoxiribonuclează;

eclipsa este faza în care fragmentul de ADN dublu catenar este desfăcut, sub acţiunea unei endonucleaze, una din catene urmând a fi degradată enzimatic.

integrarea fragmentului de ADN monocatenar al donorului în molecula de ADN a receptorului, pe bază de omologie prin crossing over unilateral la nivel molecular. Catena omoloagă a endogenotului este excizată enzimatic, fragmentul ADN al donorului (exogenotul) fiind integrat în cromozomul bacterian sub acţiunea ligazei în condiţiile sintezei ADN reparatorii, cu formarea temporară a unui heteroduplex, heterogenot pentru alelele implicate în transformare. În timpul replicării ulterioare vor rezulta molecule de ADN segregante, homogenote de tipul donorului şi homogenote de tipul receptorului (fig.3.7.).

Frecvenţa cu care se realizează transformarea la bacterii este, de regulă, foarte redusă, sub 1%, frecvenţa fiind mai mică în cazul speciilor mai puţin înrudite. Capacitatea de transformare a ADN-ului între specii demonstrează gradul de înrudire filogenetică a acestor specii. În cazul în care datorită lipsei de omologie ADN-ul nu se integrează în ADN-ul receptorului, genele donorului nu funcţionează.

Frecvenţa de recombinare prin transformare este funcţie şi de distanţa dintre gene, fapt ce poate permite întocmirea hărţilor genetice, distanţa între gene fiind exprimată în unităţi procente de recombinare.

Sub aspect teoretic fenomenul de transformare constituie un argument de bază în favoarea rolului genetic al ADN-ului, ca purtător şi transmiţător al informaţiei

26

Page 27: Suport Curs- Genetica

genetice. De asemenea prin determinarea frecvenţei de recombinare pe baza fenomenului de transformare au putut fi întocmite hărţi genetice la bacterii.

2. Conjugarea bacteriană este un proces sexuat de unire a două celule bacteriene, una masculă şi alta femelă, prin intermediul unor punţi citoplasmatice, urmată de transferul unidirecţional de material genetic, ce poate să aibă ca şi consecinţă recombinarea genetică. Bacteria masculă se caracterizează prin prezenţa unor plasmide numite factor de fertilitate F fiind notată (F+), celula femelă nu conţine astfel de plasmide fiind notată (F‾). Transferul de material genetic se face de la celula masculă spre cea femelă.

Materialul genetic transferat poate fi reprezentat din plasmide, cromozomul bacterian împreună cu factorul de fertilitate integrat sau factorul de fertilitate împreună cu un număr limitat de gene cromozomale.

În cazul transferului plasmidelor bacteriene de tipul F celula femelă devine masculă (F+).

În cazul transferului cromozomului bacterian împreună cu factorul de fertilitate integrat, rezultă ca şi consecinţă recombinarea genetică cu o frecvenţă destul de mare, de aceea bacteriile ce posedă factorul de fertilitate F integrat în cromozomul bacterian se mai numesc bacteriile Hfr (high frequency recombination = înaltă frecvenţă de recombinare, engl.). Acest fenomen de recombinare genetică a fost descoperit în legătură cu faptul că în culturile mixte de mutanţi auxotrofi au apărut tulpini prototrofe cu o frecvenţă mult mai mare decât se putea presupune în urma fenomenului mutaţional. Transferul se realizează în cadrul procesului de replicare a ADN-ului, în celula femelă fiind transferată o copie a cromozomului bacterian din celula masculă, reprezentată prin ADN monocatenar. În urma acestui transfer cromozomul din celula receptoare se găseşte într-o stare de diploidie parţială şi temporară numită merozigot. În urma unui proces de crossing over unilateral genele exogenotului sunt integrate în ADN-ul celulei receptoare (endogenot).

Transferul începe, întotdeauna, de la un punct de origine notat 0, situat în apropierea locului de integrare a factorului F, ultimul care se transferă fiind acest factor.

3. Sexducţia (F ducţia) reprezintă transferul de material genetic de la o celulă bacteriană la alta prin intermediul factorului de fertilitate F modificat (F'). Modificarea constă în faptul că acesta poate să poarte câteva gene cromozomale. Factorul F' provine prin detaşarea factorului F din cadrul cromozomului bacterian al tulpinilor Hfr, în urma căreia acest factor poate să preia un anumit număr de gene cromozomale. Genele transferate receptorului pot fi integrate în cromozomul acestuia în urma unui proces de crossing over unilateral, conducând la apariţia recombinării genetice.

Fenomenul de sexducţie a fost depistat în legătură cu faptul că în cadrul experienţelor de conjugare la E.coli transferul genei lac s-a produs mult mai devreme decât se aştepta pe baza poziţiei ei în grupul linkage.

Celulele bacteriene care poartă factorul F' pot fi convertite în celule Hfr în urma integrării acestui factor în cromozomul bacterian.

Transferul de material genetic reprezentat de gene izolate mai poate fi realizat şi de către alte plasmide cum ar fi plasmida Cf ce poartă informaţia genetică necesară pentru sinteza colicinelor (substanţe proteice prezente la E.coli cu efecte nocive asupra altor bacterii înrudite) sau plasmide RTF (factorul de transfer al rezistenţei la

27

Page 28: Suport Curs- Genetica

antibiotice). Plasmida RTF mediază transferul genelor de rezistenţă la antibiotice (R), având uneori capacitatea de a se integra în cromozomul bacterian. În urma detaşării de acesta poate prelua şi alte gene pe care le poate transfera unei bacterii receptoare în genomul căreia pot fi integrate prin crossing over unilateral.

Conjugarea bacteriană are o importanţă deosebită datorită fenomenelor de recombinare genetică pe care le favorizează şi care reprezintă o sursă foarte importantă de variabilitate în procesul de evoluţie.

În urma experienţelor de conjugare bacteriană au putu fi întocmite hărţi genetice la bacterii. Hărţile genetice obţinute pe baza rezultatelor determinate de conjugarea întreruptă sunt similare cu acelea alcătuite pe baza analizei frecvenţei de recombinare.

4. Transducţia reprezintă transferul de material genetic de la o celulă bacteriană la alta mediat de fagi, transfer ce poate să aibă ca şi consecinţă genetică recombinarea.

Ca şi agenţi transductanţi pot funcţiona numai fagii temperaţi (lizogeni), transducţia realizându-se de la o baterie donor lizogenă la o bacterie receptor neliozogenă. În cadrul procesului de inducţie fagică fagii eliberaţi din starea de profag pot să preia una sau mai rar două gene din cromozomul bacterian pe care le poate transfera unor baterii receptoare nelizogene.

Cantitatea de material genetic transferat prin transducţie este foarte mică, nedepăşind 1% din cromozomul bacterian. De cele mai multe ori se transferă o singură genă şi mai rar două. Fenomenul prin care două gene sunt transferate concomitent se numeşte cotransducţie. Frecvenţa fenomenului de cotransducţie este funcţie de distanţa dintre gene, fiind cu atât mai mare cu cât genele sunt mai apropiate. Pe această bază au putut fi întocmite hărţi genetice la bacterii.

Transducţia poate să fie de patru feluri în raport cu specificitatea fenomenului şi posibilitatea integrării genei transferate în cromozomul bacterian al celulei receptoare: transducţie specializată; transducţie generalizată; transducţie completă; transducţie abortivă.

Transducţia specializată presupune transferul specific a anumitor gene, fagul integrându-se în cromozomul bacteriei donoare pe bază de omologie, gena transferată fiind integrată în cromozomul bacteriei receptoare tot pe bază de omologie, prin crossing over unilateral.

Transducţia generalizată presupune transferul nespecific al diferitelor gene bacteriene, integrarea acestora în cromozomul bacteriei donoare făcându-se nespecific, pe bază de întâmplare. Gena transferată este, de regulă, integrată în cromozomul bacteriei receptoare tot pe bază de crossing over unilateral.

Transducţia completă caracterizată prin integrarea genelor bacteriene transferate de fagi în genomul bacteriei receptoare, gene care vor intra în aparatul genetic al acestora funcţionând normal, exprimându-se fenotipic ca orice genă proprie, fapt ce conduce la manifestarea fenomenelor recombinative.

Transducţia abortivă caracterizată prin faptul că genele bacteriene transferate nu se integrează în cromozomul bacteriei receptoare. Aceste gene nu se pot replica dar pot să funcţioneze în procesul de transducţie manifestându-se fenotipic. Segmentul de ADN neinclus în cromozomul bacterian, neavând posibilitatea de replicare, se transmite câteva generaţii şi numai la una din celulele fiice. Din această cauză pe un

28

Page 29: Suport Curs- Genetica

mediu minimal se formează colonii mai mici numărul de celule care pot să supravieţuiască fiind mai mic, rezumându-se doar la celulele ce poartă genele transferate care fiind în stare diploidă se manifestă ca gene dominante în stare heterozigotă.

Fenomenul de transducţie, ca şi celelalte fenomene de recombinare genetică la bacterii prezintă importanţă datorită fenomenelor de recombinare pe care le poate produce şi care contribuie la sporirea variabilităţii speciilor.

După cum s-a mai arătat, pe baza fenomenului de cotransducţie este posibilă întocmirea hărţilor genetice la bacterii.

29

Page 30: Suport Curs- Genetica

C a p i t o l u l 4

EREDITATEA MENDELIANĂ

În concepţia geneticii clasice, caracterele sunt particularităţi morfologice ale unui organism, iar însuşirile se referă la particularităţile fiziologice. La rândul lor, caracterele pot fi calitative şi cantitative.

Caracterele calitative sau caracterele mendeliene sunt acelea care prezintă fenotipuri distincte, contrastante, cum ar fi: culoarea florilor şi a seminţelor, forma frunzei, prezenţa sau absenţa aristelor, pubescent-nepubescent etc.

Caracterele cantitative se referă la particularităţile care pot fi măsurate şi cuantificate, de exemplu: talia plantelor, masa fructelor, număr de boabe în spic, conţinut în proteine etc.

Caracterele calitative sau caracterele mendeliene sunt acelea care prezintă fenotipuri distincte, contrastante, cum ar fi: culoarea florilor şi a seminţelor, forma frunzei, prezenţa sau absenţa aristelor, pubescent-nepubescent etc.

Caracterele cantitative se referă la particularităţile care pot fi măsurate şi cuantificate, de exemplu: talia plantelor, masa fructelor, număr de boabe în spic, conţinut în proteine etc..

4.1. Transmiterea ereditară a caracterelor calitative

Când se urmăreşte transmiterea ereditară a caracterelor, trebuie stabilit determinismul genetic, influenţa mediului înconjurător, variabilitatea şi modul de analiză al transmiterii ereditare.

Determinismul genetic în cazul caracterelor calitative este monogenic (adică o genă determină un caracter) sau oligogenic (un număr mic de gene două sau trei – realizează un caracter). Genele care controlează caracterele calitative sunt gene majore, deoarece contribuţia fiecăreia asupra fenotipului este evidentă, puternică.

Genele care controlează caracterele calitative sunt puţin influenţate în expresia lor fenotipică de condiţiile de mediu sau chiar deloc.

Caracterele calitative prezintă o variabilitate discontinuă, contrastantă, alternativă, adică indivizii din generaţiile segregante pot fi grupaţi în clase fenotipice distincte, într-o anumită proporţie, proporţie care defineşte raporturile de segregare.

30

Page 31: Suport Curs- Genetica

Analiza transmiterii ereditare se face în experienţe de analiză genetică, care presupune hibridarea şi analiza transmiterii caracterelor sau însuşirilor de la părinţi la urmaşi. Hibridarea este încrucişarea pe cale sexuată a unor organisme care se deosebesc între ele prin una, două, trei sau mai multe trăsături individuale, distincte, bine conturate şi analiza descendenţilor obţinuţi.

Indivizii care se supun încrucişării se numesc genitori sau părinţi şi se notează cu “P”. Hibrizii care se obţin din încrucişarea părinţilor constituie prima descendenţă sau prima generaţie hibridă şi se notează cu F1 (filiaţia întâi). Generaţiile care vor rezulta prin autofecundare sau încrucişarea indivizilor hibrizi din F1 se notează cu F2, descendenţii lor cu F3 ş.a.m.d.

Transmiterea monogenică

În cazul transmiterii monogenice, specifice caracterelor calitative, un caracter este determinat de o singură genă. Există situaţii când o genă poate controla mai multe caractere (pleiotropia) sau când un caracter este determinat de un număr mare de gene (caracterele cantitative).

După tipul relaţiilor ce se stabilesc între genele alele (relaţii de alelism), transmiterea monogenică poate fi dominantă, intermediară şi parţial dominantă, codominantă şi supradominantă.

4.1.1. Transmiterea dominantă (tip Pisum)

În cazul transmiterii dominante, la un organism heterozigot, între genele alele se stabilesc relaţii de dominanţă şi recesivitate, în sensul că alela recesivă nu se manifestă, fiind mascată de alela dominantă. În acest caz hibridul F1 (Aa) are acelaşi fenotip cu părintele homozigot dominant (AA) sau altfel spus Aa = AA (din punct de vedere fenotipic).

Monohibridarea constă în încrucişarea a doi indivizi din aceeaşi specie, care se deosebesc între ei printr-un singur caracter.

Mendel a încrucişat două soiuri de mazăre, unul cu bobul neted şi altul cu bobul zbârcit. În prima generaţie hibridă, uniformă, au apărut numai boabe netede. Acest caracter a fost denumit dominant, în timp ce caracterul bob zbârcit, care nu a apărut în prima generaţie a fost numit recesiv.

În generaţia a doua (F2) indivizii formaţi au fost: 75% plante cu boabe netede şi 25% plante cu boabe zbârcite, deci o segregare fenotipică în raportul 3:1. Prin autofecundarea plantelor din F2 s-a obţinut generaţia F3 care şi-au manifestat caracterul respectiv astfel:

- 25% din plante cu boabe netede au dat în generaţia F3 şi în generaţiile următoare numai plante cu boabe netede;

- 50% din plante, tot cu boabe netede, au dat în F3 descendenţi cu boabe netede şi zbârcite în raportul de 3:1, exact ca şi hibrizii din F1;

- 25% din plante, având boabe zbârcite, au dat în F3 şi în generaţiile următoare numai plante cu boabe zbârcite.

31

Page 32: Suport Curs- Genetica

Din punct de vedere genotipic, în F2 segregarea se produce în raportul 1:2:1 (1 homozigot dominant AA, 2 heterozigot Aa, 1 homozigot recesiv aa), iar din punct de vedere fenotipic raportul este de 3:1.

Rezultatele obţinute la monohibridare i-au permis lui Mendel formularea primelor legi ale eredităţii:

1. legea uniformităţii primei generaţii hibride datorită dominanţei şi recesivităţii;

2. legea separării factorilor eredităţii în procesul de formare a gameţilor, care consideră că gameţii sunt puri din punct de vedere genetic, nefiind influenţaţi de coabitarea lor în organismul hibrid.

Se remarcă faptul că în cazul transmiterii dominante heterozigoţii nu se pot deosebi de homozigoţii dominanţi. Pentru a putea stabili constituţia genetică a unui individ se poate recurge la autopolenizare sau încrucişare analizatoare.

Încrucişarea analizatoare este tipul de încrucişare care permite să se determine genotipul unor indivizi care au acelaşi fenotip (în cazul relaţiilor de dominanţă şi recesivitate) şi constă în retroîncrucişarea individului analizat cu forma parentală recesivă (backcross) sau cu un alt tester, homozigot recesiv pentru caracterul analizat (testcross).

Dacă individul analizat este homozigot, descendenţa testcross va fi uniformă (fig.3.1.a), iar dacă individul analizat este heterozigot, în descendenţa testcross va apare segregarea în raport de 1:1 (fig.3.1.b).

a) P : AA x aa b) P : Aa x aa gameţi: x gameţi: x

Tc Aa Aa Tc Aa aa

Fig. 3.1. Încrucişarea analizatoare la monohibridareDeterminarea constituţiei genetice prin intermediul încrucişării analizatoare

prezintă importanţă atât pentru studiile de genetică cât şi în lucrările de ameliorare, în cazul alegerii genitorilor sau în cazul analizei genetice a rezultatelor obţinute prin hibridare.

Dihibridarea este încrucişarea între doi părinţi care se deosebesc prin două caractere.

Mendel a încrucişat mazăre cu bobul de culoare galbenă (notat GG) şi formă rotundă (notat RR) cu mazăre cu bobul verde (notat gg) şi formă zbârcită (notat rr). Urmărite individual cele două caractere, s-a stabilit că galbenul domină verdele, iar forma netedă domină forma zbârcită.

În prima generaţie (F1) s-a obţinut o descendenţă uniformă, care manifestă ambele caractere ale părintelui dominant (boabe galbene şi netede).

Generaţia F2, rezultată prin autopolenizarea plantelor din F1 a relevat faptul că este neuniformă fenotipic, fiind alcătuită din patru clase fenotipice: două de tip

32

A A a a A aaa

Page 33: Suport Curs- Genetica

parental - galben, neted şi verde, zbârcit şi două fenotipuri noi - galben, zbârcit şi verde, neted, rezultate din combinarea între ele a caracteristicilor părinţilor.

Pentru fiecare caracter, segregarea în F2 s-a produs în raport de 3:1, deci fiecare caracter segregă independent unul de celălalt. Urmărite în F2 după felul cum apar împreună cele două caractere, s-a stabilit că acestea se recombină liber, fapt ce determină ca alături de formele parentale să apară şi forme recombinate, în următoarea proporţie:

- 9/16 - fenotip parental dublu dominant, G-N (3/4 x 3/4);- 3/16 - fenotip recombinat dominant-recesiv, G-nn (3/4 x 1/4);- 3/16 - fenotip recombinat recesiv-dominant, gg-N (1/4 x 3/4);- 1/16 - fenotip parental dublu recesiv gg nn (1/4 x 1/4).Hibridul F1 formează patru tipuri de gameţi masculi şi patru tipuri de gameţi

femeli (GN, Gn, gN şi gn) din combinarea cărora apare generaţia F2.Din combinarea întâmplătoare a celor patru grupe de gameţi se obţin în F2 cele

16 feluri de combinaţii, care grupate după fenotip, dau raportul de segregare 9:3:3:1.Apariţia unor clase fenotipice noi, diferite de formele parentale (tipuri

recombinate cu seminţe galben, zbârcite şi seminţe verzi şi netede), îl conduce pe Mendel la formularea celei de a treia legi şi anume legea transmiterii independente şi a liberei combinări a caracterelor.

Încrucişarea analizatoare în cazul dihibridării se realizează prin încrucişarea individului analizat cu forma parentală dublu recesivă sau cu un alt tester, homozigot recesiv pentru caracterul analizat (fig.3.2.).

Dacă individul analizat este dublu homozigot, descendenţa testcross este uniformă.

Dacă individul analizat este heterozigot pentru o pereche de caractere, în descendenţa testcross apar două clase fenotipice în proporţie de 1:1, segregarea producându-se pentru gena heterozigotă.

Când individul analizat este dublu heterozigot în descendenţa testcross apar patru clase fenotipice, în proporţie egală, 1:1:1:1.

a) P : AABB x aabb gameţi: x

Tc AaBb(descendenţă uniformă)

b) P : AABb x aabb P : AaBB x aabb gameţi: x gameţi: x

Tc AaBb Aabb Tc AaBb aaBb 1 : 1 1 : 1

33

AB AB

AB Ab ab AB aB ab

Page 34: Suport Curs- Genetica

c) P : AaBb x aabb gameţi:

Tc AaBb Aabb aaBb aabb

1 : 1 : 1 : 1

Fig. 3.2. Încrucişarea analizatoare în cazul dihibridăriia) Individul analizat este dublu homozigot b) Individul analizat este heterozigot pentru

o pereche de gene c) Individul analizat este dublu heterozigot

Prin experienţe de polihibridare când se urmăresc "n" perechi de factori alelici se pot obţine următoarele rezultate: indivizi heterozigoţi din generaţia F1 pot forma 2n

tipuri genetice de gameţi, care în urma fecundării pot da naştere la 4n combinaţii genetice şi pot rezulta 3n clase de segregare genotipică.

Rezultă 2n clase de segregare fenotipică, într-un raport de segregare ce rezultă din dezvoltarea binomului (3/4 + 1/4)n.

4.1..2. Transmiterea intermediară şi parţial dominantă

În cazul experienţelor lui Mendel, datorită fenomenului de dominanţă completă, heterozigoţii (Aa) prezentau acelaşi fenotip ca şi organismele homozigote (AA), ereditate dominantă de tip Pisum.

Transmiterea intermediară (sau ereditatea de tip Zea) este o relaţie intraalelică în care heterozigotul din F1 (Aa) are un fenotip intermediar între cele două forme parentale.

Cercetările privind transmiterea intermediară au fost efectuate de CORRENS (1909) la Mirabilis jalapa şi de BAUR (1930) la Antirrhinum majus. Cazul clasic de analiză a eredităţii de tip Zea implică studiul culorii florii, la gura leului, pe baza încrucişării unor genitori homozigoţi şi anume: plante cu flori roşii x plante cu flori albe. În generaţia F1 plantele au produs flori de culoare intermediară, roz. Autopolenizarea plantelor din generaţia F1 a determinat obţinerea în F2 a 25% plante cu flori de culoare roşie, 25% plante cu flori de culoare albă şi 50% plante cu flori de culoare roz, deci un raport de segregare de 1:2:1. Rezultă că heterozigoţii prin fenotipul intermediar se disting de ambii părinţi homozigoţi, iar segregarea fenotipică şi cea genotipică apar în acelaşi raport de 1:2:1. Se poate concluziona că în cazul acestui tip de transmitere ereditară valoarea fenotipică a hibrizilor este egală cu media formelor parentale.

În cazul dominanţei parţiale valoarea fenotipică a heterozigotului se apropie de valoarea unuia din părinţi. Şi în aceste condiţii, heterozigoţii se deosebesc de homozigoţi.

34

AB Ab ababaB

Page 35: Suport Curs- Genetica

4.1.3. Transmiterea codominantă

Codominanţa indică fenomenul ereditar în care între genele alele se stabilesc relaţii de dominanţă simultană, fiecare alelă având capacitatea de a-şi exprima fenotipul propriu. Hibridul prezintă caracterele ambilor părinţi homozigoţi.

În generaţia F2 raportul de segregare fenotipică este egal cu raportul de segregare genotipică, adică 1:2:1.

O interacţiune alelică de codominanţă se manifestă între alelele locusului care controlează la om grupele sanguine din sistemul ABO. Acest locus are o serie de trei alele: IO, IA şi IB. Heterozigotul IAIO produce grupa sanguină A, iar heterozigotul IBIO

produce grupa sanguină B. IOIO produce grupa sanguină O, iar heterozigotul IA IB

produce grupa sanguină AB, adică un fenotip nou, la care se manifestă codominanţa.În cazul sistemului antigenic la om homozigoţii LMLM produc antigene de tip M;

homozigoţii LNLN produc antigene de tip N, iar heterozigoţii LMLN produc atât antigene M cât şi N.

4.1.4. Transmiterea supradominantă

Supradominanţa este un fenomen de relaţie interalelică, în care un individ în stare heterozigotă (Aa) determină o sporire sau o creştere a valorii fenotipice faţă de indivizii homozigoţi de tip parental (Aa>AA>aa).

Acest fenomen este mai pregnant în cazul unor caractere cantitative, determinate poligenic, având importanţă în apariţia heterozisului.

35

Page 36: Suport Curs- Genetica

C a p i t o l u l 5

ABATERI DE LA RAPORTURILE DE SEGREGARE MENDELIENE

În afară de experienţele care confirmă legile sau principiile mendeliene au apărut şi rezultate care nu au putut fi explicate prin schemele propuse de Mendel pe baza rezultatelor obţinute de el la mazăre, majoritatea abaterilor vizând raporturile de segregare. Abaterile pot fi aparente sau reale, în funcţie de cauzele care le generează.

Aceste explicaţii au dus treptat la ideea că fiecare caracter nu are o determinare genetică simplă, că este rezultatul acţiunii unui ansamblu de factori genetici interni în interacţiune cu factori externi ai organismului.

5.1. Abateri aparente

Abaterile aparente de la segregarea mendeliană presupun modificarea raporturilor de segregare, fie datorită unor relaţii speciale între genele nealele fie datorită influenţei condiţiilor de mediu, dar cu păstrarea nealterată a suportului citologic, legat de formarea gameţilor şi zigoţilor.

5.1.1. Pleiotropia

Fenomenul de pleiotropie indică capacitatea unei singure gene de a determina la acelaşi organism două sau mai multe caractere diferite între ele.

Efectele pleiotrope au fost observate prima dată de Mendel la mazăre, care a constat că o genă a afectat în acelaşi timp culoarea florilor (roşu şi alb), culoarea seminţelor (gri şi brun) şi prezenţa sau absenţa petelor roşietice de pe stipele.

La Vicia faba L. s-a găsit o genă pleiotropă care determină lipsa totală a pigmentaţiei florale, absenţa taninului din tegumentul seminal şi lipsa vicinelor şi covicinelor din seminţe.

La Drosophila au fost puse în evidenţă numeroase gene pleiotrope. Astfel, gena recesivă care determină apariţia aripilor vestigiale, determină şi micşorarea numărului de ouă, scăderea fertilităţii şi modificarea poziţiei perişorilor pe corp.

O particularitate a unor gene pleiotrope o constituie faptul că în experienţele de hibridare relaţiile de alelism se manifestă specific, dominant sau recesiv pentru fiecare caracter în parte.

36

Page 37: Suport Curs- Genetica

Un exemplu în acest sens îl poate constitui gena pleiotropă ce controlează culoarea blănii şi culoarea ochilor la şoareci, alela c (albino) determinând culoarea roz a ochilor şi culoarea albă a blănii în timp ce alela ei ce (chinchilla) determină ochi negri şi blană cafenie. În urma încrucişării indivizilor homozigoţi pentru cele două alele, în F1 toţi indivizii au fost cu ochi negri şi blană albă ceea ce înseamnă că în privinţa culorii ochilor dominantă este alela ce, determinând la heterozigoţi ochi negri, iar în privinţa culorii blănii dominantă este alela c, determinând la heterozigoţi blana albă. Concluzia a fost confirmată de raportul de segregare obţinut în F2 pentru fiecare din cele două caractere. Dacă se analizează indivizii generaţiei F2, ce au segregat în privinţa ambelor caractere în raport de 1:2:1 şoareci cu ochi negri şi blană cafenie (cece); ochi negri şi blană albă (cec); ochi roz şi blană albă (cc), în privinţa raportului de segregare pentru fiecare caracter în parte, se constată că pentru culoarea ochilor segregarea s-a produs în raport de 3:1 (negru-roz) iar pentru culoarea blănii 3:1 (alb-cafeniu).

Genele pleiotrope determină corelaţii genetice foarte strânse între diferite caracteristici şi menţin aceste corelaţii de-a lungul generaţiilor. În afară de efectul lor uşor de evidenţiat, corelaţiile genetice permit realizarea unei selecţii indirecte pentru unele caractere care se evidenţiază mai greu (ex. caracteristici biochimice) pe baza unor caractere cu manifestare evidentă la nivelul fenotipului.

5.1.2. Interacţiunea dintre genele nealele

Pentru a fi obţinute raporturile de mendeliene de segregare este necesară lipsa interacţiunilor între genele nealele, localizate pe cormozomi diferiţi. Dacă între genele nealele se stabilesc anumite interacţiuni, raporturile de segregare vor fi alterate, alterare ce se constituie ca o abatere aparentă de la legile de segregare mendeliană.

Se cunosc mai multe tipuri de interacţiune între genele nealele şi anume: complementaritatea, epistazia şi criptomeria.

5.1.2.1. Complementaritatea

Complementaritatea este fenomenul de interacţiune între genele nealele în cadrul căreia două sau mai multe gene nealele cooperează pentru a determina un caracter nou, specific, pe care nici una din ele nu-l poate determina singură.

Complementaritatea poate fi de dominanţă, de recesivitate sau de dominanţă şi recesivitate după cum genele cooperează prin alelele lor dominate, recesive sau dominante şi recesive.

Complementaritatea de dominanţă apare atunci când genele nealele cooperează prin alelele lor dominante. Pentru exemplificare se consideră modul de moştenire a culorii florilor la Lathyrus odoratus, plantă care are, în general, flori de culoare roşie, dar şi varietăţi cu flori albe.

Încrucişându-se două varietăţi cu flori de culoare albă s-au obţinut în F1 plante cu flori de culoare roşie, prin autopolenizarea cărora în F2 au rezultat plante ce segregau în raportul de 9:7 (9/16 plante cu flori roşii; 7/16 plante cu flori albe).

37

Page 38: Suport Curs- Genetica

Raportul de segregare obţinut 9:7 sugerează un raport de segregare dihibrid alterat, deoarece suma proporţiilor diferitelor clase fenotipice (9 + 7) este 16, cifră ce corespunde numărului de combinaţii genetice în cadrul dihibridării.

P: Flori albeAAbb

Flori albe aaBB

F1: Aa Bb flori roşii

Genotip Raport genotipic Fenotip Raport fenotipicF2: A– B– 9/16 roşu

9 : 7A– bb 3/16aa B– 3/16 albaa bb 1/16

Fig. 5.1. Efectele complementarităţii de dominanţă într-un sistem de doi loci. Încrucişarea unor forme de Lathyrus odoratus, ambele cu flori albe şi obţinerea în

generaţia F2 a raportului de segregare 9 : 7

Complementaritatea de recesivitate înseamnă apariţia unui fenotip nou în urma interacţiunii a două sau mai multe gene nealele recesive în stare homozigotă. Acest fenomen a fost observat de SHULL (1914) cu ocazia încrucişării între Capsella bursa-pastoris, cu capsula în formă triunghiulară (AABB) şi Capsella haegeri, cu capsula în formă ovoidală (aabb).

În descendenţa F1 a rezultat o descendenţă cu capsule triunghiulare (AaBb). În F2 s-au obţinut 16 combinaţii care segregă în două grupe fenotipice, în raport de 15:1, adică 15 combinaţii cu capsulă triunghiulară, deoarece conţin cel puţin o genă dominantă şi o combinaţie cu capsula de formă ovoidală, determinată de interacţiunea genelor recesive în stare homozigotă.

Complementaritatea de dominanţă şi recesivitate se caracterizează prin faptul că atât genele nealele dominante cât şi cele recesive cooperează pentru a determina un fenotip nou specific. De menţionat că în acest caz fiecare genă dominantă, luată separat poate controla un fenotip propriu.

Pentru exemplificare se consideră modul de moştenire a formei crestei la găini, fenomen constatat de BATESON şi PUNNETT. Prin încrucişarea rasei Wyandotte, cu creasta în formă de rozetă şi rasa Brahmas, cu creasta bătută, în descendenţa F1 s-au obţinut indivizi cu creasta nuciformă, cu caracter fenotipic nou. În generaţia F2, rezultată în urma inter-încrucişărilor indivizilor din generaţia F1, pe lângă fenotipul generaţiei F1, creasta nuciformă şi fenotipurile parentale, cu creasta rozetă şi creasta

38

Page 39: Suport Curs- Genetica

bătută, s-au obţinut şi indivizi cu creasta simplă, un nou caracter fenotipic, realizându-se un raport de segregare 9:3:3:1.

5.1.2.2. Epistazia

Epistazia constă în mascarea expresiei fenotipice a unei gene numită hipostatică de către o altă genă nealelă numită epistatică.

Epistazia poate fi de dominanţă sau de recesivitate, după cum gena epistatică este dominantă sau recesivă.

Epistazia de dominanţă se caracterizează prin faptul că gena epistatică este dominantă. În acest caz există două situaţii: a) când gena dominantă poate să determine un fenotip propriu şi b) când gena dominantă nu poate determina un fenotip propriu.

Raportul de segregare în cazul epistaziei de dominanţă când gena epistatică dominantă are capacitatea de a determina un fenotip propriu este de 12:3:1. Un exemplu îl oferă modul de moştenire a culorii florilor la Dahlia variabilis. S-au încrucişat două varietăţi de Dahlia, una cu flori galbene (YYII) şi alta cu flori albe (yyii). La această specie există două gene independente: Y - culoare galbenă a florii; y - culoare albă a florii; Y - culoare ivoriu (fildeşiu); i - albă. În generaţia F1 s-au obţinut numai plante cu flori galbene, iar în generaţia F2 s-a obţinut raportul de segregare tipic epistaziei de dominanţă, în proporţie de 12 (plante cu flori galbene) : 3 (plante cu flori fildeşii) : 1 (plante cu flori albe).

Raportul de segregare rezultat sugerează un raport dihibrid alterat. Apariţia culorii fildeşii în F2 presupune faptul că gena ce controlează acest caracter (hipostatică) a fost purtată de părintele cu flori galbene, însă nu s-a putut manifesta datorită prezenţei unei gene dominante epistatice. În F2 proporţia de segregare de 3/16 pentru flori fildeşii corespunde proporţiei genotipurilor recesiv-dominante (fig.4.2.).

În cazul în care gena epistatică dominantă nu are capacitatea de a determina un fenotip propriu, raportul de segregare în F2 este de 13:3. Acest tip de epistazie se manifestă la încrucişarea între rasele de găini albe, Leghorn x Wyandotte. În F1 se obţin găini albe, iar în F2 un raport de: 13/16 indivizi albi : 3/16 indivizi negri.

P: YY II x yy iiflori galbene flori albe

F1: Yy Ii flori galbene

Genotip Raport genotipic Fenotip Raport fenotipicF2: Y– I– 9/16 galben

12 : 3 : 1Y– ii 3/16 galbenyy I– 3/16 fildeşiuyy ii 1/16 alb

39

Page 40: Suport Curs- Genetica

Fig. 5.2. Evidenţierea epistaziei de dominanţă, când gena epistatică poate determina fenotip propriu

Raportul de segregare ce rezultă sugerează tot un raport dihibrid alterat, adică totalul de 16 combinaţii indică acţiunea a două perechi de gene. Apariţia culorii negre sugerează faptul că gena ce determină acest caracter a fost purtată de unul din părinţi (Leghorn), alături de o genă epistatică care inhibă manifestarea acţiunii genei pentru culoare. Culoarea neagră apare numai în prezenţa genei dominante ce produce culoarea şi a genei recesive ii (fig. 4.3.).

Notând cu I gena epistatică şi cu C gena hipostatică rezultă:

P: II CC x ii ccLaghorn alb Wyandotte alb

F1: Ii Cc alb

Genotip Raport genotipic Fenotip Raport fenotipicF2: I– C– 9/16 alb

13 : 3I– cc 3/16 albii C– 3/16 negruii cc 1/16 alb

Fig. 5.3. Evidenţierea epistaziei de dominanţă, când gena epistatică nu are capacitatea de a determina fenotip propriu

Epistazia de recesivitate se caracterizează prin faptul că o alelă recesivă homozigotă maschează acţiunea altei gene reprezentată de alela dominantă. Acest fenomen a fost observat la modul de moştenire a culorii blănii la iepuri. S-au încrucişat două rase: una de culoare neagră (Aa cc) şi alta de culoare albă (aa CC), care poartă (dar nu exteriorizează) genele pentru fenotipul sălbatic (cenuşiu).

În F1 toţi indivizii au fost de culoare cenuşie (Cc Aa), culoarea tipului sălbatic. Dacă indivizii din F1 au fost încrucişaţi între ei, au rezultat în F2 trei fenotipuri şi anume: 9/16 indivizi de culoare cenuşie, 3/16 indivizi de culoare neagră şi 4/16 indivizi de culoare albă (fig.4.4.).

P: AA cc x aa CCnegru alb

F1: Aa Cc cenuşiu

Genotip Raport genotipic Fenotip Raport fenotipicF2: A– C– 9/16 cenuşiu 9 : 3 : 4

A– cc 3/16 negruaa C– 3/16 alb

40

Page 41: Suport Curs- Genetica

aa cc 1/16 alb

Fig. 5.4. Evidenţierea epistaziei de recesivitate

5.2. Abateri reale de la raporturile de segregare mendeliană

Abaterile reale de la raporturile de segregare mendeliană sunt determinate de participarea inegală sau lipsa de participare a unor factori alelici la structura genetică a descendenţei, ca urmare a unor deranjuri în cadrul procesului de formare a gameţilor sau zigoţilor, precum şi datorită supravieţuirii inegale a descendenţilor.

Cele mai frecvente cauze ale abaterilor reale sunt: segregarea preferenţială a cromozomilor, nondisjuncţia cromozomilor omologi în meioză, formarea nerandomizată a zigoţilor şi letalitatea.

Segregarea preferenţială reprezintă un deranj în procesul de formare a gameţilor şi constă în includerea preferenţială a unui cromozom în macrosporul bazal care va participa la formarea gametofitului femel. Consecinţa este reprezentată de modificarea raportului de segregare în favoarea genei alele purtate de cromozomul respectiv.

Nondisjuncţia cromozomilor în meioză reprezintă incapacitatea unor cromozomi omologi de a se separa la anafaza meiozei I. Consecinţa nondisjuncţiei este formarea unui nucleu haploid cu un cromozom în plus şi a celuilalt cu un cromozom în minus. Dacă un gamet cu un cromozom în minus fecundează un gamet normal va rezulta în descendenţă un zigot cu un cromozom în minus, denumit monosom (2n-1), iar dacă un gamet cu un cromozom în plus va fecunda un gamet normal va rezulta un zigot cu un cromozom în plus, denumit trisom (2n+1).

Formarea nerandomizată a zigoţilor reprezintă fenomenul de unire preferenţială, nerandomizată a gameţilor în procesul de formare a zigoţilor.

Cauzele fecundării preferenţiale pot fi de natură genetică (cazul autoincompatibilităţii, determinată de o serie alelică multiplă, care nu permite grăunciorilor de polen ce poartă aceleaşi alele cu gametofitul femel să participe la fecundare) şi cauze biologice (electivitatea în procesul de fecundare).

Letalitatea reprezintă moartea zigotului sau a unor indivizi înainte de maturitatea sexuală, determinată genetic. Genele care determină moartea se numesc gene letale, se pot transmite dominant sau intermediar, respectiv pot fi gene dominante sau gene recesive, în stare homozigotă sau heterozigotă.

În cazul transmiterii dominante efectul letal poate fi cauzat de gene dominante sau gene recesive. Genele dominante letale se elimină repede dintr-o populaţie, deoarece se manifestă atât la homozigoţi cât şi la heterozigoţi, în timp ce genele recesive se elimină mai greu, deoarece se manifestă numai în stare homozigotă. Indivizii heterozigoţi, la care gena letală recesivă nu se manifestă, deşi există, se numesc purtători.

41

Page 42: Suport Curs- Genetica

Fenomenul de letalitate se întâlneşte atât la plante cât şi la animale. La om, gena Epiloia, cauzează creşterea anormală a pielii, afecţiuni mintale şi tumori, astfel că are efect letal, încă din tinereţe.

Pentru exemplificare se consideră varietatea brumărie a rasei Karakul, care are gena pentru culoarea brumărie (Br), dominantă faţă de gena pentru culoarea neagră (br), înlănţuită cu o genă letală recesivă (l).

Din încrucişarea indivizilor brumării între ei, în F1 s-a produs segregarea în raportul de 2/3 indivizi de culoare brumărie şi 1/3 indivizi de culoare neagră, ceea ce a dus la concluzia că genitorii sunt heterozigoţi, adică un raport de segregare fenotipică de 2:1. După cele cunoscute la monohibridarea de tip Pisum ar fi trebuit să apară o segregare în raport de 3 brumării : 1 negru. Raportul alterat obţinut este determinat de prezenţa genei recesive letale homozigote, raport evidenţiat pentru gena culorii brumării (Br) cu care este înlănţuită gena letală (l), genă letală care se manifestă în stare homozigotă (fig.4.5.).

Raport de segregare fenotipică: la naştere 3:1; curând după naştere 2:1

P:Br l Br l

br L br Lbrumăriu brumăriu

F1

Br l Br l br L br L

Br l br L Br l br Lbrumăriu brumăriu brumăriu negru

letal viabil viabil viabil

Fig. 5.5. Manifestarea genelor letale recesive la rasa de oi Karakul

În cazul transmiterii intermediare gena letală se manifestă numai în stare homozigotă. Un asemenea exemplu a fost semnalat de BAUR (1930) la Antirrhinum majus, varietatea aurea, la care frunzele sunt verzi-gălbui. Prin autopolenizarea plantelor aurea care sunt heterozigote (Aa) au apărut trei clase fenotipice: aurea, verzi şi alb. Plantele albe homozigote pentru alela recesivă (aa) au murit imediat după germinare datorită imposibilităţii de a sintetiza clorofila (fig.4.8.).

P : Aa x Aa aurea aurea

gameţi: F AA Aa aA aa

42

A a A A

Page 43: Suport Curs- Genetica

1 verde : 2 aurea : 1 alb (letal)

Fig. 5.8. Schema comportării la încrucişare a unei alele letale recesive în cazul transmiterii intermediare

C a p i t o l u l 6

LINKAGE ŞI CROSSING-OVER

6.1. Linkage-ul

Transmiterea împreună, înlănţuită a genelor plasate pe acelaşi cromozom, atât în procesul de formare a gameţilor cât şi în descendenţă se numeşte linkage.

Linkage-ul a fost descoperit de BATESON şi PUNETT (1906), în cadrul unui experimenta privind modul de transmitere a culorii florilor şi a formei grăunciorilor de polen la Lathyrus odoratus, stabilind că unele perechi de factori alelici nu segregă independent.

După frecvenţa fenotipurilor de tip recombinat, linkage-ul poate fi: complet şi incomplet.

Linkage-ul complet se întâlneşte când frecvenţa fenotipurilor recombinate în descendenţa F2 sau în descendenţa testcross este egală cu zero.

Linkage-ul incomplet apare atunci când alături de formele parentale apar şi fenotipuri recombinate, însă într-o proporţie mai mică decât cea aşteptată în cazul liberei combinări (9:3:3:1 sau 1:1:1:1).

După modul de înlănţuire a genelor dominante şi a alelelor lor recesive în cromozomii parentali, linkage-ul poate fi: linkage în faza de cuplare şi linkage în faza de repulsie. Când două gene dominante AB (sau două gene sălbatice) sunt înlănţuite într-un cromozom, iar alelele lor recesive ab (sau alelele lor mutante) în cromozomul omolog avem linkage în faza de cuplare. Dacă o genă dominantă este înlănţuită cu o genă recesivă, respectiv o genă sălbatică este înlănţuită cu o genă mutantă, linkage-ul este în faza de repulsie.

Intensitatea linkage-ului sau tăria înlănţuirii este dată de proporţia gameţilor de tip recombinat care determină proporţia descendenţilor de tip recombinat. Cu cât proporţia acestora este mai mare intensitatea linkage-ului este mai mică.

43

Page 44: Suport Curs- Genetica

Intensitatea linkage-ului este funcţie de distanţa dintre genele înlănţuite. Cu cât distanţa între gene este mai mare cu atât intensitatea linkage-ului este mai mică însă frecvenţa de recombinare este mai mare. Frecvenţa de recombinare este luată ca măsură a distanţei dintre gene, unitatea de măsură corespunzând unui procent de recombinare (cM = centimorgan).

6.2. Crossing over-ul

Crossing over-ul reprezintă un proces de schimb de segmente între cromatidele nesurori ale cromozomilor omologi, având ca şi consecinţă genetică recombinarea. În mod obişnuit acest proces se petrece în meioză şi reprezintă o importantă sursă de variabilitate genetică a gameţilor şi descendenţilor, dar poate să aibă loc şi în mitoză. Pentru a putea fi pus în evidenţă prin consecinţa lui, recombinarea genetică, este necesar ca crossing over-ul să se producă la un organism heterozigot, între două gene înlănţuite, marker.

Fig. 6.1. Crossing over-ul (Reprezentarea schematică)

Din cei patru produţi meiotici, doi au aceeaşi dispunere a genelor ca la formele parentale (AB şi ab). Aceştia au provenit din cromatidele care nu au fost implicate în crossing over şi sunt de tip parental sau non cross over. La ceilalţi doi produşi meiotici rezultaţi prin crossing over (Ab şi ab), înlănţuirea originală este schimbată, fiind de tip recombinat sau cross over.

44

Page 45: Suport Curs- Genetica

C a p i t o l u l 7

EREDITATEA CARACTERELOR CANTITATIVE

7.1. Determinismul genetic al caracterelor cantitative

După cum s-a văzut în capitolul III, transmiterea monogenică este caracteristică modului de moştenire a caracterelor calitative.

Caracterele cantitative sunt determinate genetic polimer aditiv (transmiterea poligenică), adică exprimarea unui caracter cantitativ este rezultatul însumării efectelor parţiale a mai multor gene, numite poligene. Fiecare genă are o contribuţie minoră la manifestarea fenotipică şi de aceea se numesc gene minore.

Fiecare genă ocupă în cromozom un anumit locus. La un locus pot exista două gene alele: una contribuitoare cu efect evident asupra fenotipului (gene active) şi una neutrală, cu efect slab asupra fenotipului (gene pasive).

Între alele pot exista relaţii de alelism specifice (aditivitate, dominanţă-recesivitate). Poligenele pot exista în cromozomi diferiţi (nealele) sau înlănţuite (linkage) în acelaşi cromozom.

Caracterele cantitative sunt puternic influenţate în exprimarea lor fenotipică de condiţiile de mediu. Ca urmare a numărului mare de gene şi a influenţei condiţiilor de mediu, caracterele cantitative nu segregă în clase fenotipice distincte, manifestând o variabilitate continuă.

7.2. Metode utilizate pentru analiza transmiterii ereditare a caracterelor cantitative

Ramura geneticii care se ocupă cu analiza transmiterii ereditare a caracterelor cantitative se numeşte genetica cantitativă.

Metoda de bază utilizată pentru analiza transmiterii ereditare a caracterelor cantitative este metoda hibridologică ca şi în cazul caracterelor calitative, urmată de studiul statistico-matemetic al descendenţei.

45

Page 46: Suport Curs- Genetica

. Analiza transmiterii ereditare a caracterelor cantitative se face la nivelul manifestării fenotipice a complexului de gene prin metode statistice, pe baza determinărilor biometrice efectuate în populaţii hibride urmărind stabilirea prin metode statistico-matematice a parametrilor genetici şi a parametrilor genetici derivaţi.

Genetica cantitativă are un profund caracter probabilistic. În prezent prin descoperiri făcute în domeniul geneticii moleculare, mai ales prin utilizarea markerilor moleculari obţinuţi prin tehnica RFLP (Restriction Fragment Lenght Polymorphism) este posibilă descompunerea unui caracter cantitativ în elementele genetice componente, permiţând determinarea efectului fenotipic al fiecărei gene (aşa numitul QTL - Quantitative Trait Loci). Astfel, genetica cantitativă îşi pierde caracterul probabilistic, devenind analitică.

7.3. Tipuri de sisteme poligenice

După efectul fenotipic al alelelor contribuitoare există mai multe tipuri de sisteme poligenice: polimere, anizomere, opoziţionale, necumulative.

În cazul sistemelor polimere efectul fenotipic al alelelor contribuitoare este egal şi aditiv. Tot aditiv este efectul şi în cazul sistemelor anizomere însă este inegal, efectul diferitelor alele contribuitoare fiind diferit ca pondere.

În cazul sistemelor opoziţionale efectul fenotipic al alelelor contribuitoare este inegal şi antagonic, expresia fenotipică a unui caracter fiind rezultatul însumării efectelor pozitive şi negative ale acestor alele. În cazul sistemelor necumulative efectele alelelor "contribuitoare" fiind egale dar neaditive.

La nivelul poligenelor se pot manifesta diferite tipuri de interacţiuni, atât interacţiuni de dominanţă şi recesivitate, cât şi interacţiuni nealelice, de epistazie, ce complică foarte mult modul de transmitere ereditară a caracterelor cantitative.

7.3.1. Transmiterea ereditară în cazul diferitelor sisteme poligenice

În cazul sistemelor polimere, în absenţa interacţiunilor, indivizii generaţiei F1 sunt intermediari formelor parentale, atât în ceea ce priveşte valoarea fenotipică cât şi în ceea ce priveşte variabilitatea. Indivizii generaţiei F2 sunt intermediari formelor parentale fiind asemănători generaţiei F1 în privinţa valorii fenotipice. În privinţa variabilităţii însă, aceasta este mult mai mare, fiind cuprinsă, de regulă, între limitele de variabilitate a celor două forme parentale .

În cazul în care formele parentale nu reprezintă formele extreme, fiecare părinte conţinând alele care lipsesc celuilalt părinte, în urma segregării, în descendenţa F 2 pot să apară forme transgresive, care să depăşească valoarea fenotipică a ambilor părinţi. Transgresia reprezintă fenomenul de apariţie începând cu generaţia F2, a unor indivizi superiori (sau inferiori) ambelor forme parentale. Transgresia poate să fie pozitivă, când descendenţii depăşesc valoarea fenotipică a celui mai bun părinte, sau negativă, când descendenţii sunt mai slabi decât părintele cel mai slab. De exemplu în următoarea încrucişare este de aşteptat apariţia transgresiilor:

P AA bb CC x aa BB ccF1 Aa Bb Cc

46

Page 47: Suport Curs- Genetica

F2 pot să apară - AA BB CC (transgresie pozitivă) - aa bb cc (transgresie negativă)

Deşi apariţia transgresiilor reprezintă un fenomen relativ rar, numeroase din succesele ameliorării practice se datoresc tocmai acestui fenomen. Utilizarea ca genitori a unor forme ecologice îndepărtate, care măresc probabilitatea acumulării de gene favorabile diferite şi selecţia în populaţii foarte numeroase, sporeşte şansa obţinerii unor forme transgresive deosebit de valoroase.

În cazul sistemelor aditive şi în absenţa interacţiunilor, dacă se efectuează selecţia într-o anumită direcţie, media descendenţilor părinţilor selecţionaţi este asemănătoare mediei părinţilor selecţionaţi.

În cazul manifestării interacţiunilor alelice, dominanţa are ca efect tendinţa de reducere a numărului de clase fenotipice de segregare determinând devierea indivizilor generaţiei F1 şi F2 spre părintele care a contribuit cu mai multe alele dominate. Ca şi consecinţă a reducerii numărului de clase de segregare, dominanţa cauzează subestimarea numărului de gene care participă la determinarea unui anumit caracter cantitativ.

În cazul poligenelor dominanţa poate fi unidirecţională, caz în care efectele de dominanţă a fiecărei alele se cumulează putând să se manifeste efecte de supradominanţă, sau asimetrică caz în care efectele de dominanţă a diferitelor alele se pot cumula astfel că per total poate să apară o lipsă de dominanţă, deşi la nivelul fiecărei alele aceasta se manifestă.

Ca urmare a dominanţei datorită devierii spre unul dintre părinţi se manifestă fenomenul de regresie sau tendinţa ca descendenţii fenotipurilor "extreme" să fie mai puţin "extremă". În consecinţă, în cazul efectuării selecţiei media descendenţilor părinţilor selecţionaţi este inferioară mediei părinţilor selecţionaţi (fig. 7.4.). În aceste condiţii, ne putem apropia de media părinţilor selecţionaţi numai dacă se continuă selecţia mai multe generaţii.

Transmiterea ereditară în cazul sistemelor anizomere este întrucâtva asemănătoare cu transmiterea ereditară în cazul sistemelor polimere, efectele alelelor fiind aditive, cu deosebirea că se pot manifesta tendinţe spre asimetrie atât în privinţa valorilor fenotipice cât şi în privinţa variabilităţii.

În cazul sistemelor opoziţionale este, de asemenea, posibilă manifestarea fenomenului de transgresie, de astă dată ca urmare a efectelor inegale şi antagonice a alelelor contribuitoare. Să presupunem că efectul fenotipic al alelelor contribuitoare este:

A = +8; B = –2; C = –2iar efectul fenotipic al alelelor neutrale este:

a = +2; b = –1; c = –1În acest caz părintele AA BB CC va avea valoarea fenotipică =+8 (adică 16

pentru AA, – 4 pentru BB şi – 4 pentru CC), iar părintele aa bb cc va avea valoarea fenotipică = 0 (adică + 4 pentru aa, –2 pentru bb şi –2 pentru cc).Hibrizii F1 vor avea valoarea fenotipică + 4 (10-3-3), iar în generaţia F2 este posibil să apară indivizi cu valoarea fenotipică +12, cu formula genetică Aa bb cc (16-2-2) superiori ambilor părinţi.

47

Page 48: Suport Curs- Genetica

În cazul sistemelor poligenice necumulative hibrizii F1 vor avea valoarea fenotipică a unuia dintre părinţi, şi anume a părintelui ce poartă alelele "contribuitoare", iar în generaţia F2 vor apare două clase de segregare asemănătoare celor două forme parentale, una cu alelele "contribuitoare" cealaltă cu toate alelele neutrale, într-un raport de segregare caracteristic în funcţie de numărul de gene implicate. Ca exemplu se poate cita modul de moştenire al caracterului forma fructului la Capsella bursa-pastoris prezentat ca şi exemplu pentru interacţiunea complementară de recesivitate.

7.4. Parametrii genetici primari şi parametrii genetici derivaţi

Determinarea parametrilor genetici se bazează pe descompunerea varianţei fenotipice (Vp) în componentele ei după cauza care o determină.

VP = VG + VE, unde VG reprezintă varianţa genetică totală iar VE reprezintă varianţa ecologică, datorită exclusiv influenţei condiţiilor de mediu.

Varianţa genetică mai poate fi descompusă în:VG = VA + VD + VI undeVA reprezintă varianţa genetică aditivă. Varianţa aditivă se mai numeşte şi

varianţa valorii de ameliorare deoarece este cea mai stabilă, în descendenţă fiind cel mai puţin influenţată în urma recombinărilor genetice pe parcursul procesului de segregare.

VD reprezintă varianţa de dominanţă. VI reprezintă varianţa de interacţiune sau de epistazie Varianţa de

interacţiune poate fi descompusă în continuare:VI = VAA + VAD + VDD unde VAA reprezintă interacţiunea aditiv-aditiv; VAD

reprezintă interacţiunea aditiv-dominant iar VDD reprezintă interacţiunea dominant-dominant.

Determinarea parametrilor genetici derivaţi. Din cadrul parametrilor genetici obţinuţi prin analiza varianţei, se pot obţine noi parametri genetici derivaţi, ce pot să completeze informaţiile referitoare la potenţialul genetic al materialului analizat. Astfel de parametri sunt: coeficientul de heritabilitate (h2); coeficientul de repetabilitate (CR); gradul de dominanţă (ā); rata transgresiunilor favorabile; numărul de gene implicate în determinarea unui anumit caracter cantitativ (n).

Coeficientul de heritabilitate (h2) indică cota de participare a genotipului la manifestarea fenotipului, cunoscut fiind faptul că fenotipul este rezultatul interacţiunii dintre genotip şi condiţiile de mediu. Coeficientul de heritabilitate (h2) poate fi privit în sens larg când ne indică acea parte din varianţa fenotipică care se datorează varianţei

genetice totale (h2 = ); sau în sens restrâns când ne indică acea parte din varianţa

fenotipică care se datorează varianţei genetice aditive, varianţa cea mai stabilă în

descendenţă, după cum s-a mai arătat (h2 = ). Coeficientul de heritabilitate poate să

aibă valori cuprinse între 0 şi 1. În cazul în care coeficientul de heritabilitate este zero înseamnă că contribuţia genotipului la manifestarea fenotipului este nulă. În cazul în

48

Page 49: Suport Curs- Genetica

care coeficientul de heritabilitate este unu înseamnă că mediul nu are nici o influenţă asupra caracterului cantitativ în cauză, acesta fiind determinat exclusiv de genotip.

Cunoaşterea coeficientului de heritabilitate are mare importanţă deoarece eficienţa selecţiei depinde în mare măsură de valoarea coeficientului de heritabilitate. În acest sens se apreciază că selecţia poate fi eficientă numai dacă coeficientul de heritabilitate este mai mare de 0,5. În carul procesului de selecţie cunoaşterea coeficientului de heritabilitate permite determinarea efectului aşteptat al selecţiei (R).

R = i · σp · h2, unde i reprezintă coeficientul de selecţie, ce depinde de proporţia indivizilor selecţionaţi, iar p abaterea standard fenotipic.

Coeficientul de repetabilitate (CR) indică constanţa manifestării unui caracter cantitativ, la un anumit individ sau la anumiţi indivizi, succesiv în timp, exprimând măsura în care un anumit caracter cantitativ este liber de influenţele temporare de mediu.

Coeficientul de repetabilitate se poate determina mai ales la plantele perene, la care se pot efectua măsurători multiple, asupra aceloraşi indivizi şi aceluiaşi caracter, mai mulţi ani consecutivi. În acest caz varianţa fenotipică totală (σ2p) poate fi descompusă în două componente:

- varianţa intraindividuală, determinată pe baza măsurătorilor multiple repetate pe acelaşi individ mai mulţi ani şi se datorează exclusiv influenţei mediului specific

(σ 2ES);

- varianţa interindividuală, determinată pe baza măsurătorilor multiple efectuate pe diferiţi indivizi, mai mulţi ani şi este cauzată atât de varianţa genotipică (σ2G) cât şi de varianţa mediului (σ 2

EG).

Aşadar

Cu cât coeficientul de repetabilitate are o valoare mai mare cu atât înseamnă că caracterul respectiv este mai liber de influenţele mediului. Trebuie menţionat faptul că valoarea coeficientului de repetabilitate depinde în mare măsură de proprietăţile genetice ale individului analizat, ceea ce înseamnă că acesta poate fi utilizat cu succes ca genitor.

Gradul de dominanţă (ā) este definit de valoarea raportului între componenta de dominanţă şi componenta aditivă a varianţei gnetice:

ā =

În condiţiile lipsei de dominanţă ā = 0; în condiţiile dominanţei complete ā = 1; în condiţiile dominanţei parţiale ā este mai mic decât unu iar în condiţiile supradominanţei ā este mai mare decât unu.

Cunoaşterea tipului predominant de acţiune a genelor are mare importanţă în programele de ameliorare pentru că în funcţie de aceasta se stabileşte tipul de cultivar ce urmează a fi creat precum şi metoda de ameliorare cea mai adecvată. Astfel, dacă predomină efectele genetice de dominanţă se preferă obţinerea de cultivaruri hibride, dacă predomină efectele de aditivitate se preferă obţinerea de soiuri, la care se pot valorifica efectele transgresive ale poligenelor.

Rata transgresiilor favorabile (x%) reprezintă parametrul genetic derivat care ne poate oferi informaţii privitoare la procentul de indivizi din cadrul generaţiei F2 care pot să manifeste caractere superioare celui mai bun părinte.

49

Page 50: Suport Curs- Genetica

x % = unde:

= media părintelui cel mai bun = media populaţiei F2

= varianţa datorată mediului= varianţa populaţiei F2

Cunoaşterea acestui parametru are mare importanţă deoarece ne indică posibilitatea obţinerii formelor transgresive şi deci şansa de succes prin ameliorare transgresivă.

Numărul de gene implicate în determinarea unui anumit caracter cantitativ (n) poate fi apreciat pe baza proporţiei fenotipurilor extreme, asemănătoare formelor parentale. În cazul unei singure gene proporţia fenotipurilor extreme este de 1/2; în cazul a două gene proporţia este de 1/8 ş.a.m.d. Dacă se obţine deci în descendenţa F2

un număr de indivizi asemănători ambilor părinţi ce corespunde proporţiei de 1/8 înseamnă că la determinarea caracterului considerat sunt implicate două gene.

Numărul de gene poate fi determinat mai exact prin utilizarea parametrilor genetici. În condiţiile absenţei interacţiunilor alelice şi nealelice, deci în condiţiile manifestării preponderente a aditivităţii, numărul de gene (n) se poate determina în felul următor:

unde:

şi - reprezintă valorile medii ale celor două forme parentale - reprezintă varianţa genetică aditivă

Din această formulă se poate observa că numărul de gene este în relaţie directă cu amplitudinea variabilităţii şi în relaţie inversă cu varianţa. Într-o populaţie de mărime dată, cu o anumită amplitudine a variabilităţii cu cât varianţa este mai mare numărul de gene este mai mic. Cu cât creşte numărul de gene varianţa se micşorează, curba de distribuţie devenind tot mai îngustă, proporţia şi deci şansa obţinerii genotipurilor extreme fiind tot mai mică.

50

Page 51: Suport Curs- Genetica

51